Електропровідність рідких діелектриків

Електропровідність рідких діелектриків залежить від багатьох чинників: будови молекул, температури, наявності домішок, наявності великих заряджених колоїдних частинок і інших чинників.

Електропровідність неполярних рідин залежить від наявності дисоційованому домішок і вологи. У полярних рідинах електропровідність створюється крім прімесейдіссоціірованнимі іонами самої рідини. Полярні рідини мають підвищену провідність в порівнянні з неполярними. З підвищенням діелектричної проникності провідність зростає. Послуги з очищення рідин від домішок зменшує їх провідність.

Питома провідність рідкого діелектрика експоненціально залежить від температури і виражається рівнянням

де А і a - постійні, що характеризують рідина.

Зростання провідності рідини з ростом температури викликається зменшенням її в'язкості, що призводить до зростання рухливості іонів, і зростанням ступеня дисоціації.

В області слабких полів ток в рідких діелектриках описується законом Ома. На відміну від газів в залежності струму від напруги рідкого діелектрика зазвичай не має ділянку насичення, хоча він може з'явитися при високому ступені очищення рідини. В області високих полів, що перевищують 10 - 100 МВ / м, закон Ома порушується в результаті збільшення числа іонів, що рухаються під впливом поля.

Електропровідність твердих діелектриків

Обумовлена, як пересуванням іонів самого діелектрика, так і іонів домішок, а у деяких матеріалів і наявністю вільних електронів. Електронна електропровідність спостерігається при сильних електричних полях. При низьких температурах пересуваються слабо закріплені іони і іони домішок, а при високих температурах рухаються термічно звільняються іони кристалічної решітки. Іонна електропровідність, на відміну від електронної, супроводжується перенесенням речовини.

Температурна залежність питомої провідності твердих діелектриків описується виразом

де W - енергія активації носіїв заряду, k - постійна Больцмана.

Для кам'яної солі енергія активації іонів натрію 0,85 еВ, іонів хлору 2,5 еВ, електронів 6,0 еВ.

Кристали з одновалентними іонами, наприклад NaCl, мають більшу провідність в порівнянні з кристалами з багатовалентними іонами MgO, Al2 O3.

При великих напряженностях (вище 10 - 100 МВ / м) електричного поля в кристалічному діелектрику з'являється значний електричний струм, швидко зростаючий з ростом напруженості поля, що приводить до порушення закону Ома.

Об'ємне і поверхневий опір

Якщо до діелектрика прикласти постійну напругу, то по ньому буде протікати струм витоку. Постійна складова цього струму називається наскрізним струмом і може бути представлена ​​у вигляді двох складових: поверхневого наскрізного струму, що протікає по тонкому електропровідними шару вологи з розчиненими в ній речовинами, утвореними в результаті взаємодії із середовищем, і об'ємного наскрізного струму, тобто струму, що проходить через обсяг матеріалу.

Цим двом складовим струму відповідають два опору: поверхневий електричний опір діелектрика Rs - відношення прикладеної напруги до поверхневого току, і об'ємний електричний опір діелектрика R - відношення прикладеної напруги до об'ємного струму. Відповідно, зворотні цим опорам величини називаються поверхневої і об'ємної провідності. Ці характеристики діелектрика залежать як від матеріалу діелектрика, так і від геометричних розмірів зразка.

Більш зручними в застосуванні є питомі поверхневе і об'ємне опору. Питомий об'ємний опір r [Ом · м] - це величина, що дорівнює відношенню напруженості електричного поля E всередині зразка до щільності струму J, що проходить через обсяг зразка.

Під питомою поверхневим опором rs [Ом] розуміють поверхневий опір плоского ділянки поверхні твердого діелектрика в формі квадрата при протіканні електричного струму між двома протилежними сторонами цього квадрата.

ПРОБІЙ ДІЕЛЕКТРИКІВ, різке зростання електропровідності діелектрика в електричному полі, напруженість якого перевищує т. Н. електричну міцність освіту провідного каналу в діелектрику. Пробій діелектриків може супроводжуватися їх руйнуванням.

