Arco-systems.ru

Журнал Арко Системс
11 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Ток сквозной проводимости в диэлектрике

Классификация диэлектриков по виду поляризации

Каждый электронный или радиотехнический проводник, полупроводник или заряженный диэлектрик пропускает через себя электрический ток, но особенность диэлектрика в том, что в нем даже при высоком напряжении свыше 550 В будет протекать ток малой величины. Электрический ток в диэлектрике — это движение заряженных частиц в определённом направлении (может быть положительным и отрицательным).

Онлайн просмотр документа «Общие представления об электропроводности диэлектриков»

Общие представления об электропроводности диэлектриков

Сквозной ток — Iскв (ток утечки) протекает по диэлектрику под воздействием постоянного напряжения — обусловлен наличием в диэлектриках свободных носителей заряда различной природы.

Носители заряда (область слабых полей)

Природа носителей заряда (происхождение)

Газообразные

Положительные и отрицательные ионы

Ионизация молекул газа

В сильных полях также электроны

Главным образом ударная ионизация и фотоионизация молекул газа

Диссоциация молекул примеси (реже собственных молекул)

Коллоидные заряженные частицы

Характерны для эмульсий (коллоидные частицы жидкость) и суспензий(взвешенная фаза твердое вещество)

Носители заряда (область слабых полей)

Природа носителей заряда (происхождение)

Диссоциация примесей или собственных молекул

Точечные дефекты кристаллической решетки: вакансии (пустые узлы) межузельные ионы

Зависят от структуры кристаллического диэлектрика

Электроны проводимости или дырки в заполненной зоне

В диэлектриках с электронным механизмом проводимости

Зависимость тока от времени приложения постоянного напряжения

В момент включения постоянного электрического поля через диэлектрик электрического конденсатора протекает ток смещения — Iсм, обусловленный быстрыми видами поляризаций.

В неполярных однородных диэлектриках затем устанавливается ток сквозной проводимости — Iскв.

В полярных и неоднородных диэлектриках протекает также ток абсорбции — Iабс, вызываемый активными составляющими токов, связанных с установлением замедленных (релаксационных) поляризаций. Во многих диэлектриках, используемых в качестве электрической изоляции, Iабс устанавливается за время меньше 1 мин.

Изменение тока через неполярный диэлектрик в зависимости от времени подключения постоянного напряжения показано на рисунке.

Токи абсорбции

Токи абсорбции могут устанавливаться в диэлектрике в течение длительного времени в зависимости от типа диэлектрика и механизма поляризации. Уменьшение тока Iабс может наблюдаться в течение минут или даже часов. После установления тока абсорбции через диэлектрик будет протекать только ток сквозной проводимости.

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

Посмотрите как изменяется ток в зависимости от времени приложения постоянного напряжения к диэлектрику, в котором возникают токи абсорбции.

Электропроводность жидких диэлектриков

Основную роль играют два типа электропроводности: ионная и молионная (катафоретическая).

В неполярных и слабополярных жидкостях носителями заряда в основном являются ионы, возникающие при диссоциации молекул примесей.

Степень диссоциации (отношение числа диссоциированных молекул к общему числу молекул жидкости) зависит от химической природы примесей, концентрации и диэлектрической проницаемости. Степень диссоциации возрастает с увеличением диэлектрической проницаемости.

Собственная ионная электропроводность наблюдается при диссоциации молекул жидкости с ионным характером связи.

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

Молионная электропроводность характерна для коллоидных растворов, например для многих электроизоляционных лаков в неотвержденном состоянии, содержащих мелкодисперсный наполнитель, пигмент и др. Знак заряда частицы будет положительным, если диэлектрическая проницаемость частиц больше диэлектрической проницаемости растворителя и наоборот. Такие заряженные частицы называют молионами.

Электропроводность жидких диэлектриков

Удельное сопротивление жидкостей уменьшается с ростом температуры по экспоненциальному закону

=B . exp(W/kT) ,

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.

