UNIVERSITATEA POLITEHNICA BUCURETI

Facultatea de Inginerie Electric

Florin CIUPRINA Petru V. NOINGHER

MATERIALE ELECTROTEHNICE

FIE DE LABORATOR

Cuprins

1. Rezistivitatea de volum i de suprafa a materialelor electroizolante solide 3

2. Rigiditatea dilectric a materialelor electroizolante 9

3. Permitivitatea relativ i factorul de pierderi dielectrice ale materialelor

electroizolante solide

17

4. Parametri electrici ai materialelor semiconductoare 25

5. Proprietile materialelor magnetic moi 33

6. Proprietile feritelor magnetic moi 39

7. Proprietile materialelor magnetic dure 45

8. Studiul fenomenului de histerezis dielectric 51

Bibliografie 57

FIE DE LABORATOR

3

1. Rezistivitatea de volum i de suprafa a materialelor

electroizolante solide

1. Scopul lucrrii

Scopul general al acestei lucrri este de a determina mrimile care exprim

rezistena pe care un material o opune trecerii curentului prin volumul sau pe la

suprafaa sa, respectiv rezistivitatea de volum v i rezistivitatea de suprafa s.

Msuratorile i calculele efectuate permit determinarea valorilor acestor mrimi pentru

materialele izolante uzuale.

2. Noiuni teoretice

Rezistena de volum Rv [] este raportul dintre tensiunea continu aplicat ntre doi

electrozi care sunt n contact cu feele opuse ale unui eantion i curentul dintre cei

doi electrozi, din care se exclude curentul de suprafata.

Rezistivitatea de volum v [m] este raportul dintre intensitatea cmpului electric

continuu i densitatea de curent care parcurge materialul izolant. Aceast mrime

exprimua dificultatea pe care o ntmpin curentul electric la trecerea sa prin

material.

Rezistena de suprafa Rs [] este raportul dintre tensiunea continu aplicat ntre

doi electrozi fixai pe suprafaa unui eantion i curentul dintre cei doi electrozi.

Rezistivitatea de suprafa s [] este raportul dintre intensitatea cmpului electric

continuu i densitatea liniar de curent care parcurge stratul superficial al unui

material izolant. Rezistivitatea de suprafa este numeric egal cu rezistena de

suprafa dintre cei doi electrozi care formeaz laturile opuse ale unui ptrat de

anumite dimensiuni.

Atunci cnd se masoar rezistenele, valorile indicate de aparate nu trebuie notate

imediat dupa aplicarea tensiunii, ci dup o perioad de timp bine precizat t.

Motivul este acela c, imediat dupa aplicarea tensiunii, curentul prin material (numit

MATERIALE ELECTROTEHNICE

4

curent de absorbie) descrete asimptotic ctre valoarea de regim staionar (figura 1).

n practic, durata de aplicare a tensiunii este prin convenie un minut.

Figura 1. Curent de absorbie i curent de conducie ntr-un izolator.

3. Chestiuni de studiat

2.1. Determinai valorile mrimilor v i s pentru diferite materiale izolante solide;

2.2. Comparai rezultatele obinute i explicai diferenele dintre ele.

4. Determinri experimentale

Figura 2 prezint montajul utilizat pentru efectuarea determinrilor experimentale.

e1, e2 - electrozi de msur;

e3 - inel de gard;

M - material izolant;

A - ampermetru;

V - voltmetru;

K - comutator;

Rp - rezisten de protecie

a ampermetrului A;

Figura 2. Schema de montaj folosita

FIE DE LABORATOR

5

Pentru a determina rezistivitatea de volum se nchide comutatorul K pe poziia a.

Se aplic tensiunea de ncercare U = 500 V i, dup un minut, se masoar intensitatea

curentului Iv care circul prin volumul materialului, ntre electrozii e1 si e2. n acest caz,

e3 este un inel de gard care intercepteaz curenii de fug pe suprafaa materialului

dirijndu-i n afara circuitului de msur. Dup msurarea curentului Iv se ntrerupe

tensiunea i se trece comutatorul K pe poziia b n vederea determinarii rezistivitii de

suprafa. Apoi, se aplic aceeai tensiune U = 500 V i (dup un minut) se msoar

curentul It care este suma dintre curentul care circul prin volumul materialului, ntre

electrozii e1 si e2 i curentul care circul pe la suprafaa materialului, ntre electrozii e1 i

e3.

