Чем вызвана электропроводность диэлектриков

Электропроводность диэлектриков

ЛЕКЦИЯ №4

Проводимость диэлектриков хотя и очень мала по сравнению с проводимостью проводников, но не равна нулю. В технических диэлектриках всегда есть небольшое количество свободных зарядов, которые перемещаются в электрическом поле. Однако правильно определить ток через диэлектрик (или сопротивление диэлектрика) не так просто, так как ток зависит от времени.

Проводимость диэлектрика принято определять по сквозномутоку. Однако одновременно идёт поляризация диэлектрика, возникает ток заряда ёмкости (ток смещения), вследствие чего может создаться неправильное представление о большой проводимости.

Электропроводность диэлектрика также зависит от агрегатного состояния: газообразный, жидкий, твёрдый диэлектрик.

Электропроводность газов. Газы при небольших значениях напряжённости электрического поля обладают исключительно малой электропроводностью. Ток в газах может возникнуть только при наличии в них ионов или свободных электронов. Ионизация нейтральных молекул газа возникает в результате двух процессов:

1) под действием внешних факторов;

2) вследствие соударений заряженных частиц с молекулами (в сильных полях).

Внешними факторами, вызывающими ионизацию газа, являются, например, фотоны с энергией Wф > Wвых. Достаточную энергию имеют ультрафиолетовые и космические лучи, а также радиоактивное излучение.

На рис.3. приведена зависимость плотности тока от напряжённости электрического поля j = f(E) для газообразного диэлектрика.

Рис.3. Зависимость плотности тока в газе от напряжённости

На начальном участке (до напряжённости Е₁) зависимость близка к линейной. Здесь запас положительных и отрицательных ионов достаточный. При напряжённости Е₁ наступает насыщение, т. е. все образовавшиеся ионы уходят к электродам, и дальнейшее увеличение напряжённости не приводит к росту плотности тока. При увеличении напряжённости плотность тока остаётся постоянной лишь до тех пор, пока ионизация осуществляется под действием внешних фактов.

Однако уже при напряжённости Е_и плотность тока опять начинает возрастать, быстрее, чем по закону Ома. Это объясняется тем, что электроны между соударениями набирают достаточную кинетическую энергию

(W = g E λ ≥ Wвых), и начинается ударная ионизация. В результате количество заряженных частиц быстро увеличивается, и при дальнейшем увеличении напряжённости наступает пробой диэлектрика. Для воздуха при нормальных условиях процесс ударной ионизации наступает при напряжённости Е_и ≈ 10 кВ/см.

Электрическая проводимость газов в обычных условиях эксплуатации не зависит от температуры.

Электропроводность жидких диэлектриков.У жидких диэлектриков электропроводность сильно зависит от двух основных причин:

1) наличия примесей;

2) строения молекул (неполярная или полярная).

В неполярных жидкостях число носителей заряда в единице объема невелико и проводимость мала, если в них нет примесей. Жидкие диэлектрики легко загрязняются. Вода –самое распространённое «загрязнение», которое увеличивает электропроводность жидкости. Она может быть в трёх состояниях:

а) в молекулярно-растворённом;

б) в виде эмульсии, т. е. в виде мельчайших капелек, находящихся в диэлектрике во взвешенном состоянии;

в) в виде избыточной воды (избыточная вода в трансформаторном масле собирается на дне, а в соволе – на поверхности).

Электропроводность жидкого диэлектрика, не имеющего никаких примесей и загрязнений, ионная.

Полярные жидкости всегда имеют повышенную проводимость по сравнению с неполярными жидкостями, причём, чем больше диэлектрическая проницаемость диэлектрика, тем выше диссоциация и проводимость. Сильно полярные жидкости (например, вода) отличаются настолько высокой проводимостью, что рассматриваются уже не как жидкие диэлектрики, а как проводники с ионной проводимостью.

Неполярные диэлектрики меньше подвержены диссоциации, у них меньше электропроводность.