Удельное сопротивление , Ом . м

Неполярные жидкости (бензол, трансформаторное масло)

Слабополярные жидкости (совол, касторовое масло)

Сильнополярные жидкости (дистилированная вода, этиловый спирт, ацетон)

Закон Ома в жидкостях нарушается в сильных полях (Е = 0.05 — 0.06 МВ/м). Возможные причины:

диссоциация молекул жидкости, приводящая к резкому росту концентрации ионов;

автоэлектронная эмиссия электронов с катода в тщательно очищенных жидкостях.

Электропроводность твердых диэлектриков

Для твердых диэлектриков наиболее характерна ионная электропроводность. В кристаллических веществах ионную проводимость можно объяснить, исходя из представлений о внутренних нарушениях структуры или дефектах решетки.

Согласно Я.И.Френкелю под действием тепловых флуктуаций ионы получают иногда энергию, достаточную, чтобы покинуть нормальные положения в решетке и попасть в пространство между нормально закрепленными ионами (межузлия).

Читать еще:  Автомобильная розетка своими руками

При тепловом возбуждении эти межузельные ионы перескакивают из одного межузельного положения в другое, а если к кристаллу приложено поле, то в направлении поля более часто. Через диэлектрик будет протекать электрический ток.

Если при движении по кристаллу ион встречает вакантное место, то он снова закрепляется в узле решетки. Такой процесс приводит к обмену атомов местами, то есть к диффузии.

Электропроводность твердых диэлектриков

Коэффициент диффузии D связан с подвижностью соотношением Нернста-Энштейна

/D = e/kT,

где — подвижность, e — заряд, k — постоянная Больцмана, T — температура. Коэффициенты диффузии, вычисленные по этой формуле, при комнатной температуре очень малы, не более 10 -5 см 2 /с, а подвижность 10 -4 см/В . с.

В процессе электропроводности играют роль не только собственные ионы решетки, но и ионы примесей, особенно с высокой подвижностью. К таким ионам относятся ионы Na + , K + , H + , роль которых велика уже при комнатной температуре.

К числу примесных ионов с большой подвижностью относятся такие ионы как Cu + , Au + , Ag + . Для таких ионов D = 10 -5 — 10 -7 см 2 , = 10 -2 — 10 -4 см 2 . с. Возможен и другой механизм электропроводности кристаллов (по Шоттки), при котором дефекты образуются в результате удаления равного числа анионов () и катионов (+) из нормальных узлов решетки и помещении их в новые узлы на внешних и внутренних поверхностях кристалла. В этом случае вакансии перемещаются по кристаллу вследствии переноса в незанятый узел ионов из соседних узлов. Посмотрите, как происходит этот процесс.

Электропроводность твердых диэлектриков

Для многих ионных кристаллов удельная электропроводность экспоненциально зависит от температуры = e . n . = o . exp(-Wa/kT),

где Wa = W/2 + U, а W = Wf или W = Ws — энергия образования дефектов по Френкелю или по Шоттки в зависимости от типа дефектов, U — энергия активации перемещения ионов, меньшая W.

В координатах ln = f(1/T) эта зависимость представляется в виде прямой линии, либо в виде линии с изломом, если имеются два различных механизма проводимости. В этом случае зависимость от 1/T будет представляться суммой двух экспонент

= 1 . exp(-Wa1/kT) + 2 . exp(-Wa2/kT).

Как видно из рисунка, по наклону прямых ln можно найти Wa1 и Wa2 например для Wa1 имеем:

ln 2 — ln 1

. 10 3. k.

(10 3 /T2)-(10 3 /T1)

Электропроводность твердых диэлектриков

Для низкотемпературного участка NaCl по экспериментальным данным Wa = 1,7 — 2,2 эВ.

В низкотемпературной области проводимость в основном определяется примесями и кривая в этой области имеет более слабый наклон, в высокотемпературной области — проводимость за счет собственных ионов (Cl — ).

