Какие факторы определяют величину поверхностного удельного сопротивления способы повышения

Поверхностная проводимость твёрдых диэлектриков. Факторы, влияющие на поверхностное сопротивление

Для твердых электроизоляционных материалов [1] необходимо различать объемную и поверхностную проводимость.

Для сравнительной оценки объемной и поверхностной проводимости различных материалов пользуются значениями удельного объемного сопротивления ρ_V и удельного поверхностного сопротивления ρ_S.

По удельному объемному сопротивлению может быть определена удельная объемная проводимость, по удельному поверхностному сопротивлению – удельная поверхностная проводимость.

Удельное поверхностное сопротивление ρ_S равно сопротивлению квадрата (любых размеров), мысленно выделенного на поверхности материала, если ток проходит через квадрат, от одной его стороны к противоположной.

Рис. 1 Удельное поверхностное сопротивление:

1 – параллельно поставленные электроды; 2 – образец материала

Удельное поверхностное сопротивление (в омах) рассчитывается по формуле

где R_S – поверхностное сопротивление образца материала 2, Ом, между параллельно поставленными электродами 1 шириной d, отстоящими друг от друга на расстояние l.

Удельная поверхностная проводимость ρ_S измеряется в сименсах (См).

Полная проводимость твердого диэлектрика, соответствующая его сопротивлению изоляции, складывается из объемной и поверхностной проводимостей.

Поверхностная электропроводность ρ_S обусловлена присутствием влаги или загрязнений на поверхности диэлектрика. Вода отличается значительной удельной проводимостью. Достаточно тончайшего слоя влаги на поверхности диэлектрика, чтобы была обнаружена заметная проводимость, определяемая в основном толщиной этого слоя. Однако, поскольку сопротивление адсорбированной пленки влаги связано с природой материала, на поверхности которого она находится, поверхностную электропроводность обычно рассматривают как свойство самого диэлектрика.

Адсорбция влаги на поверхности диэлектрика находится в тесной зависимости от относительной влажности окружающей среды. Поэтому относительная влажность является важнейшим фактором, определяющим значение удельной поверхностной проводимости диэлектрика. Особенно резкое уменьшение удельного поверхностного сопротивления наблюдается при относительной влажности, превышающей 70 — 80 %.

Удельная поверхностная проводимость тем ниже, чем меньше полярность вещества, чем чище поверхность диэлектрика и чем лучше она отполирована. Наиболее высокими значениями удельного поверхностного сопротивления обладают неполярные диэлектрики, поверхность которых не смачивается водой. Полярные диэлектрики характеризуются более низкими значениями ρ_S, заметно уменьшающимися во влажной среде. Особенно резкое понижение удельного поверхностного сопротивления можно наблюдать у полярных диэлектриков, частично растворимых в воде, у которых на поверхности образуется пленка электролита. Кроме того, к поверхности полярных диэлектриков легко прилипают различные загрязнения, также приводящие к снижению ρ_S. Низкие значения удельного поверхностного сопротивления имеют и объемно-пористые материалы, так как процесс поглощения влаги толщей материала стимулирует также и образование поверхностных пленок воды.

Удельное поверхностное сопротивление [2] церезина, являющегося неполярным диэлектриком, существенно выше по сравнению с ρ_S щелочного стекла и фенопласта и не зависит от влажности окружающей среды (рис. 2).

Загрязнение поверхности некоторых диэлектриков уменьшает их удельное поверхностное сопротивление (табл. 1).

Рис. 2 Зависимость удельного поверхностного сопротивления от относительной влажности для различных диэлектриков:

1 — церезин; 2 — щелочное стекло; 3 — фенопласт

Таблица 1 – Удельное поверхностное сопротивление некоторых материалов при относительной влажности, равной 70 %

ρ_S при неочищенной поверхности, Ом

Источник

Удельное поверхностное сопротивление

r_s численно равно сопротивлению квадрата (мысленно выделенного на поверхности исследуемого материала), если ток протекает через две противоположные стороны этого квадрата

где R_s–поверхностное сопротивление материала (2) между поставленными электродами (1) шириной d и на расстоянии l (рисунок).

Удельное поверхностное сопротивление диэлектриков является параметром диэлектрика и зависит от природы диэлектрика, температуры, влажности и приложенного напряжения.

Рисунок — Расположение электродов для измерения поверхностного сопротивления материала

Вода обладает значительной проводимостью. Достаточно тончайшего слоя влаги на поверхности диэлектрика, чтобы обнаружить заметную проводимость, которая определяется в основном толщиной этого слоя.

Поверхностная электропроводность обусловлена наличием влаги, загрязнениями и различными дефектами поверхности диэлектрика.

Сильно увлажняются полярные и пористые диэлектрики. r_s диэлектриков связано с величиной краевого угла смачивания и твердостью диэлектрика. Как видно из таблицы -чем меньше краевой угол и выше твердость, тем ниже r_s увлажненного диэлектрика.

