какие диэлектрики обладают хорошей поверхностной электропроводностью

Поверхностная электропроводность твердых диэлектриков

Поверхностная электропроводность твердых диэлектриков обусловлена увлажнением поверхности диэлектрика, а также ее загрязнением твердыми проводящими частицами. Вода отличается, как указывалось выше, значительной удельной проводимостью. Достаточно на поверхности диэлектрика появиться тончайшему слою влаги, чтобы возникла заметная проводимость.

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 величина относительной влажности является решающим фактором, определяющим значение удельной поверхностной проводимости диэлектрика. Особенно резко поверхностное сопротивление уменьшается при величинах относительной влажности, превышающих 50-60%.

Удельная поверхностная проводимость тем ниже, чем меньше полярность молекул вещества и чем чище его поверхность. Присутствие загрязнений на поверхности относительно мало сказывается на удельной поверхностной проводимости не смачивающихся водой диэлектриков, но сильно влияет на проводимость смачивающихся диэлектриков.

Все материалы, в зависимости от того, как взаимодействие с влагой меняет их удельное поверхностное сопротивление, можно подразделить на три группы: нерастворимые в воде диэлектрики, частично растворимые в воде диэлектрики и диэлектрики, имеющие пористую структуру.

Нерастворимые в воде диэлектрики в свою очередь делятся на две подгруппы:

Все материалы первой подгруппы характеризуются высоким удельным поверхностным сопротивлением, мало зависящим от влажности окружающей среды. У материалов второй подгруппы, находящихся во влажной среде, удельное поверхностное сопротивление ниже, чем у материалов первой подгруппы, но все же может быть достаточно большим при условии полного отсутствия загрязнений на их поверхности.

К группе частично растворимых в воде диэлектриков относится большинство технических стекол. Таким материалам свойственно более низкое удельное поверхностное сопротивление, в значительной мере зависящее от влажности.

К диэлектрикам, имеющим пористую структуру, относятся волокнистые материалы (органические и не органические), мрамор и некоторые пластические массы. Пористость структуры этих материалов приводит к тому, что во влажной среде они обнаруживают большую удельную проводимость, в том числе и поверхностную.

Зависимость удельного поверхностного сопротивления материалов этих трех групп от относительной влажности окружающей среды показана на рис. 2.2.6.

Сильное влияние загрязнения поверхности некоторых диэлектриков первой и второй групп на величину их удельного поверхностного сопротивления показано в табл. 2.2.1.

Чтобы повысить удельное поверхностное сопротивление, прибегают к очистке поверхности материалов путем их промывки водой или растворителями, прокаливания при 600—700°С и т.д.

Значения удельного поверхностного сопротивления некоторых материалов при 70% относительной влажности воздуха

Поверхность изделий, не впитывающих воду, лучше всего очищать продолжительным кипячением в дистиллированной воде.

Пропитка поверхностных слоев деталей парафином или церезином не обеспечивает достаточно устойчивых значений при высокой влажности, поскольку названные защитные покрытия, будучи влагопроницаемыми, не предотвращают проникновения влаги в микропоры поверхности изделий.

Рис. 2.2.6. Зависимость удельного поверхностного сопротивления от относительной влажности для различных диэлектриков.

Покрытие керамики и стекол кремнийорганическими лаками значительно повышает величину поверхностного сопротивления изделий во влажной среде. Таким образом, зависимость удельной поверхностной проводимости от влажности объясняется наличием на поверхности диэлектрика гигроскопических и диссоциирующих на ионы веществ. Влага, адсорбируемая поверхностью, способствует их выявлению. Если эти вещества случайно попали на поверхность диэлектрика, то, удалив их, можно при любой влажности воздуха получить высокие значения удельного поверхностного сопротивления. Если эти вещества являются составной частью материала, то с увеличением влажности его удельное поверхностное сопротивление будет сильно снижаться.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

Какие диэлектрики обладают хорошей поверхностной электропроводностью

Общие представления об электропроводности диэлектриков

Сквозной ток I_скв обусловлен смещением свободных носителей заряда.