Обычно Wa1/Wa2 = 1/2, a 1/ 2 = 10 -5 . Следует отметить, что Wa2 не чувствительна к наличию примесей.

В некоторых твердых неорганических диэлектриках, например в титаносодержащей керамике, возможна электронная или дырочная электропроводность.

Электропроводность полимерных диэлектриков

Электропроводность полимерных диэлектриков носит в основном ионный характер. Источником ионов могут быть как сами молекулы, так и ионогенные примеси. По данным Б.И.Сажина энергия ионизации молекул примесей ионогена всего лишь 0.2 эВ и менее, концентрация свободных ионов в полимерах очень мала и составляет 10 20 — 10 22 м -3 .

Ширина запрещенной зоны у полимерных диэлектриков велика, например у фторопласта-4 W = 10.07 эВ. Однако, у некоторых полимерных диэлектриков может наблюдаться электронная проводимость, например у полимеров с сопряженными двойными связями, у которых ширина запрещенной зоны невелика.

Диэлектрические потери в разных диэлектриках

В газах

Для газообразных веществ или их включений в материалах диэлектрика характерны ионизационные потери при определённых условиях: когда молекулы газа ионизируются. Например, ионизация газов происходит во время электрических пробоев сквозным током. При этом молекулы газа превращаются в ионы, создавая токопроводящий канал с максимумом напряженности. В результате диэлектрические потери лавинообразно возрастают, стремясь к максимуму tg угла.

При таких диэлектрических потерях мощность стремительно растёт: Ри = А1 f (U – Uи) 3 , где А1 постоянная, зависящая от вида вещества, f — частота поля, а символами U, Uи обозначено приложенное напряжение и напряжение ионизации, зависящее от давления газа.

Если величина напряжения Uи не достигает порога, необходимого для запуска процесса ударной ионизации, то нагревание диэлектрика является незначительным, потому что, при поляризации, пространственная ориентация дипольных молекул в газах не влияет на электропроводность. Поэтому газы – самые лучшие диэлектрики, с низкими потерями, особенно в диапазоне высоких частот.

Читать еще:  Розетка с заземлением siemens

Зависимость тангенса угла рассеивания мощности в диэлектриках с газовыми включениями, иллюстрирует график на рис. 3.

Рис. 3. Зависимость тангенса угла потерь

В жидких диэлектриках

Наличие диэлектрических потерь в жидкостях, в основном зависят от их полярности. В среде неполярных диэлектриков рассеяния обусловлены электропроводностью. При наличии в жидких веществах примесей дипольных молекул (так называемые полярные жидкости), рассеивание мощности может быть значительным. Это связано с повышением электропроводности, в результате дипольно-релаксационной поляризации.

Жидкие полярные изоляторы имеют выраженную зависимость потерь от вязкости. Поворачиваясь под действием магнитного поля в вязкой среде, диполи, в результате трения, нагревают её. Рассеиваемая мощность жидкого диэлектрика возрастает до тех пор, пока механизмы поляризации успевают за изменениями электрического поля. При достижении максимума поляризации процесс стабилизируется.

В твердых веществах

Высокочастотные диэлектрики с неполярной структурой обладают небольшим tg δ. К ним относятся качественные материалы:

  • сера;
  • полимеры;
  • парафин и некоторые другие.

Потери у диэлектриков с полярной молекулой более значительны. К таким материалам можно отнести:

  • органические стёкла;
  • эбонит и другие каучуковые вещества;
  • полиамиды;
  • целлюлозосодержащие материалы;
  • фенолоформальдегидные смолы.

Керамические диэлектрики без примесей имеют плотную ионно-решётчатую структуру. У них высокое удельное сопротивление. а значение tg δ таких материалов не превышает величины 10 -3 .

Вещества с неплотным расположением ионов обладают ионной поляризацией. У них наблюдается также электронно-поляризационная поляризация. tg δ этих диэлектриков ещё выше – от 10 -2 .