Rezistivitatea de volum se calculeaz cu relaia

d

SRvv = ,

unde pv

v RI

UR = , reprezint rezistena volumic, 4/21DS = - suprafaa electrodului

e1 i d grosimea eantionului de msur.

Rezistivitatea de suprafa se calculeaz cu relaia

g

PRss = ,

undetv

tvs

RR

RRR

= reprezint rezistena de suprafaa; R

U

IRt

t

p= ;

mDP = ; )( 3121 DDDm += (figura 3);

)( 1321 DDg = .

Figura 3. Notaiile dimensiunilor electrozilor

MATERIALE ELECTROTEHNICE

6

Notai rezultatele obinute n tabelul urmtor:

Material izolant d [mm] U [V] Iv [A] Rv [] v [m] It [A] Rt [] s []

5. Verificarea rezultatelor

Tabelul 1 prezint valorile rezistivitii de volum v pentru cteva materiale

izolante.

Tabelul 1. Valorile rezistivitii v la 20C i umiditate relativ 0%

Material izolant v [m]

Material stratificat pe baz de esatur de sticl 1011 - 1012

Material stratificat pe baz de celuloz 108 109

PCV plastifiat 109 - 1012

PCV neplastifiat 1011 - 1013

Carton electrotehnic 1011 - 1012

Material stratificat pe baz de estur textil 109 1010

Izolaie mixt 1011 - 1012

Azbest 103 - 1011

Micanit 1011 - 1012

Poliamid (Nylon) 1010 - 1011

FIE DE LABORATOR

7

5. ntrebri

Care sunt valorile tipice ale rezistivitii de volum pentru materialele izolante?

De ce este necesar ca montajul s conin un inel de gard?

Care este influena umiditii i temperaturii asupra valorilor rezistivitilor de

volum i de suprafa?

nflueneaz sau nu intensitatea cmpului electric aplicat materialului valorile

rezistivitilor de volum i de suprafa?

MATERIALE ELECTROTEHNICE

8

FIE DE LABORATOR

9

2. Rigiditatea dielectric a materialelor electroizolante

1. Scopul lucrrii

Scopul general al acestei lucrri este de a determina valorile rigiditii dielectrice a

materialelor electroizolante i de a pune n eviden fenomenul de conturnare i de

strpungere a izolatorilor.

2. Noiuni teoretice

Strpungerea unui izolator: pierderea brusc a proprietii izolante a unui material

supus unui cmp electric.

Rigiditatea dielectric Estr este valoarea maxim a intensitii cmpului electric la

care poate fi supus un izolator, fara apariia unei strpungeri.

Rigiditatea dielectric a unui material poate varia cu mai multe ordine de marime n

funcie de utilizarea sa. n condiii de utilizare identice, nu rar se poate ntlni cazul cnd

Estr poate varia de la simplu la dublu. Puritatea, modul de fabricare, forma eantionului

i mediul nconjurtor sunt numai cateva exemple ale cauzelor ce pot influena puternic

Estr. Aceasta explic marile diferene dintre valorile lui Estr determinate teoretic i cele

determinate experimental. Pentru a determina rigiditatea dielectric experimental,

ncercarile se deruleaz dup proceduri bine definite pentru a garanta reprezentativitatea

rezultatelor obinute. Aceste ncercri pot fi mparite n dou clase:

ncercri asupra eantionului, n care se testeaz izolatorul insui. Trebuie

specificate forma eantionului i a electrozilor precum i condiiile de mediu

i forma de variaie n timp a cmpului aplicat: cmp n trepte, cmp

sinusoidal cu valoarea efectiv a intensitii marit continuu, impulsuri de

aceeai polaritate sau de polariti alternante etc. Aceste ncercri se

efectueaz n laborator i ele servesc la controlul materiilor prime i la

dezvoltarea lor tehnologic.

