Электропроводность твердых диэлектриков

Электропроводность твердых диэлектриков зависит от от их строения. Различают диэлектрики молекулярного строения и ионного строения.

Диэлектрики молекулярного строения

В этих диэлектриках (парафин, канифоль, полимеры) электропроводность имеет примесный характер, то есть обусловлена термической диссоциацией ионогенных примесей. Ионогенными примесями являются вода, следы катализаторов, технологические добавки и др.

Чем выше полярность диэлектрика (больше ε), тем больше степень диссоциации примеси и ниже его удельное электрическое сопротивление ρ (рис. 10.7).

Рис. 10.7. Зависимость удельного сопротивления твердых диэлектриков молекулярного строения от степени полярности

Диэлектрики ионного строения

При низких температурах преобладает примесная (низкотемпературная) электропроводность, обусловленная перемещением ионов примесей по вакансиям и междоузлиям кристаллической решетки или по аморфной структуре.

При высоких температурах преобладает собственная (высокотемпературная) электропроводность, обусловленная перемещением собственных ионов, которые образуются в результате диссоциации самого диэлектрика (рис. 10.8).

Рис. 10.8. Зависимость удельной электропроводности σ диэлектрика ионного строения от температуры (схема)

С увеличением температуры оба вида проводимости возрастают в связи с увеличением концентрации ионов n и ихподвижности α (см. формулу 3).

Чем меньше плотность упаковки ионов в веществе, тем больше подвижность ионов проводимости α (см. формулу 3) и меньше его удельное сопротивление ρ (рис. 10.9).

Рис. 10.9. Зависимость удельного сопротивления ρ

твердых диэлектриков ионного строения от подвижности ионов a (схема)

Поверхностная электропроводность твердых диэлектриков

Поверхностная электропроводность твердого диэлектрика определяется способностью его поверхности адсорбировать загрязняющие вещества – воду, различные газы, пыль.

По способности смачиваться водой вещества делят на две группы: гидрофильные и гидрофобные.

Гидрофильные вещества - хорошо смачиваемые водой. К этой группе относятся полярные диэлектрики – резина, фенолформальдегидные смолы, керамика, неорганическое щелочное стекло и др.

Гидрофобные вещества - не смачиваемые водой. К этой группе относятся неполярные диэлектрики – парафин, полиэтилен, фторопласт - 4 и др.

Зависимость удельного поверхностного сопротивления ρ_s диэлектриков от относительной влажности воздуха ψ приведена на рис. 10.10.

Поверхностное сопротивление неполярные диэлектриков не зависит от ψ, а сопротивление полярные диэлектриков уменьшается при увеличении относительной влажности воздуха. Последнее связано с увеличением количества влаги на поверхности диэлектрика и, следовательно, увеличением на ней количества ионов n, которые образуются при диссоциации молекул воды, а также растворенных в ней абсорбированной пыли и молекул самого диэлектрика.

Рис. 10.10. Зависимость удельного поверхностного сопротивления ρ_s диэлектриков от относительной влажности воздуха ψ

Для увеличения ρ _s применяют промывку поверхности диэлектриков водой или растворителями, прокаливание диэлектриков при t = 600–700ºС, кипячение в дистиллированной воде, полирование, покрытие гидрофобными лаками, эмалями или глазурью. После обработки поверхности ρ_s диэлектриков увеличивается на 3 – 5 порядков.

Влияние ионизирующих излучений на электропроводность твердых диэлектриков

На атомных электростанциях диэлектрики подвергаются воздействию ионизирующего радиационного излучения. Различают следующие виды радиационного излучения:

- α – излучение – поток ядер гелия;

- β - излучение - поток электронов;

- γ - излучение - электромагнитное излучение различной частоты;

- протоны, различные ионы, позитроны и др.

Под действием ионизирующего излучения происходит ионизация диэлектриков с образованием положительных ионов и электронов, которые увеличивают проводимость диэлектрика.

Удельная объемная проводимость диэлектрика σ _v в процессе облучения определяется как:

σ _v = σ_c + σ_р, σ_р >> σ_c, (21)

где σ_c - собственная (темновая) проводимость диэлектрика, то есть проводимость материала в отсутствие ионизирующего излучения; σ_р– радиационная) проводимость, обусловленная воздействием ионизирующего излучения.

σ_р = AP ^Δ (22)

где A – радиационная постоянная, определяемая свойствами диэлектрика, Δ – показатель степени, определяемый свойствами диэлектрика, Δ = 0,5 – 1,0; P – мощность поглощенной дозы ионизирующего излучения, Гр/c.

Поглощенной дозой называется энергия ионизирующего излучения сообщаемая единице массы вещества. Единицей поглощенной дозы является Грей (Гр), 1 Гр = Дж/кг.

При увеличении температуры σ_р экспоненциально увеличивается:

σ_р = В exp(- E _р/ kT), (23)

где В – постоянная данного вещества, E _р – энергия активации радиационного тока, k– постоянная Больцмана.

После прекращения действия ионизирующего излучения свободные электрические заряды рекомбинируют. Если в диэлектрике под действием ионизирующего излучения не произошло каких-либо необратимых изменений состава и строения, то σ _v уменьшается и становится равным прежнему значению. Если изменения состава и строения произошли, то они могут привести как к увеличению, так и к уменьшению проводимости. Например, обугливание диэлектрика увеличивает его проводимость, а увеличение степени полимеризации полимерного диэлектрика – уменьшает проводимость.

ЛЕКЦИЯ № 11. «ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ, ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ, ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДИЭЛЕКТРИКОВ»

Тема: «ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ»

Содержание:

Диэлектрические потери

Удельные диэлектрические потери

Токи в диэлектрике

Диэлектрические потери при постоянном напряжении

Угол диэлектрических потерь

Диэлектрические потери при переменном напряжении

Диэлектрические потери в газообразных диэлектриках

Диэлектрические потери в жидких диэлектриках

Диэлектрические потери в твердых диэлектриках

Диэлектрические потери – часть энергии приложенного электрического поля, которая поглощается в диэлектрике. Эта энергия превращается в тепло и нагревает диэлектрик.

Удельные диэлектрические потери - энергия электрического поля, поглощаемая единицей объема диэлектрика.

Дата добавления: 2017-01-13