Мінімальна прикладена до діелектрика напруга, що приводить до його пробою, називають пробивним напругою Uпр.

Предпробойное стан діелектрика характеризується різким зростанням струму, відступом від закону Ома в бік збільшення провідності.

Значення пробивної напруги залежить від товщини діелектрика h і форми електричного поля, зумовленої конфігурацією електродів і самого діелектрика. Тому воно характеризує не стільки властивості матеріалу, скільки здатність конкретного зразка протистояти сильному електричному полю. Для порівняння властивостей різних матеріалів зручнішою характеристикою є електрична міцність. Електричною міцністю називають мінімальну напруженість однорідного електричного поля, що приводить до пробою діелектрика:

Якщо пробою стався в газоподібному діелектрику, то завдяки високій рухливості молекул пробитий ділянку після зняття напруги відновлює свої електричні властивості. Пробій твердих діелектриків закінчується руйнуванням ізоляції. Однак руйнування матеріалу можна попередити, обмеживши наростання струму при пробої допустимою межею.

Пробій діелектриків може виникати в результаті чисто електричних, теплових, а в деяких випадках і електрохімічних процесів, обумовлених дією електричного поля. Механізми пробою діелектриків залежать і від агрегатного стану речовини.

Електричний пробій - лавинний пробій, пов'язаний з тим, що носій заряду на довжині вільного пробігу набуває енергію, достатню для іонізації молекулкрісталліческой решітки або газу і збільшує концентрацію носіїв заряду. При цьому створюються вільні носії заряду (збільшується концентрація електронів), які вносять основний вклад в загальний потік. Генерація носіїв відбувається лавиноподібно. Розрізняють поверхневий пробій і об'ємний пробою діелектриків. У напівпровідників існує різновид поверхневого пробою, так званий шнурової ефект.

Пробій буває і корисним, і шкідливим. Наприклад, пробій ізолятора на лінії високої напруги є серйозною аварійною ситуацією, а відсутність пробою бензоповітряної суміші на свічці в двигуні внутрішнього згоряння не дозволяє запустити двигун.

Електротеплової (сокращеннотепловой) пробою зводиться до розігріву матеріалу в електричному полі до температур, відповідних хоча б місцевої втрати їм іншого електричного властивостей, пов'язаної з надмірним зростанням наскрізний електропровідності або діелектричних втрат. Пробивна напруга при тепловому пробої залежить від ряду факторів: частоти поля, умов охолодження, температури навколишнього середовища та ін. Крім того, напруга теплового пробою пов'язане з нагревостойкостью матеріалу. Органічні діелектрики внаслідок малої нагревостойкости при інших рівних умовах мають більш низькі значення пробивних напруг при тепловому пробої, ніж неорганічні. При розрахунках напруги теплового пробою повинні прийматися до уваги тангенс кута діелектричних втрат діелектрика і його залежність від температури, а також діелектрична проникність матеріалу. У ланцюгах змінного струму низької частоти знаходять застосування матеріали, що дають різке зростання тангенса кута діелектричних втрат вже при нагріванні вище 20 ... 30 ° С; з іншого боку, відомі діелектрики, значення тангенса кута діелектричних втрат яких мало змінюється в дуже широкому інтервалі температур, аж до 150 ... 200 ° С. В останньому випадку тепловий пробій зможе розвиватися тільки при досягненні цих температур.

Електрохімічний пробій ізоляційних матеріалів має особливо важливе значення при підвищених температурах і високій вологості повітря. Цей вид пробою спостерігається при постійному і змінному напрузі низької частоти, коли в матеріалі розвиваються електролітичні процеси, що зумовлюють необоротне зменшення опору ізоляції.

Таке явище часто називають також старінням діелектрика в електричному полі, оскільки воно призводить до поступового зниження електричної міцності, який закінчується пробоєм при напруженості поля, значно меншою пробивної напруженості, отриманої при короткочасному випробуванні.