MATERIALE ELECTROTEHNICE

10

ncercri asupra instalaiei. Aceste ncercri se efectueaz pentru a verifica

faptul c n nici un punct al instalaiei izolaia nu prezint defecte sau nu este

solicitat astfel nct s se produc o strpungere n timpul funcionrii

normale. Aceste ncercri se rezum la supunerea instalaiei, pentru un timp

determinat, la o tensiune nominala U0 multiplicat cu un factor superior lui

1. n mod curent se utilizeaz factorii 1,25 sau 2,5. Dac izolaia este

sensibil la descrcri pariale, nivelul acestor descrcari va fi verificat, de

exemplu la 1,25 U0.

Mecanismele responsabile de strpungerea izolatorilor ne permit de a mpri

strpungerile n dou categorii: strpungeri electrice i strpungeri termice.

Strpungerea electric se definete ca strapungerea n declanarea creia efectul

Joule, asociat unui curent ce precede descrcarea propriu-zis, nu joac nici un rol.

Strpungerea termic. Pierderile dielectrice prin conducie i prin polarizare

determin o degajare de caldur n izolatori. Att timp ct cldura astfel produs este

superioar celei pe care izolatorul o poate evacua, temperatura crete i, la un

moment dat, se produce o strpungere numit strpungere termic.

3. Chestiuni de studiat

3.1. Determinarea rigiditii dielectrice a unui eantion din carton electrotehnic.

3.2. Determinarea rigiditii dielectrice a unui eantion din ulei mineral de

transformator.

3.3. Studierea fenomenului de conturnare.

4. Determinri experimentale

n figura 1 se prezint sistemul

de electrozi (e1 electrod plan, e2

electrod cilindric) utilizai pentru

ncercrile pe eantioane plane din

izolatori solizi.

HT

d

e2

e1

Material izolant

Figura 1. Sistemul de elctrozi utilizat pentru strpungerea izolatorilor solizi sub form de

plci

FIE DE LABORATOR

11

Pentru ncercrile n cmp uniform, rigiditatea dielectric se calculeaz cu relaia

urmtoare:

d

UE strstr = , (1)

unde strU este tensiunea de strpungere, iar d este grosimea eantionului.

Schema montajului utilizat este prezentat n figura 2.

V220 V ~

A AT

LC

e

e1

2

Cusca de protectie

TIT

A ntreruptor automat; AT autotransformator;

THT - transformator ridictor; L - lampa de semnalizare;

C - contact de protecie; V - voltmetru.

Figura 2. Schema montajului utilizat

Montajul conine un transformator ridictor de tensiune TIT care asigur o

valoare maxim Us,max = Usn = 60 kV la bornele secundarului, pentru tensiunea nominal

la bornele primarului Upn = 220 V (la o frecven de 50 Hz). Cu ajutorul unui voltmetru

(V) se masoar valorile tensiunii la bornele infurrii primare Upi i apoi, cunoscnd

raportul de transformare k = Usn/Upn = 60000/220 se determin tensiunea de strpungere

a eantionului, Ustr,i = kUpi.

MATERIALE ELECTROTEHNICE

12

Reglajul tensiunii aplicate ntre electrozi se face cu un autotransformator (AT)

conectat la o surs de tensiune sinusoidal U = 220 V.

4.1. Determinarea rigiditii dielectrice a cartonului electrotehnic

Determinarea rigiditii dielectrice se face n conformitate cu standardele

internaionale.

Eantioanele din carton nendoit au form ptrat, de dimensiuni 300 300 mm.

Pentru ncercrile pe carton ndoit se utilizeaz acelai tip de eantion iar ndoirea se

face la 100 mm de marginea eantionului (figura 3).

Dup introducerea eantionului ntre

electrozii e1 i e2 (figura 2), se crete

tensiunea electric ntre electrozi cu o vitez

constant, astfel ncat stpungerea se produce

ntr-un interval de 10 - 20 s. Se efectueaz n

5 ncercri succesive i se determin valorile

Uci (la care se produce strpungerea).