Сегнетоэлектрики и вещества со сложными неоднородными структурами, такие как текстолит, пластмассы, гетинакс и другие, имеют tg δ > 0,1.

Рассеивание мощности в результате сквозной электропроводимости происходит во всех диэлектриках. Однако потери становятся ощутимыми лишь при частотах от 50 до 1000 Гц, в температурном режиме более 100 ºC. Высокое переменное напряжение, как и удельное сопротивление также влияет на величину рассеивания.

Зонная теория

Зонная теория описывает наличие или отсутствие свободных носителей зарядов, относительно определенных энергетических слоев. Энергетическим уровнем или слоем называют количество энергии электронов (ядер атомов, молекул – простых частиц), их измеряют в величине Электронвольты (ЭВ).

На изображении ниже показаны три вида материалов с их энергетическими уровнями:

Обратите внимание, что у проводника энергетические уровни от валентной зоны до зоны проводимости объединены в неразрывную диаграмму. Зона проводимости и валентная зоны накладываются друг на друга, это называется зоной перекрытия. В зависимости от наличия электрического поля (напряжения), температуры и прочих факторов количество электронов может изменяться. Благодаря вышеописанному, электроны могут передвигаться в проводниках, даже если сообщить им какое-то минимальное количество энергии.

У полупроводника между зоной валентности и зоной проводимости присутствует определенная запрещенная. Ширина запрещенной зоны описывает, какое количество энергии нужно сообщить полупроводнику, чтобы начал протекать ток.

У диэлектрика диаграмма похожа на ту, которая описывает полупроводники, однако отличие лишь в ширине запрещенной зоны – она здесь во много раз большая. Различия обусловлены внутренним строением и вещества.

Мы рассмотрели основные три типа материалов и привели их примеры и особенности. Главным их отличием является способность проводить ток. Поэтому каждый из них нашел свою сферу применения: проводники используются для передачи электроэнергии, диэлектрики – для изоляции токоведущих частей, полупроводники – для электроники. Надеемся, предоставленная информация помогла вам понять, что собой представляют проводники, полупроводники и диэлектрики в электрическом поле, а также в чем их отличие между собой.

Напоследок рекомендуем просмотреть полезное видео по теме:

Наверняка вы не знаете:

Общие представления об электропроводности диэлектриков

Сквозной ток — I с к в (ток утечки) протекает по диэлектрику под воздействием постоянного напряжения — обусловлен наличием в диэлектриках свободных носителей заряда различной природы.

Вид диэлектрикаНосители заряда (область слабых полей)Природа носителей заряда (происхождение)
ГазообразныеПоложительные и отрицательные ионыИонизация молекул газа
В сильных полях также электроныГлавным образом ударная ионизация и фотоионизация молекул газа
ЖидкиеИоныДиссоциация молекул примеси (реже собственных молекул)
Коллоидные заряженные частицыХарактерны для эмульсий (коллоидные частицы жидкость) и суспензий (взвешенная фаза твердое вещество)

ТвердыеИоныДиссоциация примесей или собственных молекул
Точечные дефекты кристаллической решетки: вакансии (пустые узлы) межузельные ионыЗависят от структуры кристаллического диэлектрика
Электроны проводимости или дырки в заполненной зонеВ диэлектриках с электронным механизмом проводимости
Читать еще:  Розетки треугольные для кухни

Зависимость тока от времени приложения постоянного напряжения

В момент включения постоянного электрического поля через диэлектрик электрического конденсатора протекает ток смещения — Iсм , обусловленный быстрыми видами поляризаций.

В неполярных однородных диэлектриках затем устанавливается ток сквозной проводимости — Iскв .

В полярных и неоднородных диэлектриках протекает также ток абсорбции — Iабс , вызываемый активными составляющими токов, связанных с установлением замедленных (релаксационных) поляризаций. Во многих диэлектриках, используемых в качестве электрической изоляции, Iабс устанавливается за время меньше 1 мин .

