Физические процессы в диэлектриках. Электропроводность диэлектрика, страница 2

Диэлектрики – вещества, способные к диэлектрической поляризации, в которых возможно формирование электрического поля. Ширина запрещенной зоны в диэлектриках составляет более 3 эВ.

По назначению диэлектрики можно разделить на электроизоляционные и  - активные (изменяются параметры под действием внешних факторов). По агрегатному состоянию – на твердые, жидкие, газообразные. Кроме того, существует особая группа – твердеющие материалы – исходно жидкие, но принимающие твердое состояние в процессе изготовления (лаки, компаунды).

Основные свойства диэлектриков – это:

- поляризация;

- электропроводность;

- диэлектрические потери;

- электрическая прочность (пробой).

По типу поляризации диэлектрики можно разделить на:

1)  неполярные – газы, жидкости и твердые вещества в кристаллическом и аморфном состояниях, в которых возможна только электронная поляризация (за счет смещения электронных оболочек атомов относительно ядра под действием внешнего электрического поля)

2)  полярные диэлектрики – органические, жидкие, полужидкие, твердые вещества с дипольным механизмом поляризации

3)  ионные соединения, включающие диэлектрики с ионной упругой и электронной упругой поляризацией – вещества с плотно упакованной структурой (кварц, слюда, корунд), а также диэлектрики сочетающие ионную и дипольную поляризацию – неорганические стекла, многие виды керамики, кристаллические диэлектрики с неплотной упаковкой частиц решетки;

В зависимости от влияния электрического поля на поляризацию и диэлектрическую проницаемость, диэлектрики делят на

- линейные:

 и  нелинейные:

Также их можно разделить на активные (управляемые) диэлектрики (например емкость конденсатора из нелинейного диэлектрика управляется электрическим полем ) и пассивные, не изменяющие характеристик при внешнем воздействии.

Электропроводность диэлектрика

Под действием постоянного напряжения диэлектрик может пропускать незначительный электрический ток – ток утечки: ,  - объемный,  - поверхностный токи.

,

,

При подключении к постоянному источнику в начальный момент протекает ток смещения:

За  спадает ток, обусловленный зарядкой геометрической ёмкости. Ток, связанный с установлением поляризации называется током абсорбции.

После завершения зарядки и установления поляризации ток равен (-сквозной ток)

Удельное объемное сопротивление диэлектрика:

,

, ,

Удельное поверхностное сопротивление:

Свойства диэлектрика также характеризуются постоянной времени произведением сопротивления изоляции диэлектрического конденсатора на его ёмкость:

Электропроводность диэлектриков зависит от:

- агрегатного состояния;

- влажности;

- температуры окружающей среды.

Уменьшение  со временем говорит о том, что электропроводность материала обусловлена ионами посторонних примесей и уменьшилась за счет электрической очистки образца. Если ток увеличивается с течением времени, это означает, что в нем участвуют заряды, являющиеся структурными элементами самого образца, в диэлектрике протекает процесс необратимого старения под напряжением, что может привести к пробою.

Электропроводность газов

Электропроводность в газах возможна при наличии ионов или свободных электронов, возникающих под действием внешних факторов: термическое воздействия, рентгеновских лучей, радиационного излучения или вследствие ударной ионизации.

Если газ расположен между двумя плоскими электродами, то во внешнем поле часть ионов может рекомбинировать, часть – нейтрализоваться на электродах.

В области I выполняется закон Ома (число ионов не зависит от приложенного напряжения)

С ростом напряжения U ионы не успевают рекомбинировать, и все ионы, созданные в газовом промежутке, разряжаются на электродах (участок II). В нормальных условиях при длине промежутка в 1 см в воздухе ток насыщения на этом участке  А/м², а Uн → Eн ~ 0.6 В/м

Участок III – область ударной ионизации.

Электропроводность жидких диэлектриков

Электропроводность жидких диэлектриков зависит от строения молекулы. Если диэлектрик неполярный, то электропроводность определяется наличием диссоциированных примесей, в т.ч. влаги, и  может быть вызвана диссоциацией молекул самой жидкости. У полярных жидкостей удельная проводимость значительно выше, т.к. в них легче происходит диссоциация.

Сильнополярные жидкости ведут себя как проводники с ионным типом электропроводности. Очистка от примесей повышает удельное сопротивление жидкости.