Электропроводность диэлектриков. Механизм электропроводности. Поверхностная проводимость твердых диэлектриков

Тема 3

Электропроводность диэлектриков

Основные обозначения

J – плотность тока;

I_см – ток смещения (ток поляризации);

I_ут – сквозной ток утечки;

U – напряжение;

Е – напряженность электрического поля;

G – объемная электрическая проводимость изоляции;

R – сопротивление, объемное сопротивление изоляции;

R_S – поверхностное сопротивление изоляции;

r_S – удельное поверхностное сопротивление;

r – удельное объемное сопротивление;

G_S – поверхностная проводимость;

I_S – поверхностный ток утечки;

R_^ – поперечное сопротивление слоя участка изоляции;

r_^ – удельное поперечное сопротивление слоя;

R_К – объемное сопротивление изоляции кабеля (провода);

r_К – удельное сопротивление изоляции кабеля (провода);

Т_Кr – температурный коэффициент удельного сопротивления;

a=ТКl – температурный коэффициент удельного расширения;

a – коэффициент ударной ионизации;

b – коэффициент ионизации положительными ионами;

g – коэффициент вторичной ионизации, удельная проводимость;

n₀ – число электронов, освобождаемых из катода внешним ионизатором, концентрация носителей заряда;

n_а – число электронов у анода;

n₀ – число электронов, испускаемых в 1 сек с 1 см² поверхности катода;

h – динамическая вязкость;

J_к – плотность тока у катода, плотность тока;

а и b – постоянные, зависящие от работы выхода электронов из металла;

d – расстояние между электродами;

I_абс – абсорбционные токи;

n – коэффициент рекомбинации;

n – число частиц;

γν – удельная объемная электропроводность;

νср – средняя скорость заряженных частиц.

3. Электропроводность диэлектриков Механизм электропроводности

Электроизоляционные материалы совершенно не должны пропускать электрический ток, однако практически все применяемые диэлектрики для изоляции при приложении постоянного напряжения, пропускают незначительный ток.

3.1. Механизм электропроводности

Электропроводность диэлектриков возникает за счет наличия в них свободных (т.е. не связанных с молекулами) заряженных частиц: ионов, молионов, частично электронов.

Под действием напряженности электрического поля Е заряженные свободные частицы вещества приобретают составляющую скорости ν, вдоль направления поля и появляется электрический ток. Объемная плотность тока J в однородном и изотропном веществе пропорциональна напряженности Е:

,                                                                           (3.1)

где – удельная объемная проводимость вещества. Формула (3.1) является выражением закона Ома в дифференциальной форме.

Количество заряженных свободных частиц в единице объема представляют собой концентрацию носителей заряда в веществе n, а величина заряда каждой частицы q. Составляющие скорости отдельных носителей вдоль направления электрического поля различны, потому в рассмотрение вводят среднюю скорость νср.

Произведение этой скорости на количество носителей и на величину заряда определяет количество электричества, проходящее через единицу сечения, перпендикулярного напряженности Е, в единицу времени, то есть плотность тока.

.                                                                                            (3.2)

Сравнивая правые части формул (3.1) и (3.2), определяем удельную объемную электропроводность.

γ_ν = nq(/).                                                                                   (3.3)

Средняя скорость ,  отнесенная к единице напряженности поля Е, определяет подвижность носителей зарядов.

μ =  / ,                                                                                         (3.4)

тогда, учитывая (3.3) и (3.4) удельная объемная электропроводность определяется выражением

γ_ν = nq×μ .                                                                                            (3.5)

Эта формула является общей для всех видов электропроводности.

В зависимости от природы носителей зарядов в данном веществе электропроводность имеет существенные различия. Основные виды электропроводности: электронная, ионная и молионная.

Электронная электропроводность. Носителями тока являются элементарные отрицательно заряженные частицы – электроны.

Ионная электропроводность. При электролизе, который характеризуется прохождением через диэлектрик свободного тока утечки, происходит либо перенос молекул основного вещества (примером может служить обычное стекло); либо ионная электропроводность возникает за счет присутствия в материале практически неизбежных загрязнений – примесей воды, солей, кислот, щелочей (органические электроизоляционные материалы). Поэтому для диэлектриков, применяемых в качестве электроизоляционных материалов, очень важна степень очистки исходных продуктов. У диэлектриков с ионным характером электропроводности соблюдаются законы Фарадея: количество выделившегося при электролизе вещества пропорционально количеству прошедшего через материал электричества.

Молионная электропроводность. Коллоидные системы представляют собой тесную смесь двух фаз, причем одна фаза (дисперсная) в виде мелких частиц равномерно взвешена в другой (дисперсной среде). Примером коллоидных систем, которые наиболее часто встречаются в электроизоляционной технике эмульсии (обе фазы жидкости) и суспензии (дисперсная фаза – твердое вещество, дисперсная среда – жидкость). Наличие на поверхности частиц дисперсной фазы (молионов) электрических зарядов объясняет стабильность коллоидных систем