Изменение тока через неполярный диэлектрик в зависимости от времени подключения постоянного напряжения показано на рисунке.

Токи абсорбции

Токи абсорбции могут устанавливаться в диэлектрике в течение длительного времени в зависимости от типа диэлектрика и механизма поляризации. Уменьшение тока Iабс может наблюдаться в течение минут или даже часов. После установления тока абсорбции через диэлектрик будет протекать только ток сквозной проводимости.

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

Посмотрите как изменяется ток в зависимости от времени приложения постоянного напряжения к диэлектрику, в котором возникают токи абсорбции.

Механизмы возникновения и уменьшения тока абсорбции Iабс

При ионной проводимости наличие блокирующих контактов (БК) с электродами.

Блокирующие контакты препятствуют прохождению носителей заряда через границу электрод-диэлектрик или разряда носителей, подходящих из объема на границе с электродом.

Вещество является полупроводником, если валентная зона разделена с соседними зонами узкой (менее 2 электронвольт) запрещающей зоной. Отметим, что такое вещество при температуре, близкой к абсолютному нулю, является диэлектриков. Однако при росте температуры электроны из верхней занятой зоны перескакивают в вакантную зону проводимости, и вещество становится электропроводным. Проводимость растет вместе с температурой и концентрацией электронов в зоне проводимости. Соответственно, в заполненной зоне, из которой электроны переходят в зону проводимости, растет концентрация дырок.

Разделение веществ на полупроводники и диэлектрики весьма условно. Вещества с шириной запрещённой зоны более 3—4 эВ и менее 4—5 эВ совмещают свойства диэлектриков и полупроводников.

Где применяются диэлектрики и проводники

Материалы применяются во всех сферах деятельности человека, где используется электрический ток: в промышленности, сельском хозяйстве, приборостроении, электрических сетях и бытовых электроприборах.

Выбор проводника обусловлен его техническими характеристиками. Наименьшим удельным сопротивлением обладают изделия из серебра, золота, платины. Использование их ограничено космическими и военными целями из-за высокой себестоимости. Медь и алюминий проводят ток несколько хуже, но сравнительная дешевизна привела к их повсеместному применению в качестве проводов и кабельной продукции.

Чистые металлы без примесей лучше проводят ток, но в ряде случаев требуется использовать проводники с высоким удельным сопротивлением — для производства реостатов, электрических печей, электронагревательных приборов. Для этих целей используются сплавы никеля, меди, марганца (манганин, константан). Электропроводность вольфрама и молибдена в 3 раза ниже, чем у меди, но их свойства широко используются в производстве электроламп и радиоприборов.

Твёрдые диэлектрики — материалы, обеспечивающие безопасность и бесперебойную работу токопроводящих элементов. Они используются в качестве электроизоляционного материала, не допуская утечки тока, изолируют проводники между собой, от корпуса прибора, от земли. Примером такого изделия являются диэлектрические перчатки, про которые написано в нашей статье.

Жидкие диэлектрики используют в конденсаторах, силовых кабелях , циркулирующих системах охлаждения турбогенераторов и высоковольтных масляных выключателей. Материалы применяют в качестве заливки и пропитки.

Газообразные изоляционные материалы. Воздух — естественный изолятор, одновременно обеспечивающий отвод тепла. Азот применяется в местах, где недопустимы окислительные процессы. Водород применяется в мощных генераторах с высокой теплоёмкостью.

Слаженная работа проводников и диэлектриков обеспечивает безопасную и стабильную работу оборудования и сетей электроснабжения. Выбор конкретного элемента для поставленной задачи зависит от физических свойств и технических параметров вещества.

Какая проводка лучше — сравнение медной и алюминиевой электропроводки

Что такое конденсатор, виды конденсаторов и их применение

Какие существуют виды источников электрического тока?

Сила Лоренца и правило левой руки. Движение заряженных частиц в магнитном поле

Что такое нихромовая проволока, её свойства и область применения

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector