Электропроводность твердых диэлектрических материалов

Электропроводность твердых диэлектрических материалов обусловлена главным образом передвижением ионов. У некоторых материалов при определенных рабочих условиях она может быть вызвана также наличием свободных электронов.

Вид электропроводности устанавливают экспериментально, используя закон Фарадея. Ионная электропроводность сопровождается переносом вещества на электроды. При электронной электропроводности это явление не наблюдается.

В диэлектриках с атомной или молекулярной структурой электропроводность связана только с наличием примесей.

В твердых диэлектриках ионного строения электропроводность обусловлена, в основном, перемещением ионов, освобождаемых под влиянием флуктуации теплового колебания! При низких температурах в свободное состояние переходят слабо закрепленные ионы, в частности ионы примесей. При высоких температурах освобождаются собственные ионы, вырываемые из кристаллической решетки.

В каждом отдельном случае вопрос о механизме электропроводности решается на основании данных об энергии активации носителей заряда. Например, относительно каменной соли известно, что энергия активации ионов натрия при нормальной температуре составляет около 0,85 эВ, энергия активации ионов хлора в три раза больше, а энергия активации электронов равна 6 эВ. Поэтому собственная электропроводность NaCI обусловлена движением ионов натрия.

Удельная проводимость при температуре Т выражается зависимостью

, (2.2.6)

где q-заряд носителя, k (кулон);

n_T - концентрация носителей, т. е. число их в единице объема (1м³);

- подвижность, м² / (В∙с);

- удельная проводимость, сим/м.

При этом предполагается, что концентрация носителей n_T и подвижность не зависят от напряженности электрического поля, т. е. скорость их перемещения пропорциональна напряженности поля:

м/с

Подвижность электронов на много порядков больше подвижности ионов. В двуокиси титана, например, подвижность электронов составляет около 10^-4 м²/(В×с), тогда как подвижность ионов в алюмосиликатной керамике всего лишь 10^-13 - 10^-16 м²/(В×с), Поэтому концентрация электронов в диэлектрике с электронной электропроводностью в 10⁹—10¹² раз меньше концентрации носителей в диэлектрике с ионной электропроводностью (при одинаковом заряде носителей и одинаковом значении проводимости).

При ионной электропроводности число диссоциированных ионов находится в экспоненциальной зависимости от температуры:

, (2.2.7)

где п — общее число ионов в 1 м³; Э_д—энергия диссоциации; КT — тепловая энергия.

Подвижность иона в некоторых случаях также можно представить экспоненциальной зависимостью от температуры:

, (2.2.8)

где - предельная подвижность иона при очень большой температуре;

Э_п - энергия перемещения диссоциированного иона, определяющая переход его из одного междуузлия в другое.

Подставляя n_T и в формулу (2.2.6) для удельной проводимости и объединяя постоянные n, q и одним коэффициентом В, имеем

, (2.2.9)

где , (2.2.10)

Формула показывает, что чем больше значения энергии диссоциации и перемещения, тем резче изменяется удельная проводимость с температурой.

Численное значение коэффициента b находится из экспериментально полученной зависимости удельной проводимости от температуры по формуле

, (2.2.11)

Величина b для твердых веществ лежит в пределах10000—22000 град. В случае, если ток в диэлектрике обусловлен передвижением разнородных ионов, выражение (2.2.9) имеет вид

, (2.2.12)

В связи с этим логарифмическая зависимость удельной проводимости от температуры имеет изломы (рис. 2.2.4).

Заменив через 1/, получаем выражение для зависимости удельного объемного сопротивления от температуры

, (2.2.13)

где b и B₁—постоянные, характерные для данного материала.

	Рис. 2.2.4. Температурная зависимость удельной проводимостиу, характеризующая области собственной и примесной электропроводности диэлектрика. Сплошной линией показана собственная электропроводность, штриховыми линиями — примесная электропроводность (N1 > N2 > N3 > N4, где N - концентрация примеси).

В телах кристаллического строения с ионной решеткой электропроводность связана с валентностью ионов. Кристаллы с одновалентными ионами обладают большей удельной проводимостью, чем кристаллы с многовалентными ионами. Так, у NаС1 удельная проводимость значительно выше, чем у Мg0 или АI₂О₃.

В монокристаллах удельная проводимость неодинакова по разным направлениям. Так, в кварце удельная проводимость в направлении, параллельном главной оси, примерно в 1000 раз больше, чем в направлении, перпендикулярном к этой оси. Для большинства ионных кристаллов коэффициент b в формулах (2.2.9) и (2.2.13) близок к величине 10000.

В кристаллических телах с молекулярной решеткой (сера, парафин) проводимость мала и определяется только примесями.

Высокомолекулярные соединения (полимеры) обладают проводимостью, сильно зависящей от таких факторов, как химический состав и наличие примесей, степень полимеризации (фенолформальдегидная смола), степени вулканизации (эбонит). Органические диэлектрики с симметричным строением молекул (например, фторопласт-4) отличаются очень малой проводимостью.

У неорганических стекол электропроводность самым тесным образом связана с химическим составом, что дает возможность в ряде случаев получать заранее заданную величину удельной проводимости.

Твердые пористые диэлектрики резко увеличивают свою удельную проводимость в случае увлажнения, пусть даже самого незначительного. Высушивание материалов повышает их электрическое сопротивление, но с переносом высушенных материалов во влажную среду величина сопротивления вновь уменьшается.

Степень изменения электрических свойств при увлажнении зависит не только от количества воды, проникшей в поры материала. Если поглощенная влага способна образовывать нити или пленки, пронизывающие изоляцию между электродами на всю или почти всю ее толщину, то даже весьма малые количества поглощенной влаги чрезвычайно резко ухудшают электрические свойства изоляции. Если же влага распределяется по объему материала в виде отдельных, не соединяющихся между собой, малых включений, то она влияет на электрические свойства материала менее существенно.

Наиболее заметное снижение удельного объемного сопротивления под влиянием влажности наблюдается у пористых мате риалов, содержащих растворимые в воде примеси, создающие электролиты с высокой проводимостью.

Уменьшению влагопоглощения и влагопроницаемости пористых электроизоляционных материалов способствует их пропитка. Необходимо, однако, иметь в виду, что пропитка целлюлозных волокнистых материалов и других пористых органических диэлектриков лишь замедляет увлажнение материала и не влияет на величину после длительного воздействия влаги (рис. 2.2.5); это объясняется тем, что молекулы пропиточных материалов, будучи по своим размерам намного больше молекул воды, не в состоянии сделать поры материала полностью непроницаемыми для влаги, а в наиболее мелкие поры они вообще не могут попасть.

При больших напряженностях электрического поля необходимо учитывать возможность появления в диэлектриках электронного тока. Этот ток, быстро возрастая с увеличением напряженности поля, вызывает отступления от закона Ома.

Рис.2.2.5. Зависимость удельного объемного со

противления не пропитанной (кривая 1) и пропитанной

(кривая 2) бумаги от времени пребывания во

влажном воздухе.

При полях, превышающих 10⁷-10⁸ В/м, т. е. близких к пробивным, зависимость удельной проводимости от напряженности поля выражают эмпирической формулой Пуля:

, (2.2.14)

где Е - напряженность поля; - удельная проводимость в области независимости от E; - коэффициент, характеризующий материал.

Для ряда материалов более точной является формула Френкеля:

(2.2.15)

Дата добавления: 2014-01-20