Материал: Учебное пособие ЭТМ

щелочей и т. д.), т. е. все диэлектрические материалы способны в той или иной степени проводить электрический ток.

Природа носителей зарядов в диэлектриках

Природа носителей зарядов в диэлектриках различна в слабых и сильных электрических полях. Различны и механизмы электропроводности диэлектриков в разных агрегатных состояниях.

В газах свободные носители возникают под действием: внешних ионизирующих факторов (космических, радиоактив-

ных, рентгеновских излучений и высоких температур); внутренних факторов (ударная ионизация под воздействием

электрического поля).

В диэлектрических жидкостях электропроводность обусловлена: ионами примесей (неполярные жидкости); диссоциацией молекул самого диэлектрика (полярные жидко-

сти);

молионами (коллоидными системами), представляющими собой заряженные молекулы.

В твердых веществах носителями заряда являются: ионы примесей;

слабосвязанные ионы и ионные вакансии самого материала (в керамических материалах и стеклах);

свободные электроны и дырки (возникают крайне редко в некоторых видах керамики и полимеров при определенных внешних воздействиях).

Резюме: электропроводность диэлектриков не является величиной постоянной и зависит помимо агрегатного состояния от наличия и количества ионогенных примесей, температуры, влажности, давления, величины напряженности электрического поля и т. д. При изучении электропроводности необходимо учитывать старение электрической изоляции — необратимое ухудшение диэлектрических характеристик материала в процессе его эксплуатации.

48

Удельная проводимость диэлектриков

Под действием внешнего электрического поля свободные и слабосвязанные носители зарядов будут перемещаться по направлению к электродам противоположного знака. Средняя скорость направленного движения носителей в направлении поля называется скоростью

дрейфа ( мс ):

Скорость дрейфа зависит от массы носителя. Максимальной подвижностью обладают электроны, так как их масса минимальна.

Плотность тока в веществе определяется следующей формулой:

Если в процессе электропереноса участвуют различные носители, то электропроводность диэлектрика определяется, как сумма электропроводностей отдельных типов частиц:

i=1

49

Особенности электропроводности диэлектриков

По сравнению с электропроводностью проводников и полупроводников электропроводность диэлектриков имеет ряд особенностей. Во-первых, характерной особенностью электропроводности диэлектриков является постепенное спадание тока со временем после подключения постоянного напряжения (рис. 4.5). Уменьшающаяся со временем часть тока называется абсорбционным током (Iабс). В зависимости от вида поляризации различают токи смещения упругосвязанных зарядов (Iсм э.и.) электронной и ионной поляризации и токи смещения замедленных, релаксационных видов поляризации (абсорбционные), например, дипольной (Iабс).

Неизменная часть тока называется сквозным током (Iскв).

Таким образом, ток через диэлектрик равен сумме токов смещения электронной и ионной поляризации, абсорбционных и сквозных токов.

Рис. 4.5. Зависимость тока в твердом диэлектрике от времени приложения напряжения

После установления процесса поляризации в диэлектрике имеет место только сквозной ток. Удельная электропроводность диэлектрика определяется по сквозному току:

где S — электродная поверхность диэлектрика.

50

В заводских условиях удельная электропроводность диэлектрика или удельное сопротивление определяется на постоянном напряжении спустя одну минуту после подачи напряжения.

Сопротивление изоляции определяется как:

изол Iскв

Удельное объемное и поверхностное сопротивления

Обратной величиной удельной электропроводности является удельное объемное электрическое сопротивление ρv, численно равное сопротивлению куба из исследуемого материала с ребром 1 м, через который проходит электрический ток от одной грани куба к противоположной.

Для плоского образца диэлектрика (рис. 4.6) величина удельного объемного сопротивления определяется:

Рис. 4.6. К определению величины ρv

Удельное поверхностное сопротивление ρs, численно равно сопротивлению квадрата любого размера на поверхности материала при прохождении электрического тока через две его противоположные стороны.

Для плоского образца диэлектрика (рис. 4.7) величина удельного поверхностного сопротивления определяется:

51

где Rs — поверхностное сопротивление образца; h — ширина электрода; l — расстояние между электродами.

Рис. 4.7. К определению величины ρs

Основной причиной появления поверхностной проводимости является влага, оседающая на поверхности диэлектрика.

Полная проводимость твердого диэлектрика, соответствующая его сопротивлению изоляции складывается из его объемной и поверхностной проводимости.

Сопротивление изоляции вычисляется по следующей формуле:

Характер электропроводности существенно различен в газах, жидкостях и твердых телах.

Электропроводность газов

Атомы и молекулы газов являются нейтральными частицами, но в земной атмосфере на эти частицы действуют ионизирующие факторы: ультрафиолетовое излучение, космические лучи, радиоактивное излучение земли. При этом образуются электроны и положительные ионы. В земной атмосфере электроны прилипают к электроотрицательным молекулам (кислород, пары воды), и образуются отрицательные ионы. Зависимость тока от напряжения для газов имеет три выраженных участка (рис. 4.8).

В области очень слабых полей от 0 до Uн основную роль играет рекомбинация ионов. При этом происходит насыщение, ток прямо пропорционален проложенному напряжению (выполняется закон Ома).

52