Электропроводность диэлектриков

Омский Государственный Технический Университет

Содержание

Введение…………………………………………………………………………..3

1.1.Основные понятия…………………………………………………………..5

2.1.Электропроводность газов…………………………………………………8

3.1.Электропроводность жидких диэлектриков…………………………....10

4.1.Электропроводность твердых диэлектриков…………………………..11

4.2.Поверхностная электропроводность твердых диэлектриков………..14

Заключение……………………………………………………………………..15

Список литературы……………………………………………………………16

Введение

Диэлектрик (изолятор) — материал, плохо проводящий или совсем не проводящий электрический ток. Концентрация свободных носителей заряда в диэлектрике не превышает 108 см−3. Основное свойство диэлектрика состоит в способности поляризоваться во внешнем электрическом поле. С точки зрения зонной теории твёрдого тела диэлектрик — вещество с шириной запрещённой зоны больше 3 эВ.

Назначение электроизоляционных материалов в электрических заключается в создании между частями, имеющими разные электрические потенциалы, такой среды, которая препятствовала бы прохождению тока между этими частями.

Различают электрические, механические, физико-химические и тепловые характеристики диэлектриков.

Условно к проводникам относят материалы с удельным электрическим сопротивлением ρ < 10−5 Ом·м, а к диэлектрикам — материалы, у которых ρ > 108 Ом·м. При этом надо заметить, что удельное сопротивление хороших проводников может составлять всего 10−8 Ом·м, а у лучших диэлектриков превосходить 1016 Ом·м. Удельное сопротивление полупроводников в зависимости от строения и состава материалов, а также от условий их эксплуатации может изменяться в пределах 10−5—108 Ом·м. Хорошими проводниками электрического тока являются металлы. Из 105 химических элементов лишь двадцать пять являются неметаллами, причём двенадцать элементов могут проявлять полупроводниковые свойства. Но кроме элементарных веществ существуют тысячи химических соединений, сплавов или композиций со свойствами проводников, полупроводников или диэлектриков. Чёткую границу между значениями удельного сопротивления различных классов материалов провести достаточно сложно. Например, многие полупроводники при низких температурах ведут себя подобно диэлектрикам. В то же время диэлектрики при сильном нагревании могут проявлять свойства полупроводников. Качественное различие состоит в том, что для металлов проводящее состояние является основным, а для полупроводников и диэлектриков — возбуждённым.

Физическим параметром, который характеризует диэлектрик, является диэлектрическая проницаемость. Диэлектрическая проницаемость может иметь дисперсию.

К диэлектрикам относятся воздух и другие газы, стекло, различные смолы, пластмассы непременно сухие.

Ряд диэлектриков проявляют интересные физические свойства.

К ним относятся электреты, пьезоэлектрики, пироэлектрики, сегнетоэластики, сегнетоэлектрики, релаксоры и сегнетомагнетики.

При применении диэлектриков — одного из наиболее обширных классов электротехнических материалов — довольно четко определилась необходимость использования как пассивных, так и активных свойств этих материалов.

Диэлектрики используются не только как изоляционные материалы.

Пассивные свойства диэлектрических материалов используются, когда их применяют в качестве электроизоляционных материалов и диэлектриков конденсаторов обычных типов. Электроизоляционными материалами называют диэлектрики, которые не допускают утечки электрических зарядов, то есть с их помощью отделяют электрические цепи друг от друга или токоведущие части устройств, приборов и аппаратов от проводящих, но не токоведущих частей (от корпуса, от земли). В этих случаях диэлектрическая проницаемость материала не играет особой роли или она должна быть возможно меньшей, чтобы не вносить в схемы паразитных ёмкостей. Если материал используется в качестве диэлектрика конденсатора определённой ёмкости и наименьших размеров, то при прочих равных условиях желательно, чтобы этот материал имел большую диэлектрическую проницаемость.

Активными (управляемыми) диэлектриками являются сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, пироэлектрики, электролюминофоры, материалы для излучателей и затворов в лазерной технике, электреты и др.

Диэлектрики могут быть твердыми, жидкими и газообразными.

1.1.Основные понятия

Поляризационные процессы смещения любых зарядов в веществе, протекая во времени до момента установления и получения равновесного состояния, обусловливают появление поляризационных токов, или токов смещения в диэлектриках. Токи смещения упруго связанных зарядов при электронной и ионной поляризациях настолько кратковременны, что их обычно не удается зафиксировать прибором.