В момент включения или выключения постоянного электрического поля через диэлектрик электрического конденсатора протекает ток смещения — I_см (рисунок 3.1), обусловленный быстрыми видами поляризации. Токи смещения очень кратковременны и их не удается зафиксировать прибором.

В полярных и неоднородных диэлектриках протекает также ток абсорбции — I_абс, возникающий за счет замедленных поляризаций.

При длительной работе диэлектрика под напряжением падение сквозного тока вызвано электрической очисткой в случае, когда проводимость материала обусловлена ионами посторонних примесей. В случае, когда проводимость материала обусловлена собственными ионами, при длительном приложении напряжения может наблюдаться старение диэлектрика (уменьшение электрического сопротивления).

Рис. 3.1. Временные зависимости токов, протекающих через неполярный диэлектрик при включении и выключении напряжения

При постоянном напряжении абсорбционные токи, меняя свое направление, проходят только в периоды включения и выключения напряжения (рисунок 3.2).

Рис. 3.2. Временные зависимости токов для диэлектрика, в котором возникают токи абсорбции

При переменном напряжении они имеют место в течение всего времени нахождения материала в электрическом поле.

При расчете сопротивления изоляции на постоянном напряжении необходимо расчет вести по току сквозной проводимости I_скв, исключая токи абсорбции.

Удельное объемное сопротивление ( r _v )- численно равно R куба с ребром в 1 м (мысленно выделенного из исследуемого материала), если ток проходит через 2 противоположные грани куба.

h — расстояни е между электродами

Поверхностное сопротивление твердых диэлектриков

Удельное поверхностное сопротивление r _s численно равно сопротивлению квадрата (мысленно выделенного на поверхности исследуемого материала), если ток проходит через 2 противоположные стороны этого квадрата

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. Чем меньше краевой угол и выше твердость, тем ниже r _s увлажненного диэлектрика.

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 может расти с повышением температуры с последующим спадом после высушивания. При низких температурах r _s высушенного материала имеет значительно более высокие значения (на 6-7 порядков выше).

Для увеличения значения r _s диэлектриков пользуются различными 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.

Электропроводность газообразных диэлектриков

В области слабых электрических полей носители заряда в газах появляются в результате воздействия на нейтральные молекулы газа быстрых частиц, квантов света, радиоактивного, ультрафиолетового и других излучений.

В результате часть нейтральных молекул распадается на положительные ионы и электроны. Электроны в большинстве случаев захватываются другими нейтральными молекулами, образуя отрицательные ионы, которые участвуют в общем тепловом движении. Некоторая часть электронов, встречаясь с положительными ионами, рекомбинирует, образуя нейтральные частицы, при этом выделяется рекомбинационное излучение в виде квантов света.

Вольтамперная характеристика газообразного диэлектрика для слабых и средних полей (до 10 6 В/м) приведена на рисунке 3.3.

Рис. 3.3. Вольт-амперная характеристика газообразного диэлектрика:

ab – область слабых полей, закон Ома;

bc – область средних полей, насыщение;

cd – область сильных полей, ударная ионизация.

Несамостоятельная электропроводность осуществляется за счет ионов и электронов, образующихся в результате ионизации, вызванной внешним энергетическим воздействием, таким как космические и солнечные лучи, радиоактивное излучение Земли. На участке cd начинается ударная ионизация молекул электронами. Это область сильных полей (для воздуха Е>10 6 В/м). При напряженности Е_пр газ пробивается (самостоятельный разряд). Возрастание тока при Е > Е_кр (участок cd ) обусловлено увеличением числа носителей заряда в результате электронной ударной ионизации, фотоионизации и холодной эмиссии электронов из катода. При Е_кр наступает пробой, в этом состоянии газ (воздух) утрачивает свои электроизоляционные свойства, так как между электродами образуется плазменный газоразрядный канал проводимости.