Материал	Краевой угол смачивания	Твердость по шкале Мосса	rs . 10 -15 Ом, при относительной влажности воздуха:
0%	98%
Политетрафторэтилен	1–2
Полиметилметакрилат	2–3	1.5
Ультрафарфор	4–5	0.01
Плавленый кварц	6.5 10 -4

К гидрофобным диэлектрикам относятся неполярные диэлектрики, чистая поверхность которых не смачивается водой, поэтому при помещении диэлектрика во влажную среду его поверхностная электропроводность практически не меняется.

К гидрофильным диэлектрикам относятся полярные и большинство ионных диэлектрики со смачиваемой поверхностью. При помещении диэлектрика во влажную среду его поверхностная электропроводность увеличивается. Кроме того, к поверхности полярных диэлектриков могут прилипать различные загрязнения, также приводящие к росту поверхностной проводимости.

К «промежуточным» диэлектрикам условно относят слабополярные диэлектрики (например, лавсан).

При нагревании увлажненной изоляции r_s материалов может расти с повышением температуры и уменьшаться после высушивания.

При низких температурахr_s высушенного материала имеет значительно более высокие значения (на 6–7 порядков выше) по сравнению с образцом, находящемся во влажной среде.

Для увеличения значенияr_s диэлектриков пользуются различными технологическими приемами: промывкой в кипящей дистиллированной воде или растворителях в зависимости от вида диэлектрика, прогреванием до достаточно высокой температуры, покрытием поверхности влагостойкими лаками, глазурями, размещением изделий в защитных корпусах и оболочках и т.д.

Регулирование теплофизических свойств полимерных материалов

К теплофизическим свойствам относят тепло- и температуропроводность, теплоемкость, температурные коэффициенты линейного и объемного расширения. Эти свойства базовых полимеров приведены в табл.

Теплофизические свойства полимеров имеют большое значение, т.к. от них зависят технологические и эксплуатационные свойства материалов.

При создании конструкционных полимерных материалов с заданными свойствами часто возникает задача регулирования теплофизических свойств. Несмотря на то, что теплофизические свойства различных базовых полимеров достаточно близки и отличаются всего в несколько раз, применение добавок позволяет создавать композиционные полимерные материалы, у которых эти свойства отличаются в десятки и сотни раз.

Так, теплопроводность полимеров может быть резко уменьшена путем создания ячеистой структуры полимера, т.е. создания газонаполненных материалов. Широко известны и применяются при создании теплоизоляционных материалов в машиностроении и строительстве пенопласты на основе полистирола, поливинилхлорида, полиэтилена, полиуретана и других полимеров.

Увеличение теплопроводности полимеров достигается путем введения в композицию металлических наполнителей (порошкообразных или волокнистых), графита, углеродных тканей и других материалов с высокой тепло-, электропроводностью. Содержание наполнителя для этих целей составляет 40-60 % по объему.

Таблица -Теплофизические свойства некоторых полимеров

Полимеры	Тепло-проводность, Вт/(м×К)	Удельная теплоемк., кДж/(кг×К)	Температуро-проводность × 10 7 , м 2 /с	Температурный коэффициент линейного расшир. × 10 5 , К -1
Полистирол	0,09-0,14	1,3-1,5	0,8-0,9	6-8
Полиметил-метакрилат	0,17-0,19	1,3-2,1	0,9-1,1
Полипропилен	0,19-0,21	1,93	1,3	9-11
Поликарбонат	0,19-0,21	1,17	0,8-1,9	2,6-5,0
Полиарилаты	0,2-0,3	1,1-1,2	—	—
Политетра-фторэтилен	0,25	1,0	1,1	8-25
Полиэтилен низкой плотности	0,32-0,36	1,8-2,5	1,3-1,5	10-13
Полиэтилен высокой плотности	0,42-0,44	1,9-2,1	1,9	17-20
Полиамид	0,3	1,0-1,7	1,0-1,7	2-14

Кафедра Химической технологии органических покрытий

Специальность 24.05.01 — Химическая технология высокомолекулярных соединений

Цикл дисциплин : Поверхностные явления в адгезированных системах

Источник

Удельные объёмное и поверхностное сопротивления твердых диэлектриков

Рассматривая образец из твердого диэлектрика, можно выделить два принципиально возможных пути для протекания электрического тока: по поверхности данного диэлектрика и через его объем. С этой точки зрения можно оценить способность диэлектрика проводить электрический ток в данных направлениях, применив понятия поверхностного и объемного сопротивлений.

Объемное сопротивление — это сопротивление, которое проявляет диэлектрик при протекании постоянного тока через его объем.

Поверхностное сопротивление — это сопротивление, которое проявляет диэлектрик при протекании постоянного тока по его поверхности. И поверхностное, и объемное сопротивление — определяются экспериментальным путем.

Величина удельного объемного сопротивления диэлектрика численно равна сопротивлению куба, изготовленного из данного диэлектрика, ребро которого имеет длину 1 метр, при условии протекания постоянного тока через две его противоположные грани.

Желая измерить объемное сопротивление диэлектрика, экспериментатор наклеивает на противоположные грани кубического образца диэлектрика металлические электроды.

Площадь электродов принимается равной S, а толщина образца — h. Электроды в эксперименте устанавливаются внутри охранных металлических колец, которые обязательно заземляются, чтобы устранить влияние поверхностных токов на точность проводимых измерений.

Когда электроды и охранные кольца установлены с соблюдением всех надлежащих условий эксперимента, на электроды подают постоянное напряжение U с калиброванного источника постоянного напряжения, и выдерживают так на протяжении 3 минут, чтобы в образце диэлектрика наверняка завершились процессы поляризации.

После этого, не отключая источник постоянного напряжения, измеряют напряжение и сквозной ток при помощи вольтметра и микроамперметра. Далее рассчитывают объемное сопротивление диэлектрического образца по следующей формуле:

Объемное сопротивление измеряется в омах.

Поскольку площадь электродов известна, она равна S, толщина диэлектрика также известна, она равна h, и объемное сопротивление Rv только что было измерено, то теперь можно найти удельное объемное сопротивление диэлектрика (оно измеряется в Ом*м) по следующей формуле:

Чтобы найти удельное поверхностное сопротивление диэлектрика, сначала находят поверхностное сопротивление конкретного образца. Для этого на образец наклеивают два металлических электрода длиной l на расстоянии d между ними.

После этого на приклеенные электроды подают постоянное напряжение U от источника постоянного напряжения, выдерживают так 3 минуты чтобы процессы поляризации в образце наверняка завершились, и измеряют напряжение при помощи вольтметра, и ток — при помощи амперметра.

Наконец, рассчитывают поверхностное сопротивление в омах по формуле:

Теперь для нахождения удельного поверхностного сопротивления диэлектрика необходимо исходить из того, что оно численно равно поверхностному сопротивлению квадратной поверхности данного материала, если ток протекает между электродами, установленными на сторонах этого квадрата. Тогда удельное поверхностное сопротивление будет равно:

Удельное поверхностное сопротивление измеряется в омах.

Удельное поверхностное сопротивление диэлектрика является характеристикой диэлектрического материала и зависит от химического состава диэлектрика, его текущей температуры, влажности и от напряжения, которое приложено к его поверхности.

Сухость поверхности диэлектрика играет огромную роль. Тончайшего слоя воды на поверхности образца достаточно чтобы проявилась заметная проводимость, которая будет зависеть от толщины данного слоя.

Поверхностная проводимость в основном обусловлена наличием загрязнений, дефектов и влаги на поверхности диэлектрика. Пористые и полярные диэлектрики подвержены увлажнению больше других. Удельное поверхностное сопротивление таких материалов связано с величиной твердости и краевого угла смачивания диэлектрика.

Ниже приведена таблица, из которой очевидно, что более твердые диэлектрики с меньшим краевым углом смачивания обладают меньшим удельным поверхностным сопротивлением в увлажненном состоянии. С данной точки зрения диэлектрики подразделяются на гидрофобные и гидрофильные.

Гидрофобными являются неполярные диэлектрики, которые при чистой поверхности не смачиваются водой. По этой причине даже если поместить такой диэлектрик во влажную среду, то его поверхностное сопротивление практически не поменяется.

Гидрофильными являются полярные и большинство ионных диэлектриков, обладающие смачиваемостью. Если поместить гидрофильный диэлектрик во влажную среду, то его поверхностное сопротивление уменьшится. Тут же ко влажной поверхности легко прилипнут разнообразные загрязнения, которые также могут способствовать снижению поверхностного сопротивления.

Есть и промежуточные диэлектрики, к ним относятся слабополярные материалы, такие как лавсан.

Если увлажненную изоляцию нагреть, то ее поверхностное сопротивление может начать расти с повышением температуры. Когда изоляция высохнет — сопротивление может уменьшится. Низкие температуры способствуют увеличению поверхностного сопротивления диэлектрика в высушенном состоянии на 6-7 порядков, если сравнивать с тем же материалом, только увлажненным.

Чтобы повысить поверхностное сопротивление диэлектрика, прибегают к разнообразным технологическим приемам. Например образец можно промыть в растворителе или в кипящей дистиллированной воде, в зависимости от вида диэлектрика, либо прогреть до достаточно высокой температуры, покрыть поверхность влагостойким лаком, глазурью, поместить в защитную оболочку, корпус и т. п.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Источник