Удельная проводимость любой жидкости зависит от температуры. Для узкого интервала температур с достаточной степенью точности может быть применена формула γ = γо exp(α·t), где γо и α – постоянные величины для данной жидкости.

До напряжённости Е > 100 – 1 000 кВ/см ток подчиняется закону Ома, а затем закон Ома нарушается, начинается процесс ионизации.

Электропроводность твёрдых диэлектриков.Полная проводимость твёрдого диэлектрика, соответствующая сопротивлению его изоляции, складывается из объёмной и поверхностной проводимостей. Такое разделение вызвано тем, что поверхность диэлектрика, работающего в загрязнённой атмосфере промышленных предприятий, адсорбирует воду, пыль, газы и другие вещества, тем самым сильно снижая полное сопротивление диэлектрика.

Объемная электропроводность твёрдых диэлектриков обуславливается передвижением как ионов самого диэлектрика, так и ионов примесей. Температурная зависимость удельной проводимости твёрдого диэлектрика с примесями имеет вид

γ = A1 exp+ A2 exp,

где А1 и W1 – параметры, характеризующие примесную проводимость;

А2 и W2 – параметры, характеризующие собственную проводимость;

k – постоянная Больцмана; Т – абсолютная температура.

В сравнительно слабых полях (до напряжённости Е1) проводимость не зависит от напряжённости электрического поля, соблюдается закон Ома. В сильных полях начинается ударная ионизация электронов, и проводимость резко возрастает.

У гигроскопичных материалов объёмная проводимость зависит от влажности. Наличие в них влаги, даже в ничтожных количествах, резко увеличивает проводимость (уменьшает сопротивление). У некоторых диэлектриков, не обладающих объёмной влагопоглощаемостью, объёмная проводимость не зависят от влажности (например, у керамики).

Поверхностная электропроводность определяется способностью поверхности диэлектрика адсорбировать загрязняющие компоненты. Особенно сильно на электропроводность влияет влага. Иногда достаточно тончайшего слоя влаги на поверхности, чтобы существенно уменьшить удельное поверхностное сопротивление ρs.

Все твёрдые диэлектрики можно разделить на гидрофильные и гидрофобные. У гидрофобных материалов поверхностное сопротивление мало зависит от влажности. У гидрофильных материалов влага распределяется тонким непрерывным слоем по всей поверхности, в ней растворяются другие загрязнения, и удельное поверхностное сопротивление резко снижается.

Полярные диэлектрики характеризуются более низкими значениями удельного поверхностного сопротивления, заметно уменьшающимися во влажной среде. Особенно резкое понижение удельного поверхностного сопротивления можно наблюдать у полярных диэлектриков, частично растворимых в воде, у которых на поверхности образуется плёнка электролита. Кроме того, к поверхности полярных диэлектриков лучше прилипают различные загрязнения, также приводящие к снижению удельного поверхностного сопротивления.

Источник

Чем вызвана электропроводность диэлектриков

Общие представления об электропроводности диэлектриков

Сквозной ток I_скв обусловлен смещением свободных носителей заряда.

В момент включения или выключения постоянного электрического поля через диэлектрик электрического конденсатора протекает ток смещения — I_см (рисунок 3.1), обусловленный быстрыми видами поляризации. Токи смещения очень кратковременны и их не удается зафиксировать прибором.

В полярных и неоднородных диэлектриках протекает также ток абсорбции — I_абс, возникающий за счет замедленных поляризаций.

При длительной работе диэлектрика под напряжением падение сквозного тока вызвано электрической очисткой в случае, когда проводимость материала обусловлена ионами посторонних примесей. В случае, когда проводимость материала обусловлена собственными ионами, при длительном приложении напряжения может наблюдаться старение диэлектрика (уменьшение электрического сопротивления).