Электропроводность жидких диэлектриков

Неполярные и слабополярные жидкости: носители заряда в основном ионы, возникающие при диссоциации молекул примеси.

Степень диссоциации – это отношение числа диссоциированных молекул к общему числу молекул жидкости.

С увеличением e вещества возрастает степень диссоциации, которая также зависит от концентрации примеси.

Диссоциация молекул жидкости с ионным характером связи приводит к собственной электропроводности.

Электронная электропроводность может наблюдаться в сильных полях при эмиссии электронов с катода в очищенных от примесей жидкостях.

Молионная электропроводность – характерна для масел с включениями влаги (воды) и для лаков с мелкодисперсными наполнителями.

Эти заряженные частицы называются молионами.

Удельное сопротивление жидкостей e уменьшается с ростом температуры по экспоненциальному закону

где B – константа, W – энергия диссоциации, k – постоянная Больцмана. По аналогичному закону изменяется и вязкость жидкости.

Удельные проводимости неполярных, слабополярных и сильнополярных жидких диэлектриков приведены в таблице.

Источник

Электропроводность диэлектриков

ЛЕКЦИЯ №4

Проводимость диэлектриков хотя и очень мала по сравнению с проводимостью проводников, но не равна нулю. В технических диэлектриках всегда есть небольшое количество свободных зарядов, которые перемещаются в электрическом поле. Однако правильно определить ток через диэлектрик (или сопротивление диэлектрика) не так просто, так как ток зависит от времени.

Проводимость диэлектрика принято определять по сквозномутоку. Однако одновременно идёт поляризация диэлектрика, возникает ток заряда ёмкости (ток смещения), вследствие чего может создаться неправильное представление о большой проводимости.

Электропроводность диэлектрика также зависит от агрегатного состояния: газообразный, жидкий, твёрдый диэлектрик.

Электропроводность газов. Газы при небольших значениях напряжённости электрического поля обладают исключительно малой электропроводностью. Ток в газах может возникнуть только при наличии в них ионов или свободных электронов. Ионизация нейтральных молекул газа возникает в результате двух процессов:

1) под действием внешних факторов;

2) вследствие соударений заряженных частиц с молекулами (в сильных полях).

Внешними факторами, вызывающими ионизацию газа, являются, например, фотоны с энергией Wф > Wвых. Достаточную энергию имеют ультрафиолетовые и космические лучи, а также радиоактивное излучение.

На рис.3. приведена зависимость плотности тока от напряжённости электрического поля j = f(E) для газообразного диэлектрика.

Рис.3. Зависимость плотности тока в газе от напряжённости

На начальном участке (до напряжённости Е₁) зависимость близка к линейной. Здесь запас положительных и отрицательных ионов достаточный. При напряжённости Е₁ наступает насыщение, т. е. все образовавшиеся ионы уходят к электродам, и дальнейшее увеличение напряжённости не приводит к росту плотности тока. При увеличении напряжённости плотность тока остаётся постоянной лишь до тех пор, пока ионизация осуществляется под действием внешних фактов.

Однако уже при напряжённости Е_и плотность тока опять начинает возрастать, быстрее, чем по закону Ома. Это объясняется тем, что электроны между соударениями набирают достаточную кинетическую энергию

(W = g E λ ≥ Wвых), и начинается ударная ионизация. В результате количество заряженных частиц быстро увеличивается, и при дальнейшем увеличении напряжённости наступает пробой диэлектрика. Для воздуха при нормальных условиях процесс ударной ионизации наступает при напряжённости Е_и ≈ 10 кВ/см.

Электрическая проводимость газов в обычных условиях эксплуатации не зависит от температуры.

Электропроводность жидких диэлектриков.У жидких диэлектриков электропроводность сильно зависит от двух основных причин:

1) наличия примесей;

2) строения молекул (неполярная или полярная).