Токи смещения при различных видах замедленной поляризации, наблюдаемые у многих технических диэлектриков, называют абсорбционными токами (или токами абсорбции) .

При постоянном напряжении абсорбционные токи, меняя свое направление, проходят только в периоды включения и выключения напряжения. При переменном напряжении они имеют место в течение всего времени нахождения материала в электрическом поле.

Наличие в технических диэлектриках небольшого числа свободных зарядов, а также инжекция их из электродов приводят к возникновению небольших токов сквозной электропроводности (или сквозных токов).

Таким образом, полная плотность тока в диэлектрике, называемого током утечки, представляет собой сумму плотностей токов абсорбционного и сквозного:

Плотность тока смещения определяется скоростью изменения вектора электрического смещения (индукции) D:

включающего в себя мгновенные (электронное, ионное) и замедленные смещения зарядов. На рис. 1.1 показана зависимость от времени плотности тока и емкости конденсатора с диэлектриком, характеризующимся наличием мгновенных и замедленных (релаксационных) механизмов поляризации, при мгновенном и длительном приложении электрического поля.

Из рисунка видно, что после завершения процессов поляризации через диэлектрик проходит только сквозной ток.

Проводимость диэлектрика при постоянном напряжении определяется по сквозному току, который сопровождается выделением и нейтрализацией зарядов на электродах. При переменном напряжении активная проводимость определяется не только сквозным током, но и активными составляющими поляризационных токов.

В большинстве случаев электропроводность диэлектриков ионная, реже – электронная.

Сопротивление диэлектрика, заключенного между двумя электродами, при постоянном напряжении, т. е. сопротивление изоляции , можно вычислить по формуле:

где U– приложенное напряжение; – наблюдаемый ток утечки; – сумма токов, вызванных замедленными механизмами поляризации, ток абсорбции.

Рис. 1.1. Зависимости емкости и плотности тока от времени в конденсаторе с диэлектриком, обладающим различными механизмами поляризации и сквозной электропроводностью (электрическое поле прикладывается мгновенно и в дальнейшем с течением времени не изменяется): – емкость, обусловленная замедленными (релаксационными) механизмами поляризации; – емкость от мгновенных механизмов поляризации

У твердых изоляционных материалов различают объемную и поверхностную электропроводности.

Для сравнительной оценки объемной и поверхностной электропроводности разных материалов используют также удельное объемное и удельное поверхностное сопротивления.

Удельное объемное сопротивление численно равно сопротивлению куба с ребром в , мысленно выделенного из исследуемого материала, если ток проходит через две противоположные грани этого куба; выражают в .

В случае плоского образца материала при однородном поле удельное объемное сопротивление рассчитывают по формуле:

где R– объемное сопротивление, Ом; S– площадь электрода, ; h– толщина образца, м.

Удельное поверхностное сопротивление численно равно сопротивлению квадрата (любых размеров), мысленно выделенного на поверхности материала, если ток проходит через две противоположные стороны этого квадрата ( выражают в омах):

где – поверхностное сопротивление образца материала между параллельно поставленными электродами шириной d, отстоящими друг от друга на расстоянии l (рис. 1.2).

По удельному объемному сопротивлению можно определить удельную объемную проводимость и соответственно удельную поверхностную проводимость .

Рис. 1.2. Эскиз размещения электродов (1) на поверхности образца из электроизоляционного материала (2) при измерении

Полная проводимость твердого диэлектрика, соответствующая его сопротивлению , складывается из объемной и поверхностной проводимостей.

Произведение сопротивления изоляции диэлектрика конденсатора на его емкость называют постоянной времени конденсатора:. Легко показать, что в системе СИ:

Электропроводность диэлектриков зависит от их агрегатного состояния, а также от влажности и температуры окружающей среды.

При длительной работе под напряжением сквозной ток через твердые или жидкие диэлектрики с течением времени может уменьшаться или увеличиваться, как показано на рис. 1.1. Уменьшение сквозного тока со временем говорит о том, что электропроводность материала была обусловлена ионами посторонних примесей и уменьшалась за счет электрической очистки образца (кривая 1). Увеличение тока со временем (кривая 2) свидетельствует об участии в нем зарядов, которые являются структурными элементами самого материала, и о протекающем в диэлектрике необратимом процессе старения под напряжением, способном постепенно привести к разрушению – пробою диэлектрика.

