Metody badania właściwości dielektrycznych  

Wa

ż

niejsze wła

ś

ciwo

ś

ci dielektryczne materiałów elektroizolacyjnych to:  

A)  rezystywno

ść

 skro

ś

na i powierzchniowa,  

B)  współczynnik strat dielektrycznych i przenikalno

ść

 elektryczna 

C)  wytrzymało

ść

 elektryczna,  

D)  odporno

ść

 na łuk elektryczny 

Ad. A Rezystywno

ść

 skro

ś

na

 

ρ

v

 

jest to stosunek napięcia stałego 

przyłożonego do elektrod, do wartości ustalonej natężenia prądu płynącego między 
elektrodami na skroś próbki, z wyłączeniem tej części prądu, która płynie po powierzchni 
próbki, odniesiony do 1 m2 powierzchni elektrody pomiarowej i 1 m grubości próbki.

   

Rezystywność

 

powierzchniowa 

ρ

s 

– jest to stosunek napięcia stałego przyłozonego 

do elektrod, do wartości ustalonej natęzenia prądu płynącego przez warstwę zaadsorbowanej 
na powierzchni próbki wilgoci, zanieczyszczeń i sadzy, odniesiony do 1m długości elektrod i 
do 1m odległości między elektrodami. 

 

W celu wyznaczenia rezystywności dielektryka, próbkę umieszcza się w odpowiednim 

układzie elektrod i przykłada napięcie stałe o określonej wartości. Mierzy się cały prąd lub 
jego składowe: powierzchniową i skrośną. Mierzymy więc rezystancję skrośną lub 
powierzchniową, a potem przeliczamy ją na wartości rezystywności. 

Do pomiarów wykorzystujemy teraomomierz umożliwiający pomiar rezystancji w 

zakresie 10

8

 

-10

18

 

[

Ω

]. Pomiary wykonujemy dla napięć

 250 lub 500V. Do zacisków 

teraomomierza przyłącza się

 układ elektrod z próbką w środku, zgodnie z rysunkiem. Przy 

pomiarze rezystancji skrośnej elektroda ochronna eliminuje wpływ rezystancji 
powierzchniowej, a przy pomiarze rezystancji powierzchniowej wpływ rezystancji skrośnej. 
Dodatkowo spełnia ona role ekranu dla elektrody pomiarowej od pól obcych. Rysunek 
przedstawia układ elektrod do pomiaru rezystancji próbek. 

Układ do pomiaru rezystancji skrośnej 

E

1

 – elektroda pomiarowa (krążek) 

E

2

 – elektroda ochronna (pierścień) 

E

3

 – elektroda napięciowa (krążek) 

Układ do pomiaru rezystancji powierzchniowej 
E

1

 – elektroda pomiarowa (krążek) 

E

2

 – elektroda napięciowa (pierścień) 

E

3

 – elektroda ochronna (krążek) 

 

Ad. B Współczynnik strat dielektrycznych tg δ

 - wielkość niemianowana 

charakteryzująca dielektryki. Wartość tę wyznacza tg δ - tangens kąta strat dielektrycznych, 

czyli stosunek natężenia składowej rzeczywistej (czynnej) IR do składowej urojonej 

(biernej) IC prądu elektrycznego płynącego przez dielektryk w zmiennym polu elektrycznym: 

 

Na wykresie wektorowym prądu płynącego w dielektryku kąt ten 
jest zawarty pomiędzy wektorem prądu i jego składową

 bierną. W praktyce posługujemy się 

tg

δ 

jako współczynnikiem stratności dielektrycznej. Jest on zależny od temperatury, 

częstotliwości oraz

 

napięcia przyłożonego, gdy jego wartość

 zbliżona jest do napięcia 

jonizacji. Poniższy rysunek  przedstawia

  

schemat zastępczy dielektryka rzeczywistego oraz 

wykres wektorowy prądów w takim dielektryku. 

 

Pomiary przenikalności elektrycznej 

umieszczenie dielektryka między elektrodami kondensatora próżniowego o pojemności Co 
powoduje wzrost jego pojemności do wartości Cx. Ze wzoru wynika, że względna 
przenikalność elektryczna: 

ε

x

 = 

 

względna przenikalność elektryczna εr materiału izolacyjnego wyraża się stosunkiem 
pojemności Cx kondensatora, w którym przestrzeń między elektrodami i wokół elektrod jest 
całkowicie wypełniona materiałem izolacyjnym, do pojemności Co tych samych elektrod w 
próżni. 