Tensiunea medie de strpungere strU se

calculeaz ca fiind media valorilor obinute n

cele n ncercri:

n

U

U

n

iistr

str

== 1

,

,

unde Ustr,i este valoarea tensiunii de strpungere la ncercarea numrul i..

Se calculeaz, de asemenea, abaterea medie cu relaia:

1001,

=

=

str

n

istristr

Un

UU

A .

100

300

300

Figura 3. Eantion din carton ndoit

FIE DE LABORATOR

13

4.2. Determinarea rigiditaii dielectrice a uleiului mineral

n vederea determinrii rigiditii dielectrice a uleiului mineral se utilizeaz un

vas de porelan cu doi electrozi din cupru n form de calot sferic (figura 4). Nivelul

uleiului din vas trebuie s depaeasc nivelul electrozilor cu cel puin 10 mm. Raza de

curbur a electrozilor este R = 25 mm iar distana dintre electrozi este d = 2,5 mm.

ncercarea se face crescnd tensiunea de la zero pn cnd are loc strpungerea uleiului,

cu o vitez constant de maxim 2 kV/secund.

d

Electrozi Recipient deportelan

Borne deconexiune

Figura 4. Vas pentru determinarea rigiditii dielectrice a uleiului mineral

4.3. Studierea fenomenului de conturnare

Conturnarea este fenomenul de apariie a unei descrcri electrice (arc electric) ntre doi

electrozi metalici in stratul gazos ce nconjoar suprafaa izolatorului ce separ

electrozii.

Pentru studierea fenomenului de conturnare, ntre electrozii din figura 1 se

introduce o placa de sticl si se crete tensiunea de la zero pana cand se realizeaz

conturnarea.

MATERIALE ELECTROTEHNICE

14

Notai rezultatele obinute n tabelul urmtor:

Material

izolant

d Upi Ustr,i strU strE

[mm] [V] [kV] [kV] [kV/mm]

5. Verificarea rezultatelor

n tabelul 1 se prezint valorile aproximative ale rigiditii dielectrice pentru materialele

studiate. Figura 5 prezint variaia tensiunii de strpungere Ustr n funcie de

concentraia de ap din ulei, n timp ce figura 6 prezint variaia tensiunii Uc n funcie

de temperatur.

Tabelul 1. Valorile rigiditii dielectrice pentru materialele studiate

(la 50 Hz i 20 C).

Material izolant Rigiditatea dielectric Estr [kV/mm]

Carton electrotehnic 9 - 12

Sticl 10 - 40

Ulei mineral de transformator >15

FIE DE LABORATOR

15

6. ntrebri

Care sunt cauzele diferenelor dintre valorile determinate n laborator i cele

prezentate n tabelul 1 ?

De ce rigiditatea dielectric a cartonului n regiunea ndoit este mai mic dect cea

din regiunea nendoit?

ncercai s explicai alura curbelor prezentate n figurile 5 i 6 .

0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06

0

10

20

30

40

50

f = 50 Hz

d = 2,5 mmR = 25 mm

Contenu d'eau dans l'huile [%]

Uc [kV]

Figura 5. Variaia tensiunii de strpungere n funcie de coninutul de

ap din ulei

-40 -20 0 20 40 60 80 100

0

10

20

30

40

50

60

f = 50 Hzd = 2,5 mmR = 25 mm

2

1

T [C]

Uc [kV]

Figura 6. Variaia tensiunii de strpungere

n funcie de temperatur: 1 ulei deshidratat; 2 ulei nedeshidratat.

MATERIALE ELECTROTEHNICE

16

FIE DE LABORATOR

17

3. Permitivitatea relativ i factorul de pierderi

dielectrice ale materialelor izolante solide

1. Scopul lucrrii

Scopul general al acestei lucrri este de a studia mrimile fizice ce caracterizeaz

fenomenul de polarizare electric. Masurtorile i calculele permit fixarea valorilor

permitivitaii relative i a factorului de pierderi pentru civa dielectrici uzuali.

