Электропроводность диэлектриков

Все диэлектрики, хотя и в незначительной степени, обладают электропроводностью.

В отличие от проводников у диэлектриков наблюдается изменение тока со временем (рис. 5-9) вследствие спадания тока абсорбции. Последний обусловлен наличием релаксационных поляризаций в диэлектрике. С некоторого момента под воздействием постоянного тока в диэлектрике устанавливается только ток проводимости. Величина последнего определяет проводимость диэлектрика.

Рис. 5-9. Зависимость величины тока в диэлектрике от времени.

В газообразных диэлектриках (воздух, азот, водород и др.) ток проводимости обусловлен направленным перемещением положительно и отрицательно заряженных ионов и электронов.

В жидких диэлектриках ток проводимости создается ионами и электрически заряженными коллоидными частицами (молионы). Источником ионов являются различные примеси в диэлектрике: вода, органические кислоты и т. п. В полярных электроизоляционных жидкостях на ионы могут диссоциировать молекулы самого жидкого диэлектрика. Электропроводность полярных электроизоляционных жидкостей всегда несколько выше электропроводности нейтральных жидких диэлектриков.

Рис. 5-10. Зависимость проводимости жидкого диэлектрика от температуры.

В электроизоляционных технических жидкостях наблюдается также молионная или электрофоретическая (электрофорез) электропроводность. В этом случае ток проводимости обусловлен направленным перемещением электрически заряженных коллоидных частиц различных примесей: воды, смолистых веществ и др. Коллоидные частицы различных загрязнений перемещаются в электроизоляционной жидкости под действием электрического поля. С повышением температуры жидкого диэлектрика его вязкость падает и направленное перемещение ионов и молионов облегчается. Электропроводность жидких диэлектриков возрастает (рис. 5-10) по экспоненциальному закону

где jо и А - постоянные величины, зависящие от состава жидкого диэлектрика; Т - абсолютная температура.

С ростом напряжения, приложенного к жидкому диэлектрику, изменение тока проводимости (рис. 5-11) носит приблизительно такой же характер, как и у газообразных диэлектриков. В тщательно очищенных электроизоляционных жидкостях отчетливо наблюдается область насыщения. Понижение электропроводности жидких диэлектриков достигается их тщательной очисткой (фильтрование, сушка, обработка адсорбентами и др.).

Рис. 5-11. Зависимость величины тока от напряжения в жидком диэлектрике.

В твердых диэлектриках электропроводность складывается из ионной и электронной электропроводностей, причем электронная электропроводность, как правило, наблюдается в сильных электрических полях.

Ток проводимости в твердых диэлектриках обусловливается направленным перемещением ионов примесей и ионов самого диэлектрика. В диэлектриках с атомными и молекулярными решетками ток проводимости обусловлен только ионами различных примесей. У таких диэлектриков (парафин, полиэтилен, политетрафторэтилен и др.) электропроводность весьма мала, и эти материалы обладают большими значениями удельного объемного и поверхностного со-противлений: . Такими же большими удельными сопротивлениями обладают высокополимерные аморфные диэлектрики, например, полистирол, полипропилен, у которых ток проводимости обусловлен преимущественно ионами примесей.,

С течением времени ионная проводимость твердого диэлектрика понижается в связи с уменьшением количества ионов примесей, которые, дойдя до электродов, нейтрализуют свои заряды. В ионных кристаллических диэлектриках (слюда и др.) ток проводимости составляют не только ионы примесей, но ионы самой кристаллической решетки. Последние могут быть сорваны электрическим полем с мест, где они были слабо закреплены (междуузлия), а также из узлов кристаллической решетки при одновременном воздействии на нее электрического поля и высокой температуры.

В аморфных диэлектриках (неорганические стекла) ионная электропроводность обусловлена электролизом различных окис-лов, входящих в состав самих стекол. Особенно сильно повышается электропроводность стекол при содержании в них окислов одновалентных металлов (Na20; К2О и др.). Введение же окислов двухвалентных металлов (ВаО; СаО и др.) приводит к снижению электропроводности в стеклах.

Проводимость стекол и других твердых диэлектриков показывает заметную зависимость от температуры:

где А и В - постоянные, зависящие от состава и структуры твердого диэлектрика; величина В для твердых диэлектриков находится в пределах 10 000-22 000; Т - абсолютная температура, К.

Проводимость твердых кристаллических диэлектриков с ионными связями хорошо описывается двучленной формулой

Первый член этой формулы исчезающе мал при низких температурах, а второй - исчезающе мал при высоких температурах!

В ионных кристаллических диэлектриках ток проводимости обусловлен перемещением ионов одного знака. Так, в кристалле NaCl под действием электрического поля движутся только положительно заряженные ионы натрия (Na+). При высоких температурах в токе проводимости принимают участие и ионы другого знака. В этом предположении зависимость

дает ломаную прямую (рис. 5-12). Более крутой подъем указывает на то, что ток проводимости (в области высоких температур) создается ионами обоих знаков.

Рис.5-12 Зависимость для ионных кристаллических диэлектриков.

В области сильных электрических полей в твердых диэлектриках наблюдается также электронная проводимость, которая изменяется согласно выражению

где - проводимость в конце области насыщения; b - коэффициент, зависящий от температуры.

В области очень сильных электрических полей (предпробойная область) электропроводность твердых кристаллических диэлектриков более точно описывается формулой Я. И. Френкеля

где k-постоянная Больцмана; е - заряд электрона; - диэлектрическая проницаемость материала; Е - напряженность электрического поля.

При высоких температурах может наблюдаться также вхождение электронов в твердый диэлектрик с поверхности металлических электродов.

Дополнительно по теме