Metoda stałoprądowa czasowej odpowiedzi (Metoda Hamona ) 

Metoda Hamona time response (czasowej odpowiedzi) polega na badaniu w funkcji czasu 
przebiegu prądu ładowania dielektryka jako odpowiedzi na jednostkowy skok napięcia 
stałego polaryzującego próbkę lub prądu rozładowania wskutek gwałtownego zaniku napięcia 
stałego i zwarcia próbki. Metodę tę stosuje się w układzie przedstawionym na rysunku 
poniżej - powszechnie służącym do pomiarów prądów absorpcji i resorpcji oraz rezystancji 
skrośnej. 

 

Stosując  przekształcenie  Fouriera  dla  czasowej  odpowiedzi  prądowej  dla  dielek-tryków 
liniowych, można  wyznaczyć dyspersyjne (częstotliwościowe) zależności  składowej czynnej 
ε′(ω) i biernej ε″(ω) przenikalności elektrycznej. 

 

- Metoda zmiennoprądowa rejestracji wartości chwilowych 

 

Rejestruje się chwilowe wartości prądu  układzie pomiarowym przedstawionym na 
poniższym rysunku, zasilanym z funkcyjnego generatora sinusoidalnego małej częstotliwości. 
Metoda jest oparta na rejestracji chwilowych wartości prądu, który przepływa przez 
kondensator z badanym dielektrykiem między okładkami, oraz napięcia przyłożonego do 
elektrod

. 

 

 

Metody mostowe. 

Mostek Vince’a.

  

Pomiary  przenikalności  elektrycznej  ε  i  współczynnika  strat  dielektrycznych  tg

δ

  w  zakresie 

częstotliwości  0,1–10  Hz  wykonuje  się,  mierząc  pojemność  elektryczną  mostkiem  Vince’a 
którego  schemat  przedstawiono  na  poniższym  rysunku.  Mierzoną  próbkę  reprezentują 
pojemność Cx i równolegle do niej przyłączona rezystancja R

x

. 

 

Mostek jest zasilany z dwóch zsynchronizowanych generatorów niskoczęsto-tliwościowych o 
napięciach wyjściowych

 U

1 

i U

2 

o tej samej fazie. W stanie równowagi:

 

 

Pomiary w zakresie częstotliwości akustycznych ( dalej metody mostkowe) 

W zakresie częstotliwości akustycznych pomiary przenikalności elektrycznej i współczynnika 
strat dielektrycznych wykonuje się zawsze metodą pośrednią, umieszczając badany materiał 
między elektrodami, które razem z nim tworzą kondensator. 

Pomiary pojemności elektrycznej i współczynnika strat dielektrycznych wykonuje się 
metodami mostkowymi lub napięciowo-prądowymi. Stosuje się mostki czteroramienne ze 
wszystkimi gałęziami biernymi i mostki transformatorowe. 

Mostki czteroramienne bierne 

Wszystkie układy mostków z gałęziami biernymi można sprowadzić do mostka 
czteroramiennego typu Wheatstone’a, zawierającego gałęzie o impedancjach zespolonych

 Z

1

, 

Z

2

, Z

3 

i Z

4

, 

źródło zasilające mostek napięciem przemiennym U oraz wskaźnik równowagi WZ

 

 

W  stanie  równowagi  mostka,  gdy  prąd  w  gałęzi  wskaźnika  zera

  I

o 

=  0, 

impedancje 

zespolone gałęzi mostka spełniają warunek

: Z

1

Z

4

=Z

2

Z

3 

oraz warunek równowagi argumentów:

 

φ

1

+φ

4

=φ

2

+φ

3 

 

Mostek Scheringa 

Schemat wysokonapięciowego mostka Scheringa przedstawiono na rysunku poniżej. Mostek 
ten różni się od mostków niskonapięciowych tym, że uziemione jest źródło zasilania, a gałąź 
wskaźnika zera nie. Wynika to stąd, że mostek pracuje przy wysokim napięciu i na 
elementach

 R

3

, C

4 

i R

4

, 

dostępnych dla obsługi, nie może pojawić się wysokie napięcie. 