В неполярных жидкостях число носителей заряда в единице объема невелико и проводимость мала, если в них нет примесей. Жидкие диэлектрики легко загрязняются. Вода –самое распространённое «загрязнение», которое увеличивает электропроводность жидкости. Она может быть в трёх состояниях:

а) в молекулярно-растворённом;

б) в виде эмульсии, т. е. в виде мельчайших капелек, находящихся в диэлектрике во взвешенном состоянии;

в) в виде избыточной воды (избыточная вода в трансформаторном масле собирается на дне, а в соволе – на поверхности).

Электропроводность жидкого диэлектрика, не имеющего никаких примесей и загрязнений, ионная.

Полярные жидкости всегда имеют повышенную проводимость по сравнению с неполярными жидкостями, причём, чем больше диэлектрическая проницаемость диэлектрика, тем выше диссоциация и проводимость. Сильно полярные жидкости (например, вода) отличаются настолько высокой проводимостью, что рассматриваются уже не как жидкие диэлектрики, а как проводники с ионной проводимостью.

Неполярные диэлектрики меньше подвержены диссоциации, у них меньше электропроводность.

Удельная проводимость любой жидкости зависит от температуры. Для узкого интервала температур с достаточной степенью точности может быть применена формула γ = γо exp(α·t), где γо и α – постоянные величины для данной жидкости.

До напряжённости Е > 100 – 1 000 кВ/см ток подчиняется закону Ома, а затем закон Ома нарушается, начинается процесс ионизации.

Электропроводность твёрдых диэлектриков.Полная проводимость твёрдого диэлектрика, соответствующая сопротивлению его изоляции, складывается из объёмной и поверхностной проводимостей. Такое разделение вызвано тем, что поверхность диэлектрика, работающего в загрязнённой атмосфере промышленных предприятий, адсорбирует воду, пыль, газы и другие вещества, тем самым сильно снижая полное сопротивление диэлектрика.

Объемная электропроводность твёрдых диэлектриков обуславливается передвижением как ионов самого диэлектрика, так и ионов примесей. Температурная зависимость удельной проводимости твёрдого диэлектрика с примесями имеет вид

γ = A1 exp+ A2 exp,

где А1 и W1 – параметры, характеризующие примесную проводимость;

А2 и W2 – параметры, характеризующие собственную проводимость;

k – постоянная Больцмана; Т – абсолютная температура.

В сравнительно слабых полях (до напряжённости Е1) проводимость не зависит от напряжённости электрического поля, соблюдается закон Ома. В сильных полях начинается ударная ионизация электронов, и проводимость резко возрастает.

У гигроскопичных материалов объёмная проводимость зависит от влажности. Наличие в них влаги, даже в ничтожных количествах, резко увеличивает проводимость (уменьшает сопротивление). У некоторых диэлектриков, не обладающих объёмной влагопоглощаемостью, объёмная проводимость не зависят от влажности (например, у керамики).

Поверхностная электропроводность определяется способностью поверхности диэлектрика адсорбировать загрязняющие компоненты. Особенно сильно на электропроводность влияет влага. Иногда достаточно тончайшего слоя влаги на поверхности, чтобы существенно уменьшить удельное поверхностное сопротивление ρs.

Все твёрдые диэлектрики можно разделить на гидрофильные и гидрофобные. У гидрофобных материалов поверхностное сопротивление мало зависит от влажности. У гидрофильных материалов влага распределяется тонким непрерывным слоем по всей поверхности, в ней растворяются другие загрязнения, и удельное поверхностное сопротивление резко снижается.

Полярные диэлектрики характеризуются более низкими значениями удельного поверхностного сопротивления, 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 плёнка электролита. Кроме того, к поверхности полярных диэлектриков лучше прилипают различные загрязнения, также приводящие к снижению удельного поверхностного сопротивления.

Источник

Электронная библиотека

По сравнению с электропроводностью проводников (см. разд. 2) и полупроводников (см. разд. 3) электропроводность диэлектриков имеет ряд характерных особенностей.

Все диэлектрики под воздействием не изменяющегося во времени напряжения пропускают некоторый, хотя и весьма незначительный ток, называемый током утечки (I), который складывается из двух составляющих: объемного тока ( ) и поверхностного тока ( ) (рис. 4.1).

