ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ДИЭЛЕКТРИКОВ n n В момент включения

ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ДИЭЛЕКТРИКОВ

n n В момент включения и выключения постоянного электрического поля через диэлектрик электрического конденсатора протекает обусловленный быстрыми видами поляризаций ток смещения Iсм за время около 10 - 15 с. В неполярных однородных диэлектриках затем устанавливается ток сквозной проводимости - Iскв. В начальный момент времени и при выключении постоянного поля через полярные и неоднородные диэлектрики протекает также ток абсорбции - Iабс, причиной которого являются замедленные (релаксационные) поляризации.

n Во многих диэлектриках, используемых в качестве электрической изоляции, Iскв устанавливается за время меньшее 1 мин. В переменном электрическом поле через диэлектрик протекают все, характерные для него виды токов.

n Сквозной ток - Iскв (ток утечки) обусловлен наличием в диэлектриках, указанных в табл. 1 свободных носителей заряда различной природы.

Таблица 1 Носители заряда (область слабых полей) Природа носителей заряда (происхождение) Положительные и отрицательные ионы Ионизация молекул газа В сильных полях также электроны Вид диэлектрика Главным образом ударная ионизация и фотоионизация молекул газа Газообразные Ионы Жидкие Коллоидные заряженные частицы Диссоциация молекул примесей (реже собственных молекул) Характерны для коллоидных растворов - эмульсий (коллоидные частицы - жидкость) и суспензий (взвешенное фаза твердое вещество)

Ионы Твердые Диссоциация примесей или собственных молекул Точечные дефекты кристаллической решетки: вакансии (пустые узлы), межузельные ионы Зависят от структуры кристаллического диэлектрика Электроны проводимости или дырки в заполненной зоне В диэлектриках с электронным механизмом проводимости

n В постоянном электрическом поле токи абсорбции могут устанавливаться в течение длительного времени в зависимости от типа диэлектрика и механизма поляризации. Уменьшение тока Iабс может наблюдаться в течение минут или даже часов. После исчезновения тока абсорбции через диэлектрик будет протекать только ток Iскв. При расчете сопротивления изоляции на постоянном напряжении необходимо расчет вести по току сквозной проводимости Iскв, исключая токи абсорбции. Механизмы возникновения и уменьшения тока абсорбции показаны в табл. 2.

Таблица 2 Условия возникновения Iабс При ионной проводимости наличие блокирующих контактов с электродами (БК) Механизм или причина уменьшения проводимости БК препятствуют прохождению носителей заряда через границу электрод-диэлектрик или разряду носителей, подходящих из объема диэлектрика на границе с электродом. Неоднородная структура диэлектрика Накопление заряда на границах раздела, что вызывает перераспределение электрического поля. Ионная или молионная проводимость в жидком диэлектрике Необратимое удаление носителей заряда и разрядка их на электродах (электроочистка) Инжекция электронов или дырок в диэлектрик Захват носителей заряда на ловушки (дефекты решетки) и исключение их из процесса переноса тока Наличие в диэлектрике замедленной поляризации Установление релаксационной поляризации с течением времени

Общее выражение для удельной объемной электропроводности n В общем случае без учета природы носителей заряда для однородного и изотропного вещества объемная плотность тока будет пропорциональна напряженности поля Е j = γυ E,

где γυ - удельная объемная проводимость вещества. Эта формула представляет собой закон Ома в дифференциальной форме. n Для оценки параметров диэлектриков обычно используют величину обратную γυ - удельное объемное сопротивление n ρυ = 1/γυ

n n Плотность тока можно выразить также как произведение n • q на υ, где n - концентрация носителей заряда, q - величина заряда, а υ - средняя скорость носителей заряда вдоль направления Е. j=nqυ Или получим γυ = n q υ / E.

Отношение υ к Е называется подвижностью носителей заряда n μ = υ / E ( n Получим n γυ = n q μ n

n n n Для диэлектрика плоского конденсатора с поперечным сечением S, равным площади каждого электрода и толщиной диэлектрика d, (расстояние между электродами) ρυ = R S / d В системе СИ рассмотренные в формулах параметры выражаются в следующих единицах: j - А/м 2; E - В/м; n - м-3; q - Кл; υ м/с; μ - м 2/В • с; ρ - Ом • м; γ- 1/Ом • м.

Поверхностное сопротивление твердых диэлектриков n n Если на поверхность диэлектрика нанести полоски электродов шириной b, разместив их на расстоянии a друг от друга, то удельное поверхностное сопротивление ρs будет пропорционально поверхностному сопротивлению Rs, b и обратно пропорционально a, т. е. ρs = Rs b / a

Электропроводность газообразных диэлектриков

Электропроводность жидких диэлектриков n n Основную роль в жидких диэлектриках играют два типа электропроводности: ионная и молионная (катафоретическая). В неполярных и слабополярных жидкостях носителями заряда в основном являются ионы, возникающие при диссоциации молекул примесей. Степень диссоциации (отношение числа диссоциированных молекул к общему числу молекул жидкости) зависит от химической природы примесей, концентрации и диэлектрической проницаемости. Степень диссоциации возрастает с увеличением ε. Собственная электропроводность наблюдается при диссоциации молекул жидкости с ионным характером связи.

n n Электронная электропроводность может наблюдаться в сильных полях при эмиссии электронов с катода в тщательно очищенных от примесей жидкостях. Молионная электропроводность характерна для коллоидных растворов, например, для многих электроизоляционных лаков в неотвержденном состоянии, содержащих мелкодисперсный наполнитель, пигмент и др. Знак заряда частицы будет положительным, если диэлектрическая проницаемость частиц - больше ε растворителя и наоборот. Такие заряженные частицы называют молионами.

Удельное сопротивление жидкостей уменьшается с ростом температуры по экспоненциальному закону n ρ = B • e. W/k. T, n где В - константа, W - энергия диссоциации, k - постоянная Больцмана. По аналогичному закону изменяется и вязкость жидкости. n

n Для неполярных жидкостей (бензол, трансформаторное масло) ρ > 1010 - 1013 Ом • м, для слабополярных (совол, касторовое масло) ρ = 108 - 1010 Ом • м, для сильнополярных (дистиллированная вода, этиловый спирт, ацетон) ρ = 103 - 105 Ом • м. Закон Ома в жидкостях нарушается в сильных полях. Возможные причины: диссоциация молекул жидкости, приводящая к резкому росту концентрации ионов; увеличение подвижности ионов; автоэлектронная эмиссия электронов с катода в тщательно очищенных жидкостях.