Рис. 3.1. Временные зависимости токов, протекающих через неполярный диэлектрик при включении и выключении напряжения

При постоянном напряжении абсорбционные токи, меняя свое направление, проходят только в периоды включения и выключения напряжения (рисунок 3.2).

Рис. 3.2. Временные зависимости токов для диэлектрика, в котором возникают токи абсорбции

При переменном напряжении они имеют место в течение всего времени нахождения материала в электрическом поле.

При расчете сопротивления изоляции на постоянном напряжении необходимо расчет вести по току сквозной проводимости I_скв, исключая токи абсорбции.

Удельное объемное сопротивление ( r _v )- численно равно R куба с ребром в 1 м (мысленно выделенного из исследуемого материала), если ток проходит через 2 противоположные грани куба.

h — расстояни е между электродами

Поверхностное сопротивление твердых диэлектриков

Удельное поверхностное сопротивление r _s численно равно сопротивлению квадрата (мысленно выделенного на поверхности исследуемого материала), если ток проходит через 2 противоположные стороны этого квадрата

Поверхностная электропроводность обусловлена наличием влаги, загрязнениями и различными дефектами поверхности диэлектрика.

Сильно увлажняются полярные и пористые диэлектрики. r _s диэлектриков связано с величиной краевого угла смачивания и твердостью диэлектрика. Чем меньше краевой угол и выше твердость, тем ниже r _s увлажненного диэлектрика.

К гидрофобным диэлектрикам относятся неполярные диэлектрики, чистая поверхность которых не смачивается водой, поэтому при помещении диэлектрика во влажную среду его поверхностная электропроводность практически не меняется.

К гидрофильным диэлектрикам относятся полярные и большинство ионных диэлектрики со смачиваемой поверхностью. При помещении диэлектрика во влажную среду его поверхностная электропроводность увеличивается. Кроме того, к поверхности полярных диэлектриков могут прилипать различные загрязнения, также приводящие к росту поверхностной проводимости.

К «промежуточным» диэлектрикам условно относят слабополярные диэлектрики (например, лавсан).

При нагревании увлажненной изоляции r _s может расти с повышением температуры с последующим спадом после высушивания. При низких температурах r _s высушенного материала имеет значительно более высокие значения (на 6-7 порядков выше).

Для увеличения значения r _s диэлектриков пользуются различными приемами: промывкой в кипящей дистиллированной воде или растворителях в зависимости от вида диэлектрика, прогреванием до достаточно высокой температуры, покрытием поверхности влагостойкими лаками, глазурями, размещением изделий в защитных корпусах и оболочках и т.д.

Электропроводность газообразных диэлектриков

В области слабых электрических полей носители заряда в газах появляются в результате воздействия на нейтральные молекулы газа быстрых частиц, квантов света, радиоактивного, ультрафиолетового и других излучений.

В результате часть нейтральных молекул распадается на положительные ионы и электроны. Электроны в большинстве случаев захватываются другими нейтральными молекулами, образуя отрицательные ионы, которые участвуют в общем тепловом движении. Некоторая часть электронов, встречаясь с положительными ионами, рекомбинирует, образуя нейтральные частицы, при этом выделяется рекомбинационное излучение в виде квантов света.

Вольтамперная характеристика газообразного диэлектрика для слабых и средних полей (до 10 6 В/м) приведена на рисунке 3.3.

Рис. 3.3. Вольт-амперная характеристика газообразного диэлектрика:

ab – область слабых полей, закон Ома;

bc – область средних полей, насыщение;

cd – область сильных полей, ударная ионизация.

Несамостоятельная электропроводность осуществляется за счет ионов и электронов, образующихся в результате ионизации, вызванной внешним энергетическим воздействием, таким как космические и солнечные лучи, радиоактивное излучение Земли. На участке cd начинается ударная ионизация молекул электронами. Это область сильных полей (для воздуха Е>10 6 В/м). При напряженности Е_пр газ пробивается (самостоятельный разряд). Возрастание тока при Е > Е_кр (участок cd ) обусловлено увеличением числа носителей заряда в результате электронной ударной ионизации, фотоионизации и холодной эмиссии электронов из катода. При Е_кр наступает пробой, в этом состоянии газ (воздух) утрачивает свои электроизоляционные свойства, так как между электродами образуется плазменный газоразрядный канал проводимости.