Следовательно, общая проводимость диэлектрика ( ) складывается из объемной ( ) и поверхностной ( ) проводимостей:

Величины, обратные указанным проводимостям, соответственно называют объемным ( ) и поверхностным ( ) сопротивлениями.

Следующей характерной особенностью электропроводности диэлектриков является постепенное спадание тока со временем (рис. 4.2). При подключении диэлектрика к не изменяющемуся во времени напряжению в начальный промежуток времени в цепи протекает быстро спадающий ток смещения (I_см) плотность которого равна:

Этот ток спадает за время 10 13 …10 15 с порядка постоянной времени ( ) схемы «источник-образец». То есть в первом приближении можно сказать, что этот ток обусловливается зарядкой геометрической емкости. Однако общий ток продолжает изменяться и после этого. Это спадание может продолжаться в течение нескольких минут и даже часов и обусловлено перераспределением объемных зарядов, а также установлением медленных (в основном) и быстрых видов поляризации. Эту спадающую часть тока называют током абсорбции ( ).

Со временем, когда произойдет зарядка геометрической емкости, т.е. установятся все виды поляризации, произойдет перераспределение объемных зарядов, и в диэлектрике останется не изменяющийся во времени электрический ток – сквозной ток ( ), который обусловлен поверхностной и объемной электропроводимостями:

При изменении удельного сопротивления диэлектриков ток абсорбции необходимо исключить, выдерживая образец под напряжением в течение некоторого времени.

Для сравнительной оценки различных диэлектриков в отношении их объемной и поверхностной электропроводности пользуются значениями удельного объемного сопротивления ( ), и удельного поверхностного сопротивления ( ). По удельному, объемному сопротивлению может быть определена удельная объемная проводимость:

а по удельному поверхностному сопротивлению – удельная поверхностная проводимость:

Объемное удельное сопротивление образца диэлектрика произвольной формы может быть найдено из выражения:

где – объемное сопротивление образца произвольной формы, Ом; – геометрический параметр, м.

Так, для плоского образца, у которого (см. разд. 1), удельное сопротивление равно:

где – площадь поперечного сечения образца (площадь измерительного электрода), м 2 ; – толщина образца, м.

Объемная удельная проводимость ( ) измеряется в сименсах на метр ( ).

Удельное поверхностное сопротивление (в омах) может быть найдено из выражения:

где – поверхностное сопротивление образца, Ом; – длина электродов, м; – расстояние между электродами, м.

Удельная поверхностная проводимость измеряется в сименсах.

Электропроводность газов обусловлена наличием в них некоторого количества заряженных частиц. В нормальных условиях число заряженных частиц (ионов газа или твердых и жидких примесей, находящихся во взвешенном состоянии) в 1 м 3 атмосферного воздуха не превышает нескольких десятков миллионов.

Происхождение носителей заряда в газах объясняется различными факторами:

· радиоактивным излучением Земли;

· радиацией, проникающей из космического пространства;

· иногда тепловым движением молекул и т.п.

При поглощении энергии бомбардирующей частицы молекула газа теряет электрон и превращается в положительный ион. Высвобождаемый при этом электрон «прилипает» к нейтральной молекуле, образуя отрицательный ион.

В ряде случаев концентрация свободных носителей заряда может достигать очень больших значений. Это обычно связано с фотоионизацией молекул газа. Такая ионизация может происходить, например, при воздействии ионизирующих излучений: рентгеновских и гамма-лучей, потоков нейтронов и т.п. Заряженные ионы так же, как и окружающие их не имеющие электрического заряда молекулы газа, совершают беспорядочные тепловые движения, и вследствие диффузии происходит выравнивание концен

трации ионов в газе. При встрече положительных и отрицательных ионов происходит их рекомбинация. В стационарном случае, когда число ионов не изменяется с течением времени, между процессами генерации и рекомбинации заряженных частиц устанавливается динамическое равновесие.

Вычислим удельную проводимость газа. При наложении внешнего электрического поля положительные и отрицательные ионы, преодолевая сопротивление трения газа, будут двигаться между электродами со скоростями соответственно:

где и – подвижности положительного и отрицательного ионов.

Зависимость между числом имеющихся в 1 м 3 газа положительных ( ) и отрицательных ( ) ионов и числом ионов, рекомбинирующих в 1 м 3 газа за время 1 с ( ), можно представить так:

где – коэффициент рекомбинации ионов газа, м 3 /с. Для воздуха, например, м 3 /с.

В стационарном случае

Если напряженность поля (Е) очень мала, так что протекающий ток не меняет концентрацию ионов в газе, плотность тока может быть определена из выражения:

. (4.9)

Участок 0АВ называют областью несамостоятельной электропроводности, так как электропроводность (концентрация свободных носителей зарядов) определяется мощностью внешних ионизаторов.

Значение удельного сопротивления воздуха ( ) составляет порядка 10 18 Ом∙м. При дальнейшем повышении напряженности поля В/м (рис. 4.3, участок ВС) происходит значительное повышение плотности тока вследствие процессов ударной ионизации молекул электронами в сильном электрическом поле вплоть до пробоя газового промежутка. Участок ВС – называют областью самостоятельной электропроводности.

Электропроводность жидкостей обусловлена ионами, образующимися при диссоциации молекул самой жидкости или ее примесей. В связи с увеличением энергии хаотического теплового движения молекул степень ионизации и концентрации ионов растет с повышением температуры по экспоненциальному закону:

где W – энергия диссоциации. Отсюда удельная проводимость равна:

где n – заряд иона; и – подвижности положительных и отрицательных ионов соответственно; А – константа.

Логарифм проводимости жидкости линейно уменьшается с увеличением обратной абсолютной температуры 1/Т (рис.

Удельное сопротивление жидкостей равно:

В жидкостях (и газах) с примесями иногда наблюдается молионная электропроводность, характерная для коллоидных систем, которые представляют собой тесную смесь двух фаз веществ; причем одна фаза в виде мелких частиц (капель, зерен, пылинок и т.п.) равномерно взвешена в другой. Из коллоидных систем наиболее часто встречаются в электроизоляционной технике эмульсии (обе фазы – жидкости) и суспензии (дисперсная фаза – твердое вещество, дисперсионная среда – жидкость). Ста

бильность эмульсий и суспензий, т.е. способность их длительно сохраняться без оседания дисперсной фазы на дно сосуда (или всплывания ее на поверхность) вследствие различия плотностей обеих фаз, объясняется наличием на поверхности частиц дисперсной фазы электрических зарядов (при одноименном заряде частицы взаимно отталкиваются). Такие заряженные частицы дисперсной фазы и называют молионами. При наложении на коллоидную систему электрического поля молионы приходят в движение, что выражается в виде электрофореза.

Примеры практического использования электрофореза – покрытие металлических предметов каучуком и смолами из их суспензий, обезвоживание различных материалов в электрическом поле и др. В отличие от электролиза при электрофорезе не наблюдается образования новых веществ, а лишь меняется относительная концентрация дисперсной фазы в различных частях объема вещества. Молионная электропроводность присуща жидким лакам и компаундам, увлажненным маслам и т.п. Ее вклад в проводимость, как и вклад ионной электропроводности, зависит от вязкости жидкости.

Электропроводность твердых диэлектриков

Носителями заряда в диэлектриках обычно оказываются ионы малых размеров, подвижность которых выше:

· протоны в водородсодержащих соединениях (в полимерах, кристаллах типа KH₂PO₄ и других с водородными связями);

· ионы натрия (в NaCl и в содержащем натрий стекле) и т.д.

При этом следует отметить, что число диссоциированных (сорванных) ионов ( ) с изменением температуры изменяется по экспоненциальному закону:

где – общее число ионов i-го типа; – энергия диссоциации иона i-го типа; кТ – тепловая энергия.