2.1. Электропроводность газов

Газы при небольших значениях напряженности электрического поля обладают очень малой проводимостью. Ток в газах может возникнуть только при наличии в них ионов или свободных электронов. Ионизация нейтральных молекул газа возникает либо под действием внешних факторов, либо вследствие соударений ионизированных частиц самого газа, ускоренных электрическим полем, с молекулами газа (ударная ионизация).

Внешними факторами, вызывающими ионизацию газа, являются рентгеновские, ультрафиолетовые и космические лучи, радиоактивное излучение, а также термическое воздействие (сильный нагрев газа).

Одновременно с процессом ионизации, при котором происходит образование положительных и отрицательных ионов или электронов, часть положительных ионов, соединяясь с отрицательными частицами, образует нейтральные молекулы. Этот процесс называют рекомбинацией.

Наличие рекомбинации препятствует безграничному росту числа ионов в газе и объясняет установление определенной концентрации ионов спустя короткое время после начала действия внешнего ионизатора.

Предположим, что ионизированный газ находится между двумя плоскими параллельными электродами, к которым приложено электрическое напряжение. Ионы под влиянием напряжения перемещаются, и в цепи возникает ток. Часть ионов нейтрализуется на электродах, часть исчезает за счет рекомбинации.

На рис. 2.1. показана зависимость тока от напряжения для газа. Начальный участок кривой до напряжения  соответствует выполнению закона Ома, когда число положительных и отрицательных ионов  можно считать не зависящим от напряжения. В газовом промежутке ток пропорционален напряжению, плотность тока пропорциональна напряженности поля.

            Рис. 2.1. Зависимость тока от напряжения для газа

По мере возрастания приложенного напряжения ионы уносятся к электродам, не успевая рекомбинировать, и при некотором напряжении все ионы, создаваемые в газовом промежутке, разряжаются на электродах. Дальнейшее увеличение напряжения уже не вызовет возрастания тока, что соответствует горизонтальному участку кривой рис. 2.1. (ток насыщения при напряжениях от до). Ток насыщения для воздуха в нормальных условиях и расстояния между электродами 1 см.  наблюдаются при напряженностях поля около .

Плотность тока насыщения в воздухе весьма мала и составляет около . Поэтому воздух можно рассматривать как совершенный диэлектрик, до тех пор, пока не создадутся условия для появления ударной ионизации. Ток при увеличении напряжения остается постоянным, пока ионизация осуществляется под действием внешних факторов. При возникновении ударной ионизации (выше  на рис. 2.1.) ток начинает быстро увеличиваться с возрастанием напряжения.

3.1. Электропроводность жидких диэлектриков

Электропроводность жидких диэлектриков тесно связана со строением молекул жидкости. В неполярных жидкостях электропроводность определяется наличием диссоциированных примесей, в том числе влаги. В полярных жидкостях электропроводность зависит не только от примесей; иногда она вызывается диссоциацией молекул самой жидкости.

Ток в жидкости может быть обусловлен как передвижением ионов, так и перемещением относительно крупных заряженных коллоидных частиц.

Невозможность полного удаления способных к диссоциации примесей из жидкого диэлектрика затрудняет получение электроизоляционных жидкостей с малой удельной проводимостью.

Полярные жидкости по сравнению с неполярными всегда имеют повышенную удельную проводимость, причем возрастание диэлектрической проницаемости приводит к росту проводимости. Сильнополярные жидкости отличаются настолько высокой удельной проводимостью, что рассматриваются уже не как жидкие диэлектрики, а как проводники с ионной электропроводностью.

Очистка жидких диэлектриков от содержащихся в них примесей дает заметное повышение их удельного объемного сопротивления.

Удельная проводимость любой жидкости в значительной степени зависит от температуры. С увеличением температуры в результате уменьшения вязкости возрастает подвижность ионов и может увеличиваться степень тепловой диссоциации. Эти факторы влияют на увеличение удельной проводимости: , где  А и а – постоянные, характеризующие материалы.

