Электропроводность твердых диэлектриков

Электропроводность жидких диэлектриков

Основную роль в жидких диэлектриках играют два типа электропроводности: ионная и молионная (катафоретическая).

В неполярных и слабополярных жидкостях носителями заряда в основном являются ионы, возникающие при диссоциации молекул примесей. Степень диссоциации (отношение числа диссоциированных молекул к общему числу молекул жидкости) зависит от химической природы примесей, концентрации и диэлектрической проницаемости. Степень диссоциации возрастает с увеличением ε. Собственная электропроводность наблюдается при диссоциации молекул жидкости с ионным характером связи.

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

Молионная электропроводность характерна для коллоидных растворов, например для многих электроизоляционных лаков в неотвержденном состоянии, содержащих мелкодисперсный наполнитель, пигмент и др. Знак заряда частицы будет положительным, если диэлектрическая проницаемость частиц - больше ε растворителя и наоборот. Такие заряженные частицы называют молионами.

Удельное сопротивление жидкостей уменьшается с ростом температуры по экспоненциальному закону

ρ = B • e^W/kT (8)

где В - константа,

W - энергия диссоциации,

k - постоянная Больцмана.

По аналогичному закону изменяется и вязкость жидкости.

Для неполярных жидкостей (бензол, трансформаторное масло) ρ > 10¹⁰ - 10¹³Ом•м, для слабополярных (совол, касторовое масло) ρ = 10⁸ - 10¹⁰Ом•м, для сильнополярных (дистиллированная вода, этиловый спирт, ацетон) ρ = 10³ - 10⁵Ом•м. Закон Ома в жидкостях нарушается в сильных полях. Возможные причины: диссоциация молекул жидкости, приводящая к резкому росту концентрации ионов; увеличение подвижности ионов; автоэлектронная эмиссия электронов с катода в тщательно очищенных жидкостях.

Для твердых диэлектриков, наиболее характерна ионная электропроводность. В кристаллических веществах ионную проводимость можно объяснить, исходя из представлений о внутренних нарушениях структуры или о дефектах решетки.

Согласно Я. И. Френкелю под действием тепловых флуктуаций ионы получают иногда энергию, достаточную, чтобы покинуть нормальные положения в решетке и попасть в пространство между нормально закрепленными ионами (межузелия). При тепловом возбуждении эти межузельные ионы перескакивают из одного межузельного положения в другое, а если к кристаллу приложено поле, то в направлении поля более часто. Если при движении по кристаллу ион встречает вакантное место, то он снова закрепляется в узле решетки. Такой процесс приводит к обмену атомов местами, т.е. к диффузии. Коэффициент диффузии D связан с подвижностью соотношением Нернста-Эйнштейна

μ / D = q / kT (9)

где μ - подвижность,

q - заряд,

k - постоянная Больцмана,

Т - температура.

Коэффициенты диффузии, вычисленные по этой формуле при комнатной температуре, очень малы, не более 10^-5 см²/с, а подвижность 10 ^{- 4} см²/B•с.

В процессе электропроводности играют роль не только собственные ионы решетки, но и ионы примесей, особенно с высокой подвижностью. К таким ионам относятся ионы Na⁺, К⁺, Н⁺, роль которых велика уже при комнатной температуре. К числу примесных ионов с большой подвижностью относятся также ионы Cu⁺, Au⁺, Ag⁺. Для таких ионов D = 10^{- 5}-10^-7 см²/с, μ = 10^{- 2}-10^-4 см²/В•с.

Возможен и другой механизм электропроводности кристаллов - по Шоттки, при котором дефекты образуются в результате удаления равного числа анионов и катионов из нормальных узлов решетки, и помещений их в новые узлы на внешних и внутренних поверхностях кристалла. В этом случае вакансии перемещаются по кристаллу вследствие переноса в незанятый узел ионов из соседних узлов. Для многих ионных кристаллов удельная электропроводность экспоненциально зависит от температуры

γ = q n μ» γ₀ exp(-W_a / kT) (10)

где W_a = W/2+U,

W = W_f или W = W_δ - энергия образования дефектов по Френкелю или по Шоттки в зависимости от типа дефектов,

U - энергия активации перемещения ионов, меньшая W.

рис. 2.2

В координатах lnγ = f(1/T) эта зависимость представляется в виде прямой линии, либо в виде линии с изломом, если имеются два различных механизма проводимости (рис. 2.2). В этом случае зависимость γ от 1/T будет представляться суммой двух экспонент

γ = γ₁ exp(-W_a1 / kT) + γ₂ exp(-W_a2 / kT) (11)

Для низкотемпературного участка NaCl по экспериментальным данным W_a1 = 1,7-2,2 эВ. В низкотемпературной области проводимость в основном определяется примесями и кривая в этой области имеет более слабый наклон. Обычно W_a1 / W_a2» 1/2, a γ₁/γ₂» 10 ^-5. Следует отметить, что W_a2 не чувствительна к наличию примесей.

В некоторых твердых неорганических диэлектриках, например в титаносодержащей керамике, возможна электронная или дырочная электропроводность.

Дата добавления: 2014-01-13