Удельная электрическая проводимость твердых диэлектриков, как и полупроводников, растет с ростом температуры по экспоненциальному за­кону:

Однако зависимость часто обусловлена не только экспоненциальным ростом концентрации носителей (рис. 4.5, б)

но и ростом подвижности:

где W_n – энергия перемещения иона, определяющая переход его из одного равновесного состояния в другое). Это связано с тем, что дрейфовая подвижность ионов мала и осуществляется путем их перескока с ловушки на ловушку, разделенных потенциальным барьером W_n (так называемая «прыжковая» электропроводность). Вероятность таких тепловых перескоков прямо пропорциональна exp(-W_n/kT) (рис. 4.5, а).

Обычно в диэлектрике имеется несколько видов носителей заряда. Например, кроме ионов основного вещества могут быть слабо связанные ионы примесей. В этом случае удельная проводимость складывается из собственной проводимости с энергией активации (W) и примесной проводимости с энергией активации (W_np):

где — коэффициент, объединяющий постоянные ( – заряд i-го носителя; – концентрацию i-го носителя; – подвижность i-го носителя); W_i — энергия активации.

В широком диапазоне температур зависимость логарифма удельной проводимости (γ) от обратной величины абсолютной температуры (Т) должна состоять из двух прямолинейных участков с различными значениями угла наклона к оси абсцисс (рис. 4.6). При температуре выше точки излома А электропроводность определяется в основном собственными дефектами – это область высокотемпературной, или собственной электропроводности. Ниже излома, в области низкотемпературной, или примесной электропроводности, зависимость более пологая.

В отличие от трудно воспроизводимой низкотемпературной области электропроводности, определяемой в основном природой и концентрацией примесей, значение собственной удельной проводимости не зависит от удельной проводимости и не зависит от примесей, хорошо воспроизводимо и является физическим параметром данного соединения.

Ионная электропроводность сопровождается переносом вещества: положительные ионы движутся к катоду, а отрицательные к аноду. Электролиз особенно ярко выражен при повышенных температурах, когда ρ мало, и при приложении высоких постоянных напряжений. По выделившемуся на электродах веществу можно определить характер носителей заряда. У диэлектриков с чисто ионным характером электропроводности строго выполняется закон Фарадея – закон пропорциональности между количеством пропущенного электричества и количеством выделившихся веществ.

Некоторые диэлектрики (например, и другие титансодержащие керамические материалы) обладают электронной или дырочной электропроводностью. Однако носителями часто являются электроны не основного вещества, а примесей и дефектов. В титансодержащей керамике при высокотемпературном синтезе появляются в значительном количестве кислородные вакансии, отдающие слабо связанные электроны или дырки. От них и зависит наблюдаемая электропроводность.

Твердые пористые диэлектрики при наличии в них влаги, даже в ничтожных количествах, резко увеличивают свою электропроводность (рис 4.7). На участке кривой АВ значение сопротивления снижается в результате изменения степени диссоциации молекул воды и молекул диэлектрика в водном растворе на ионы. Участок ВС обусловлен процессами сушки, а на участке СД происходит диссоциация молекул диэлектрика на ионы.

Мы рассматривали электропроводимость твердых диэлектриков при относительно невысоких значениях напряженности электрического поля. При достаточно больших напряженностях электрического поля в диэлектриках появляется электронная составляющая электропроводности, быстро возрастающая с увеличением напряженности электрического поля, в связи с чем наблюдается нарушение закона Ома. При напряженностях электрического поля В/м, т.е. близких к пробивным напряженностям поля, зависимость электропроводности от величины напряженности поля подчиняется закону Пуля:

Для ряда диэлектриков более точным оказывается закон Френкеля:

где – электропроводность в слабых электрических полях; – коэффициенты нелинейности, характеризующие свойства диэлектрика; Е – напряженность электрического поля.

Срочно?
Закажи у профессионала, через форму заявки
8 (800) 100-77-13 с 7.00 до 22.00

Источник