4.1. Электропроводность твердых диэлектриков

Электропроводность твердых тел обусловлена как передвижением ионов самого диэлектрика, так и ионов случайных примесей, а у некоторых материалов может быть вызвана 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 процессе прохождения электрического тока через твердый диэлектрик содержащиеся в нем ионы примесей могут частично удаляться, выделяясь на электродах; последнее с течением времени приводит к уменьшению проводимости и тока (4.1).

В твердых диэлектриках ионного строения электропроводность обусловлена главным образом перемещением ионов, вырываемых из решетки под влиянием флуктуации теплового движения. При низких температурах передвигаются слабо закрепленные ионы, в частности ионы примесей. При высоких температурах движутся основные ионы кристаллической решетки.

В диэлектриках с атомной или молекулярной решеткой электропроводность зависит от наличия примесей.

Удельная проводимость (в ) при температуре Т:

Где q – заряд носителя, Кл;  – число носителей в единице объема (концентрация), ;  – подвижность, .

При относительно невысоких напряженностях электрического поля концентрация носителей заряда и подвижность  не зависят от E, т. е. скорость их перемещения  пропорциональна напряженности поля: E – соблюдается закон Ома.

Подвижность электронов на много порядков больше, чем подвижность ионов. В двуокиси титана, например, подвижность электронов составляет около , тогда как подвижность ионов в алюмосиликатной керамике всего . В диэлектрике с электронной электропроводностью концентрация электронов в  раз меньше, чем концентрация носителей в диэлектрике с ионной электропроводностью при одинаковом заряде носителей и одинаковом значении удельной проводимости.

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

где N – общее число ионов в ;  – энергия диссоциации; kT – тепловая энергия.

Подвижность иона также выражается экспоненциальной зависимостью от температуры:

где  – предельная подвижность иона;  –энергия перемещения иона, определяющая переход его из одного неравновесного положения в другое.

Подставляя  и  в формулу для удельной проводимости (4.1) и объединяя постоянные N, q и  одним коэффициентом A, получаем:

где

Формула показывает, что чем больше значения энергии диссоциации и перемещения, тем резче изменяется проводимость при изменении температуры.

Ввиду того, что обычно , температурная зависимость проводимости определяется главным образом изменением концентрации носителей. Величина b  для твердых веществ лежит в пределах 10000 - 22000 К.

Если в диэлектрике ток обусловлен передвижением разнородных ионов, выражение (4.2) принимает вид:

В связи с этим кривые логарифмической зависимости удельной проводимости от температуры имеют изломы. При низких температурах электропроводность обусловлена ионизированными примесями, при высоких температурах она становится собственной. В некоторых случаях излом кривой температурной зависимости логарифма удельной проводимости объясняется тем, что ионы основного вещества имеют различные энергии диссоциации.

Практически при рассмотрении зависимостей и  от температуры можно использовать приближенные формулы вида:

где  – удельная объемная проводимость при ;  – удельное объемное сопротивление при ;  – соответствующие температурные коэффициенты.

Собственная электропроводность твердых тел и изменение ее в зависимости от температуры определяются структурой вещества и его составом.

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, для кристалла NaCl удельная проводимость значительно больше, чем для кристаллов MgO или .

B анизотропных кристаллах удельная проводимость неодинакова по разным его осям. Например, в кварце удельная проводимость в направлении, параллельном главной оси, примерно в 1000 раз больше, чем в направлении, перпендикулярном этой оси.

В кристаллических телах с молекулярной решеткой (сера, алмаз) удельная проводимость мала и определяется в основном примесями.

У твердых пористых диэлектриков при наличии в них влаги даже в ничтожных количествах значительно увеличивается удельная проводимость. Высушивание материалов повышает их электрическое сопротивление, но при нахождении высушенных материалов во влажной среде сопротивление вновь уменьшается.

Наиболее заметное снижение удельного объемного сопротивления под влиянием влажности наблюдается у пористых материалов, которые содержат растворимые в воде примеси, создающие электролиты с высокой проводимостью. Для уменьшения влагопоглощения и влагопроницаемости пористые изоляционные материалы подвергают пропитке.

При больших напряженностях электрического поля необходимо учитывать возможность появления в твердых диэлектриках электронного тока, быстро возрастающего с увеличением напряженности поля, в результате чего наблюдается отступление от закона Ома.