2. Noiuni teoretice

Dipol electric: un sistem de dou sarcini punctuale +q et -q situate la o distan d .

Moment electric dipolar p :

dqp = [Cm]. (1)

Polarizaie electric: mrime vectorial egal cu suma vectorial a momentelor

electrice dipolare ip coninute n volumul infinit mic V :

( )

V

ip

P

Vi

V =

0lim [C/m2]. (2)

Polarizaie temporar: polarizaia indus de intensitatea cmpului electric E i care

se anuleaz n absena sa. Legea polarizaiei temporare se scrie:

P Et e= 0 , (3)

unde 0 este permitivitatea vidului ( 0 = 8.85 10-12 F/m) i e este susceptivitatea

electric.

Dielectric: material a crui proprietate electromagnetic fundamental este de a se

polariza sub aciunea unui cmp electric.

Material polar: material format din molecule care prezint un moment electric

spontan.

+q -qd

MATERIALE ELECTROTEHNICE

18

Material nepolar: material format din molecule care nu prezint un moment electric

spontan.

Mecanisme de polarizare:

polarizare electronic: deplasarea relativ a norului electronic al unui atom n

raport cu nucleul, sub efectul cmpului electric;

polarizare ionic: deplasarea n sens contrar a ionilor de semn opus sub efectul

unui cmp electric;

polarizare de orientare: rotirea momentelor dipolare spontane ale particulelor

constitutive sub efectul unui cmp electric.

Observaie. Materialele neomogene pot prezenta n plus o polarizaie suplimentar

numit polarizaie de neomogenitate.

Permitivitate relativ r : er += 1 (4)

Utiliznd r , expresia lui Pt devine:

P Et r= 0 1( ) (5)

Din relaia (5) se poate observa c r exprim usurina cu care un material se

poate polariza sub aciunea unui cmp electric. Deci, un material care nu se

polarizeaz are r = 1, n timp ce un material care se polarizeaza are r > 1. Cu cat

r este mai mare, cu atat polarizaia materialului este mai mare.

n cazul cmpurilor electrice armonice, susceptivitatea electric i permitivitatea

relativ sunt mrimi complexe:

r e r r

j= + = 1 (6)

unde r are aceeai semnificaie fizic ca r n cmp continuu, n timp ce r

caracterizeaz pierderile dielectrice datorate polarizaiei electrice a materialului.

Valorile lui r depind de structura fizico-chimic a materialelor, de starea lor de

agregare, de caracteristicile mediului ambiant, de cmpul electric etc. Astfel, valorile

lui r pentru materiale polare sunt mai mari dect cele pentru materiale nepolare,

gazele au r 1, iar materialele care prezint o polarizaie permanent au r de

ordinul sutelor (Tabelul 1).

FIE DE LABORATOR

19

Tabelul 1.Valori ale lui r pentru diferite materiale

Materiale r

Gaze 1

nepolare 1,5 2,5

polare 2,5 6

Lichide

puternic polare zeci

nepolare 2 3 moleculare polare 3 16

ionice 5 13

semiconductori 8 16

Solide

feroelectrici sute mii

Factor de pierderi dielectrice

Utilizarea unui izolant n electrotehnic implic plasarea izolantului ntre dou

conductoare, ceea ce corespunde realizrii unui condensator. Ar fi ideal ca izolatorul

s asigure izolarea electric perfect a celor dou conductoare unul fa de cellalt,

ceea ce ar corespunde realizrii unui condensator ideal n care puterea disipat este

nul.

La aplicarea unei tensiuni sinusoidale condensatorului ideal, defazajul dintre

curent si tensiune ar fi

=2 (figura 1.a). n realitate, curentul care circul n

condensator are o component aI n faz cu tensiunea U (figura 1.b.), ceea ce

corespunde unei disipri de putere n izolator. Aceast putere, n general

nerecuperabil, reprezint pierderile dielectrice.

MATERIALE ELECTROTEHNICE

20

Pierderile dielectrice se datoreaz fenomenelor de conducie electric (efect Joule) i

de polarizare electric. Deci, pentru un condensator real, defazajul dintre curentul I

i tensiunea U este