 

W stanie równowagi mostka spełnione są równania: 

 

Mostki transformatorowe 

Mostki transformatorowe mają zastosowanie w szerokim zakresie częstotliwości (15–
250MHz) ze względu na: 

•

 

małą liczbę elementów mostka wskutek wprowadzenia zasilania układu bezpośrednio 

do gałęzi mostka,  

•

 

dużą dokładność pomiaru i jej bardzo małą zależność od czasu, temperatury i napięcia,  

•

 

możliwość bezpośredniego uziemienia ekranów i pierścieni ochronnych, a więc 

pomiaru pojemności kondensatorów trójelektrodowych bez dodatkowych obwodów 
ochronnych 

Metody napięciowo-prądowe pomiaru impedancji 

Metody napięciowo-prądowe pomiaru impedancji, nazywane też metodami wolto-
amperomierzowymi, polegają na bezpośrednim pomiarze miernikami fazoczułymi prądu 
przepływającego przez badany obiekt i spadku napięcia na tym obiekcie . Rozwój technik 
mikroprocesorowych spowodował, że obecnie metody te należą do najnowocześniejszych i 
najczęściej stosowanych. W prawie wszystkich współczesnych niskonapięciowych 
przyrządach do pomiarów impedancji w zakresie częstotliwości od ok. 10 Hz do 1 MHz 
wykorzystuje się tę metodę. Zasadę pomiaru impedancji pojemnościowej tymi metodami 
przedstawiono na rysunku poniżej 

 

 

Układ z rysunku a) ma tę wadę, że potencjał napięcia

 U

x 

jest podwyższony względem masy, 

co utrudnia jego pomiar woltomierzem fazoczułym z jednym zaciskiem znajdującym się na 

masie. Wady tej nie ma układ przedstawiony na rysunku b), w którym impedancję określa się, 

mierząc spadek napięcia

 U

x 

na impedancji

 Z

x 

i napięcie na generatorze 

U

g

, 

 

Ad. C Wytrzymałość elektryczna

 – 

największa wartość natężenia pola elektrycznego, 

jaka może istnieć w dielektryku (izolatorze) bez wywołania przebicia.  

Wytrzymałość definiowana jest zgodnie z powyższą normą jako „utrata, przynajmniej 
chwilowa, właściwości elektroizolacyjnych ośrodka pod wpływem natężenia pola 
elektrycznego”. Wytrzymałość elektryczna dielektryka jest określana jako stosunek wartości 
napięcia przebicia Up do średniej grubości badanej próbki dielektryka d, zgodnie ze wzorem: 

 gdzie, 

U

p

 – j

est napięciem przebicia wyrażonym w wartości skutecznej dla napięć sinusoidalnych lub 

wartością maksymalną dla napięć nieokresowych, [V], 

d – jest grubością próbki w miejscu przebicia, [mm] 

Przy próbach wytrzymałości elektrycznej materiałów stałych wykonuje się zazwyczaj 
pomiary napięcia przebicia próbek nie przekraczających 3 mm. Definiuje się również 
długotrwałą wytrzymałość elektryczną, gdzie napięcie jest zmieniane skokowo i 
utrzymywane przez pewien okres, na przykład 1 min. W ten sposób napięcie jest 
podwyższane, aż do napięcia przebicia próbki układu izolacyjnego. 

 

 

Ad.D Odporność na łuk elektryczny  

Jest to zdolność dielektryka do przeciwstawiania się powstawaniu mostków przewodzących 
trwale lub przejściowo, rozkładowi chemicznemu lub zniszczeniu mechanicznemu (np. 
pęknięciom). 

W zależności od metody badania odporności na działanie łuku, jest odpowiednio 

określany czas próby w sekundach (badanie odporności na łuk elektryczny o małym natężeniu 
prądu przy wysokim napięciu) lub liczba uderzeń łuku elektrycznego, zainicjowanego 
przewodem zapłonowym do powstania ścieżki przewodzącej (badanie przy dużym natężeniu 
prądu i niskim napięciu).