Электропроводность жидких диэлектриков

Неполярные и слабополярные жидкости: носители заряда в основном ионы, возникающие при диссоциации молекул примеси.

Степень диссоциации – это отношение числа диссоциированных молекул к общему числу молекул жидкости.

С увеличением e вещества возрастает степень диссоциации, которая также зависит от концентрации примеси.

Диссоциация молекул жидкости с ионным характером связи приводит к собственной электропроводности.

Электронная электропроводность может наблюдаться в сильных полях при эмиссии электронов с катода в очищенных от примесей жидкостях.

Молионная электропроводность – характерна для масел с включениями влаги (воды) и для лаков с мелкодисперсными наполнителями.

Эти заряженные частицы называются молионами.

Удельное сопротивление жидкостей e уменьшается с ростом температуры по экспоненциальному закону

где B – константа, W – энергия диссоциации, k – постоянная Больцмана. По аналогичному закону изменяется и вязкость жидкости.

Удельные проводимости неполярных, слабополярных и сильнополярных жидких диэлектриков приведены в таблице.

Источник

Тема №2. Электропроводность диэлектриков.

Электроизоляционные материалы, применяемые в технике, не являются идеальными диэлектриками в связи с присущей им небольшой электропроводностью.

В диэлектрике протекают абсорбционный ток (iабс), обусловленный смещением связанных зарядов, и сквозной ток (iскв) за счет направленного перемещения свободных носителей зарядов. Ток, протекающий в диэлектрике под действием внешнего электрического поля, называется током утечки (iут).

При приложении к диэлектрику постоянного напряжения величина тока утечки будет убывать по экспоненте до определенного уровня. Данная зависимость обусловлена затуханием процессов поляризации. При приложении к диэлектрику постоянного напряжения ток утечки обусловлен перемещением небольшого числа свободных зарядов (iскв) и токами поляризации (iабс). По мере окончания процессов поляризации абсорбционный ток спадает до нуля и через диэлектрик протекает только сквозной ток.

Данная зависимость справедлива только при постоянном напряжении, поскольку при переменном – поляризационные процессы будут проходить до снятия поля.

При длительной работе диэлектрика под напряжением сквозной ток через жидкие и твердые диэлектрики может уменьшаться или увеличиваться. Уменьшение сквозного тока характеризует увеличение сопротивления изоляции за счет электрической очистки образца. Слабо закрепленные ионы примесей даже в слабых электрических полях ионизируются и постепенно осаждаются на электродах. Увеличение сквозного тока происходит вследствие старения материала, под которым понимают необратимое ухудшение изоляционных свойств (уменьшение сопротивления изоляции), что в конечном итоге, может привести к пробою диэлектрика.

Для твердых электроизоляционных материалов различают объемную и поверхностную электропроводности и соответственно объемное и поверхностное сопротивления. Объемная электропроводность обусловлена свойствами самого диэлектрика. Поверхностная же электропроводность обусловлена присутствием на поверхности диэлектрика влаги и различных загрязнений. Поскольку толщина адсорбированного слоя влаги и его сопротивление связаны с природой материала, на поверхности которого находится этот слой, то поверхностную электропроводность обычно рассматривают как свойство самого диэлектрика.

Электропроводность газов. Ток в газах может возникнуть только при наличии в них ионов или свободных электронов, которые могут появиться только в результате ионизации молекул. Ионизация молекул газа возникает по двум при-чинам: либо вследствие влияния каких-либо внешних факторов, либо вследствие соударений заряженных частиц (свободных электронов) газа с нейтральными молекулами. Ионизация нейтральных молекул газа при малых напряженностях электрического поля может возникнуть только под действием внешних факторов. Внешними факторами, вызывающими ионизацию газа, являются: рентгеновские или ультрафиолетовые лучи; радиоактивное излучение, а также термическое воздействие – сильный нагрев газа и др.

