Електропровідність діелектриків - студопедія
Провідність діелектриків хоча і дуже мала в порівнянні з провідністю провідників, але не дорівнює нулю. У технічних діелектриках завжди є невелика кількість вільних зарядів, які переміщаються в електричному полі. Однак правильно визначити струм через діелектрик (або опір діелектрика) не так просто, так як струм залежить від часу.
Провідність діелектрика прийнято визначати по наскрізного струму. Однак одночасно йде поляризація діелектрика, виникає струм заряду ємності (струм зміщення), внаслідок чого може створитися неправильне уявлення про великий провідності.
Електропровідність діелектрика також залежить від агрегатного стану: газоподібний, рідкий, твердий діелектрик.
Електропровідність газів. Гази при невеликих значеннях напруженості електричного поля мають виключно малої електропровідністю. Струм в газах може виникнути тільки при наявності в них іонів або вільних електронів. Іонізація нейтральних молекул газу виникає в результаті двох процесів:
1) під дією зовнішніх чинників;
2) внаслідок зіткнень заряджених частинок з молекулами (в сильних полях).
Зовнішніми факторами, що викликають іонізацію газу, є, наприклад, фотони з енергією Wф> Wвих. Достатню енергію мають ультрафіолетові і космічні промені, а також радіоактивне випромінювання.
На рис.3. приведена залежність щільності струму від напруженості електричного поля j = f (E) для газоподібного діелектрика.
Рис.3. Залежність щільності струму в газі від напруженості
На початковій ділянці (до напруженості Е1) залежність близька до лінійної. Тут запас позитивних і негативних іонів достатній. При напруженості Е1 настає насичення, т. Е. Все утворилися іони йдуть до електродів, і подальше збільшення напруженості не приводить до зростання щільності струму. При збільшенні напруженості щільність струму залишається постійною лише до тих пір, поки іонізація здійснюється під дією зовнішніх фактів.
Однак вже при напруженості Єї щільність струму знову починає зростати, швидше, ніж за законом Ома. Це пояснюється тим, що електрони між зіткненнями набирають достатню кінетичну енергію
(W = g E # 955; ≥ Wвих), і починається ударна іонізація. В результаті кількість заряджених частинок швидко збільшується, і при подальшому збільшенні напруженості настає пробою діелектрика. Для повітря при нормальних умовах процес ударної іонізації настає при напруженості Єї ≈ 10 кВ / см.
Електрична провідність газів в звичайних умовах експлуатації не залежить від температури.
Електропровідність рідких діелектриків. У рідких діелектриків електропровідність сильно залежить від двох основних причин:
1) наявність домішок;
2) будови молекул (неполярная або полярна).
У неполярних рідинах число носіїв заряду в одиниці об'єму невелика і провідність мала, якщо в них немає домішок. Рідкі діелектрики легко забруднюються. Вода - найпоширеніше «забруднення», яке збільшує електропровідність рідини. Вона може бути в трьох станах:
а) в молекулярно-розчиненому;
б) у вигляді емульсії, т. е. у вигляді дрібних крапельок, що знаходяться в діелектрику в підвішеному стані;
в) у вигляді надлишкової води (надлишкова вода в трансформаторному маслі збирається на дні, а в соволом - на поверхні).
Електропровідність рідкого діелектрика, що не має ніяких домішок і забруднень, іонна.
Полярні рідини завжди мають підвищену провідність в порівнянні з неполярними рідинами, причому, чим більше діелектрична проникність діелектрика, тим вище дисоціація і провідність. Сильно полярні рідини (наприклад, вода) відрізняються настільки високою провідністю, що розглядаються вже не як рідкі діелектрики, а як провідники з іонною провідністю.
Неполярні діелектрики менше схильні до дисоціації, у них менше електропровідність.
Питома провідність будь-якої рідини залежить від температури. Для вузького інтервалу температур з достатнім ступенем точності може бути застосована формула # 947; = # 947; про exp (# 945; · t), де # 947; про і # 945; - постійні величини для даної рідини.
До напруженості Е> 100 - 1 000 кВ / см ток підкоряється закону Ома, а потім закон Ома порушується, починається процес іонізації.
Електропровідність твердих діелектриків. Повна провідність твердого діелектрика, відповідна опору його ізоляції, складається з об'ємної і поверхневої провідності. Такий поділ викликано тим, що поверхня діелектрика, що працює в забрудненій атмосфері промислових підприємств, адсорбує воду, пил, гази та інші речовини, тим самим сильно знижуючи повне опір діелектрика.
Об'ємна електропровідність твердих діелектриків обумовлюється пересуванням як іонів самого діелектрика, так і іонів домішок. Температурна залежність питомої провідності твердого діелектрика з домішками має вигляд
# 947; = A1 exp + A2 exp,
де А1 і W1 - параметри, що характеризують примесную провідність;
А2 і W2 - параметри, що характеризують власну провідність;
k - постійна Больцмана; Т - абсолютна температура.
В порівняно слабких полях (до напруженості Е1) провідність не залежить від напруженості електричного поля, дотримується закон Ома. У сильних полях починається ударна іонізація електронів, і провідність різко зростає.
У гігроскопічних матеріалів об'ємна провідність залежить від вологості. Наявність в них вологи, навіть у незначних кількостях, різко збільшує провідність (зменшує опір). У деяких діелектриків, що не володіють об'ємної вологопоглинання, об'ємна провідність не залежить від вологості (наприклад, у кераміки).
Поверхнева електропровідність визначається здатністю поверхні діелектрика адсорбувати забруднюючі компоненти. Особливо сильно на електропровідність впливає волога. Іноді досить найтоншого шару вологи на поверхні, щоб істотно зменшити питомий поверхневий опір # 961; s.
Всі тверді діелектрики можна поділити на гідрофільні і гідрофобні. У гідрофобних матеріалів поверхневий опір мало залежить від вологості. У гідрофільних матеріалів волога розподіляється тонким безперервним шаром по всій поверхні, в ній розчиняються інші забруднення, і питомий поверхневий опір різко знижується.
Полярні діелектрики характеризуються більш низькими значеннями питомого поверхневого опору, помітно зменшуються у вологому середовищі. Особливо різке зниження питомої поверхневого опору можна спостерігати у полярних діелектриків, частково розчинних у воді, у яких на поверхні утворюється плівка електроліту. Крім того, до поверхні полярних діелектриків краще прилипають різні забруднення, також призводять до зниження питомої поверхневого опору.