Электропроводность диэлектриков. Поляризация диэлектриков

     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) :

включающего в себя мгновенные (электронное, ионное) и замедленные смещения зарядов. На рис. 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 – приложенное напряжение; – наблюдаемый ток утечки; – сумма токов, вызванных замедленными механизмами поляризации, ток абсорбции. 

Рис. 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 – объемное сопротивление, ; – площадь электрода, ; – 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 , отстоящими друг от друга на расстоянии (рис. 2).

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

Рис. 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. 4.1. 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.

     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 (рис. 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 :

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

     При относительно невысоких напряженностях электрического поля концентрация носителей заряда и подвижность  не зависят от , т. е. скорость их перемещения  пропорциональна напряженности поля:  – 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  – общее число ионов в ;  – энергия диссоциации;  – 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 (1.1) и объединяя постоянные ,  и  одним коэффициентом , 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  для твердых веществ лежит в пределах 10000 - 22000 К.

     Если  в диэлектрике ток обусловлен передвижением разнородных ионов, выражение (1.2) 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  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  удельная проводимость значительно больше, чем для кристаллов  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. 
 
 
 
 
 
 
 
 

   1.4.1. 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.