Электропроводность газов, обусловленная воздействием внешних факторов, называется несамостоятельной. Электропроводность, обусловленная ионами и электронами, образующимися в сильных электрических полях в результате электронной ударной ионизации, фотоионизации и холодной эмиссии электронов из катода, называется самостоятельной.

Электропроводность жидких диэлектриков. В жидких диэлектриках наблюдаются в основном ионная и электрофоретическая проводимости. В области сильных электрических полей к этим видам проводимости добавляется электронная составляющая.

Ионная проводимость обусловлена дрейфом — направленным движением положительных и отрицательных ионов под действием приложенного электрического поля с разряжением ионов на электродах. Ионы образуются в результате электролитической диссоциации.

В неполярных жидких диэлектриках электропроводность зависит от наличия диссоциированных примесей, в том числе влаги. Под диссоциацией понимают разложение молекул на более простые частицы – атомы, радикалы или ионы, а также разложение сложных молекул на более простые. В полярных жидкостях электропроводность определяется не только примесями, но и диссоциацией молекул самой жидкости. Невозможность полного удаления из жидких диэлектриков примесей, способных к диссоциации, осложняет получение высококачественных электроизоляционных жидкостей с малой удельной электропроводностью.

Диссоциация молекул легче происходит в полярных жидкостях, чем неполярных в связи с тем, что энергия диссоциации полярных жидких диэлектриков значительно меньше, чем неполярных, а удельная проводимость значительно выше. Сильнополярные жидкости, например, вода, обладают настолько высокой проводимостью, что рассматриваются уже не как жидкие диэлектрики, а как проводники с ионной электропроводностью.

Электропроводность твердых диэлектриков. Электропроводность твердых тел обусловливается передвижением как ионов самого диэлектрика, так и ионов случайных примесей. У некоторых твердых диэлектриков электропроводность может быть вызвана наличием свободных электронов.

В твердых диэлектриках ионного строения электропроводность обусловлена главным образом перемещением ионов. При низких температурах передвигаются слабозакрепленные ионы, в частности, ионы примесей. При высоких температурах освобождаются и некоторые ионы из узлов кристаллической решетки.

В диэлектриках с атомной или молекулярной решеткой электропроводность связана только с наличием примесей. Удельная проводимость их весьма мала.

Источник

Электропроводность диэлектриков

Электропроводность материала – это способность пропускать через себя электрический ток за счет свободных или почти свободных заряженных частиц. Электропроводность определяется электрическим сопротивлением (ρ) и является его обратной величиной. В твердых диэлектриках ток может проходить как по их объему, так и по поверхности, поэтому различают удельную объемную проводимость γ_V и удельную поверхностную проводимость γ_S, а следовательно, объемное удельное сопротивление ρ_V и поверхностное удельное сопротивление ρ_S, причем их соотношения следующие:

; . (5.9)

За удельное объемное сопротивление материала принимается сопротивление (R_V) куба этого материала со стороной, равной метру, когда к противоположным граням его приложено напряжение (рис. 5. 9)

Ом·м, (5.10)

где S – площадь электрода, к которому приложено напряжение;

l – расстояние между электродами.

За удельное поверхностное сопротивление диэлектрика принимается сопротивление (R_S) квадрата его поверхности с любой стороной, когда к противоположным сторонам его приложено напряжение
(рис. 5.10)

Ом, (5.11)

где b – длина одного электрода, соприкасающегося с поверхностью;

l – расстояние между электродами.

Полное сопротивление диэлектрика складывается из его объемного и поверхностного сопротивлений, соединенных параллельно

Ом. (5.12)

Рассмотрим электропроводность как количество заряженных частиц, способных к перемещению. Для любого материала, к которому приложено электрическое напряжение, удельная электропроводность зависит от наличия заряженных частиц (электронов, ионов), их количества, способности к перемещению, т. е. подвижности.

(5.13)

Подставим единицы измерения для каждого члена формулы:

(5.14)

Различают несколько видов электропроводности в зависимости от вида заряженных частиц, осуществляющих её:

а) электронная – носители электроны;

б) ионная (или электролитическая) – носители ионы;

в) молионная (или электрофоретическая) – носители группы молекул;

г) смешанная – носители разные (электроны, ионы, молионы).

Рассмотрим энергетическую диаграмму диэлектриков, чтобы проследить, какие внешние воздействия влияют на электропроводность
(рис. 5.11).

Внизу находится валентная зона (ВЗ), заполненная валентными электронами, выше раcположена зона запрещенных энергий, где нет энергетических уровней (ЗЗ), её величина – Wg (в эВ); вверху находится зона проводимости (ЗП). Если в эту зону попадает электрон, он становится свободным и может участвовать в переносе заряда.

Ширина запрещенной зоны у диэлектриков велика, т. е. Wg 3 эВ, поэто­му диэлектрики имеют большое сопротивление. Если же диэлектрик имеет в своем составе легкопроводящие примеси (ионы), то сопротивление за их счет снижается, возрастают токи утечки. Когда диэлектрик нагревается, возможность перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости возрастает, увеличивается диссоциация ионов, несколько растет и подвижность заряженных частиц. Поэтому электропроводность, увеличивается, это увеличение идет по закону экспоненты (рис. 5.12).

Формула для электропроводности при температуре Т:

(5.15)

Т – абсолютная температура, К;

W_t – термическая энергия активации, эВ.

Поверхностная электропроводность γ_S сильно зависит от влажности и способности диэлектрика смачиваться или не смачиваться влагой. Гидрофобные диэлектрики (несмачиваюшиеся) слабо изменяют γ_S от влажности среды, а гидрофильные (смачиваемые) довольно сильно. На рис. 5.13 приведены зависимости γ_S от процентного содержания влаги в окружающей среде для фторопласта – 4 (1) – гидрофобного, и плавленного кварца (2) – гидрофильного.

В слабом электрическом поле для диэлектриков соблюдается закон Ома, т. е. их электропроводность постоянна (γ₀). Но в сильных полях ( > 10 6 В/м) перестает действовать закон Ома и действует (рис. 5.14) закон Пуля (зависимость построена в полулогарифмическом натуральном масштабе)

, (5.16)

где γ₀ – электропроводность в слабом поле;

α – коэффициент материала (обычно 1 16 Ом·м при нормальных условиях.

Вопросы для самоконтроля

1. Что такое электропроводность материала?

2. Какие необходимы условия, чтобы в диэлектрике возник ток?

3. Приведите основные формулы для удельного объёмного и поверх­ностного сопротивлений.

4. От каких факторов зависит электропроводность диэлектриков?

5. Какие виды носителей заряда и какие виды электропроводности диэлектриков Вы знаете?

6. Каким образом зависит электропроводность от температуры диэлектрика?

7. Как ведет себя электропроводность в слабых и сильных электрических полях?

8. Как ведет себя поверхностная электропроводность гидрофобных и гидрофильных диэлектриков от процентного содержания в них влаги?

5.3. Диэлектрические потери

Диэлектрическими потерями называется активная мощность Р_а, рассеиваемая в диэлектрике при приложении к нему электрического напряжения и вызывающая его нагрев,

постоянном электрическом поле; (5.17)

переменном электрическом поле, (5.18)

где Р_а – активная мощность – диэлектрические потери, Вт;

U – приложенное напряжение, В;

I – протекающий ток, А;

φ – угол сдвига фаз между током и напряжением.

Источник