Електропровідність діелектриків

Контрольні запитання

1. Перелічіть основні механізми поляризації, вкажіть їхні головні особ-ливості. Наведіть приклади діелектриків з різними механізмами поляризації.

2. Поясніть залежність діелектричної проникності твердих діелектриків від температури і частоти.

3. Наведіть приклади залежності діелектричної проникності рідких діелек-триків від зовнішніх факторів.

4. Викладіть метод визначення температурного коефіцієнта діелектричної проникності, наведіть приклади його розрахунку.

5. Поясніть розходження між полярними і неполярними діелектриками.

6. Викладіть методи визначення відносної діелектричної проникності сумі-ші, що містить два чи більше діелектриків, які не вступають один з одним у хімічні сполуки.

7. Наведіть класифікацію діелектриків за видами поляризації.

За своїм призначенням електроізоляційні матеріали не повинні пропускати електричний струм. Однак поляризаційні процеси зсуву зв'язаних зарядів у речовині обумовлюють появу поляризаційних струмів, чи струмів зсуву в діелектрику. Вони протікають до моменту встановлення рівноважного стану. При електронній і іонній поляризаціях ці струми протікають практично миттєво і приладами, як правило, не фіксуються.

Струми зсуву, обумовлені різними видами релаксаційних поляризацій, називають абсорбційними струмами.

При постійній напрузі абсорбційні струми спостерігаються тільки в період включення і вимикання напруги. Під впливом змінної напруги ці струми про-тікають весь час до моменту відключення напруги.

З огляду на те, що в технічних діелектриках є вільні заряди, здатні пере-міщуватися під дією електричного поля крім абсорбційних струмів протікає також струм наскрізної електропровідності. Загальний струм у діелектрику можна представити у вигляді суми наскрізного й абсорбційного струмів. Цей струм називається струмом витоку. Залежність струму витоку через діелектрик від часу показана на рис.2.1.

I

i_абс

i_{ск t}

Рис.2.1–Залежність величини струму витоку через діелектрик від часу

Тривала робота твердих і рідких діелектриків може привести як до збіль-шення, так і до зменшення наскрізного струму. Зменшення наскрізного струму пояснюється тим, що електропровідність була обумовлена носіями зарядів, що містяться в домішках і з часом відбулося електричне очищення зразка. Збіль-шення струму зв'язано з протіканням у діелектрику необоротних процесів старіння речовини під напругою й участю в електропровідності зарядів, що є структурними елементами самої речовини.

Електропровідність діелектриків пояснюється наявністю в них вільних, тобто не зв'язаних з визначеними молекулами і здатних переміщуватися під дією електричного поля іонів, моліонів, електронів чи дірок.

Для багатьох електроізоляційних матеріалів характерна іонна електропро-відність, пов'язана з переносом іонів, тобто з явищем електролізу. У ряді ви-падків електролізу піддається основна речовина діелектрика. Однак мають місце випадки (в основному для органічних діелектриків), коли молекули ос-новної речовини діелектрика не мають здатності піддаватися дисоціації, але іонна електропровідність виникає завдяки присутності неминучих забруднень – води, солей, кислот, лугів та ін. Навіть незначний вміст домішок помітно впливає на провідність діелектриків.

У діелектриків з іонним характером електропровідності дотримується за-кон Фарадея: кількість речовини, що виділилася при електролізі, пропорційна кількості пройшовшої через речовину електрики.

Моліонна електропровідність спостерігається в колоїдних системах, що представляють тісну суміш двох фаз, причому одна фаза (дисперсна) у виді дрібних часток рівномірно зважена в іншій (дисперсному середовищі). З ко-лоїдних систем в електроізоляційній техніці найбільше часто зустрічаються емульсії (обидві фази рідини) і суспензії (дисперсна фаза – тверда речовина, дисперсне середовище – рідина). Стабільність колоїдних систем пов"язана з наявністю на поверхні часток дисперсної фази електричних зарядів. При впливі на колоїдну систему електричного поля частки починають рухатися, що про-являється як явище електрофорезу. При електрофорезі на відміну від елек-тролізу, не спостерігається утворення нових речовин, а тільки змінюється відносна концентрація дисперсної фази в різних частинах об"єму системи.

Молионна електропровідність спостерігається в рідких лаках і компаундах, у зволожених оліях і т.д.

У деяких діелектриках спостерігається електронна електропровідність.Так, рутил TiО ₂ , ряд титанатів BaTiО _3, CaTiО ₃ та ін. виявляють електронний ха-рактер електропровідності. У сильних електричних полях можлива інжекція зарядів (електронів, дірок) у діелектрик з металевих електродів, а також утво-рення іонів і електронів у результаті ударної іонізації.

Провідність діелектрика можна визначити за формулою

G _из = (I _ут + I _абс) / U, (2.1)

де I _ут – струм витоку;

I _абс – сума струмів, викликаних уповільненими механізмами поляризації,

U - прикладена постійна напруга.

Для твердих діелектриків розрізняють об'ємну провідність ізоляції G _v, чисельно визначальну провідность через товщину матеріалу, і поверхневу провідність G _s, що характеризує наявність шару підвищеної електропровід-ності на поверхні розділу твердої ізоляції з навколишнім газоподібним чи рідким середовищем. Цей шар утворюється внаслідок неминучих забруднень, зволоження і т.д. Відповідно вводяться поняття об'ємного струму витоку I _v і поверхневого струму витоку I _s.

Для порівняльної оцінки об'ємної і поверхневої провідності різних мате-ріалів користаються значеннями питомого об'ємного опору ρ _v і питомого поверхневого опору ρ _s.

У системі СІ питомий об'ємний опір чисельно дорівнює опору куба з реб-ром в один метр, вирізаного з досліджуваного матеріалу, якщо струм прохо-дить через дві протилежні грані цього куба. Розмірність цього опору Ом*м.

Для плоского зразка з постійним поперечним перерізом, вміщеного в одно-

рідне поле, питомий об'ємний опір визначається за формулою

, (2.2)

де R- об'ємний опір, Ом; S – площа електрода, м ²; h – товщина зразка, м.

Значення ρ _v для порівняно низькоякісних діелектриків (деревина, папір, асбестоцемент і т.д.) знаходиться в межах 10⁶-10⁸ Ом м. Для таких матеріалів як полістирол, поліетилен і т.д. значення ρ _v складає 10¹⁴-10¹⁶Ом м, у неіоні-зованих газів значення ρ _v ще вище.

Питомий поверхневий опір ρ _S чисельно дорівнює опору квадрата (будь-яких розмірів), думкою виділеного на поверхні матеріалу, якщо струм прохо-дить через дві його протилежні:

ρ _S = , (2.3)

де R_S – поверхневий опір зразка матеріалу між паралельно розташовани-ми електродами, Ом; d-ширина електрода, м; l - відстань між електродами, м.

Розмірність питомого поверхневого опору - Ом.

Використовуючи значення питомого об'ємного і поверхневого опорів, можна визначити питому об"ємну провідність = 1/ ρ _v і відповідно питому поверхневу провідність = 1/ρ_S.

Повна провідність твердого зразка діелектрика дорівнює сумі об'ємної і поверхневої провідностей.

Розглянемо задачу: дві протилежні грані куба з ребром а = 10мм з діелек-тричного матеріалу з питомим об'ємним опором і питомим поверхневим опором покриті металевими електродами. Визначити струм, який протікає через ці грані при постійній напрузі U = 2 кв.

Дата добавления: 2014-11-09