4.2. Поверхностная электропроводность твердых диэлектриков

Поверхностная электропроводность обусловлена наличием влаги, загрязнениями и различными дефектами поверхности диэлектрика. Вода обладает значительной проводимостью. Достаточно тонкого слоя влаги на поверхности диэлектрика, чтобы обнаружить заметную проводимость, которая определяется в основном толщиной этого слоя.

Однако, поскольку сопротивление адсорбированной пленки влаги связано с природой материала, на поверхности которого она находится, удельную поверхностную проводимость обычно рассматривают как свойство самого диэлектрика.

Адсорбция влаги на поверхности диэлектрика находится в тесной зависимости от относительной влажности окружающей среды. Поэтому относительная влажность является решающим фактором, определяющим значение удельной поверхностной проводимости диэлектрика.

Удельная поверхностная проводимость тем ниже, чем меньше полярность вещества и чем чище поверхность диэлектрика. Причем наличие загрязнений на поверхности относительно мало сказывается на удельной поверхностной проводимости гидрофобных диэлектриков и сильно влияет на проводимость гидрофильных диэлектриков.

К первым в основном относятся неполярные диэлектрики, чистая поверхность которых не смачивается водой, ко вторым – полярные и ионные диэлектрики со смачиваемой поверхностью. Наиболее значительное увеличение удельной поверхностной проводимости имеет место у полярных диэлектриков, частично растворимых в воде, у которых на поверхности образуется пленка электролита. Кроме того, к поверхности полярных диэлектриков могут прилипать различные загрязнения, также приводящие к росту поверхностной проводимости. Высокой поверхностной проводимостью обладают и объемно-пористые материалы, так как процесс поглощения влаги в глубь материала стимулирует также и образование ее пленки на поверхности диэлектрика.

С целью уменьшения поверхностной проводимости применяют различные приемы очистки поверхности – промывку спиртом, водой с последующей просушкой и т. п. Наиболее эффективной очисткой поверхности достаточно нагревостойкого изделия, не впитывающего воду, является продолжительное кипячение в дистиллированной воде. Покрытие керамики и стекол пленками кремнийорганических лаков способствует сохранению низкой поверхностной проводимости изделий во влажной среде.
Заключение

Диэлектрики находят широкое применение в научной и технической сфере, в частности, они используются при производстве низковольтных и высоковольтных конденсаторов, применяются в вычислительной технике и оптике. Также диэлектрики применяют в приборостроении, электротехнике, радиотехнике, опто-, микроэлектронной и лазерной технике. В зависимости от назначения различают электроизоляционные (пассивные) и управляемые (активные) диэлектрики. В качестве электроизоляц. материалов используют прир. диэлектрики -вакуумное пространство, чистую воду, воздух, др. газы; нефтяные масла (трансформаторное, конденсаторное), др. продукты переработки нефти; лаки на основе льняного и тунгового масел; древесину, изделия на основе целлюлозы (бумагу, картон, ткани), натуральный шелк, каучук, парафины, церезин, минералы (алмаз, кварц, слюда, сера, асбест, мрамор и др.), а также искусств. диэлектрики - полимеры, стекла, ситаллы, сапфир, керамику и др. В зависимости от применения и условий эксплуатации диэлектрик должен обладать совокупностью необходимых мех. св-в: твердостью, гибкостью, эластичностью, большим сопротивлением на разрыв. Электроизоляц. материалы могут подвергаться воздействию высоких или, наоборот, низких т-р, света, влаги, окислителей, жидких нефтепродуктов и т. п. В каждом из этих случаев подбирают диэлектрики, обладающие соответствующим строением и физ.-хим. св-вами. В качестве управляемых диэлектриков используют сегнетоэлектрики (титанат бария, ниобат лития, сегнетокерамика и др.). В микроэлектронных устройствах на полупроводниках, в частности больших и сверхбольших интегральных схемах на кремнии и арсениде галлия, используются в качестве как пассивных, так и активных элементов тонкие (0,002-2,0 мкм) аморфные диэлектрич. пленки SiO2, Si3N4, бор- и фосфорсиликатных стекол. Перспективными являются диэлектрич. пленки оксида алюминия, нитридов бора и галлия.

При применении диэлектриков — одного из наиболее обширных классов электротехнических материалов — довольно четко определилась необходимость использования как пассивных, так и активных свойств этих материалов.

Список литературы