МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Тольяттинский государственный университет

Кафедра "Промышленная электроника"

Чуркин И.М.

Электротехническое и конструкционное материаловедение.

Материалы электронной техники.

Методические указания к лабораторным работам № 1,2,3 по дисциплинам

«Электротехническое и конструкционное материаловедение.»

«Материалы электронной техники.»

Тольятти 2011

УДК 621.3.002.3 (076.5)

ББК 31.23

Э455

Э 455 Электротехническое и конструкционное материаловедение.

Материалы электронной техники: Метод, указания к лабораторным работам № 1, 2, З,/Сост. И.М.Чуркин. Тольятти: ТГУ, 2011. 28 с.

Изложены описания лабораторных работ по метрологии, измерению и контролю материалов и устройств электронной техники. Приведены краткие методические рекомендации по проведению работ и обработке опытных данных, даны указания по вы­полнению отчета.

Предназначены для студентов электротехнических специальностей ТГУ.

Ил. 10. Табл.4. Библиогр.: 7 назв.

Составитель И.М.Чуркин

Утверждено научно-методическим советом университета.

УДК 621.3.002.3

(076.5) ББК 31.23

© Тольяттинский государственный университет, 2011.

Измерения электропроводности твердых диэлектриков.

Лабораторная работа № 1

1.1. Цель работы

Изучить методику определения удельного поверхностного ρ _s и удельно­го объемного ρ_v электрических сопротивлений при постоянном напряже­нии, исследовать и обосновать их зависимость от приложенного напряже­ния, температуры и влажности.

1.2. Указания к самостоятельной работе и некоторые пояснения

Электропроводность материалов обусловлена наличием в них свобод­ных зарядов, которые под действием электрического поля перемещаются, создавая ток в цепи. Свободные заряды появляются в результате ионизации нейтральных молекул. Для ионизации нейтральных молекул необходимо сообщить им дополнительную энергию, минимальное значение которой называется энергией ионизации. Энергия ионизации зависит от материала: в металлах и полупроводниках она мала, а в диэлектриках - велика.

Ионизация молекул осуществляется под воздействием ионизирующих факторов, которыми являются:

- тепло;

- радиоактивное облучение;

- световое облучение;

- рентгеновское облучение;

- космические лучи;

- электрическое поле и др.

В твердых диэлектриках токи могут протекать через толщу диэлектрика

- объемный ток I_v и по поверхности диэлектрика - поверхностный ток I_s

(рис. 1.1а). Величины этих токов зависят от объемного ρ _v и удельного повер­хностного ρ_s электрических сопротивлений, которые, в свою очередь, зави­сят от количества свободных зарядов.

Удельное объемное сопротивление численно равно сопротивлению куба материала с ребром в 1м, когда ток протекает через две противоположные грани куба. Удельное объемное сопротивление ρ_v [Ом/м] измеряется на по­стоянном токе.

Удельное поверхностное сопротивление численно равно сопротивлению квадрата (любого размера) на поверхности данного материала, если ток подводится к электродам, ограничивающим две противоположные сторо-

ны квадрата. Удельное поверхностное сопротивление ρ_s [Ом] измеряется на постоянном токе.

По удельному объемному сопротивлению может быть определена удельная объемная проводимость: или и удельная поверхностная проводимость: или См.

Эквивалентная схема образца, следовательно, должна состоять из двух параллельно соединенных сопротивлений. Первое R_s учитывает токи повер­хностной проводимости, а второе R_v - токи объемной проводимости (рис.1.16).

а) б)

Рис. 1.1. Объемный I_vи поверхностный I_s токи в диэлектрике (а) и эквивалентная схема образца диэлектрика (б)

От удельного объемного и поверхностного сопротивлений электроизоляционных материалов зависит сопротивление изоляции электроизолирующих деталей.

Электропроводность твердых тел возникает в результате движения ионов самого диэлектрика, ионов примесей, а у некоторых материалов может быть вызвана наличием свободных электронов. Электронная электропроводность наиболее заметна при сильных электрических полях.

Электрический ток в нейтральных диэлектриках обусловлен ионами и электронами примесей. В ионных диэлектриках наряду с ионами примесей в области повышенных температур участвуют слабосвязанные ионы самого диэлектрика.

С ростом температуры число освобождаемых ионов самого диэлектрика возрастает, что приводит к увеличению электропроводности.

При ионной электропроводности число диссоциированных ионов нахо­дится в экспоненциальной зависимости от температуры:

где n₀ - число диссоциированных ионов при Т→ ∞; W₀ - энергия освобожде­ния ионов; k - постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура.

Для приближенных расчетов зависимости удельной проводимости твер­дых диэлектриков от температуры можно пользоваться выражением:

ρ = ρ₀exρ(-αt),

где ρ₀ и α - постоянные величины для данного диэлектрика, [1];

t – температу­ра, °С

Электропроводность твердых тел резко возрастает при наличии в них вла­ги. Вода, как полярная жидкость, усиленно диссоциирует на ионы примесей и ионы самого диэлектрика и тем самым увеличивает электропроводность.

Нейтральные твердые диэлектрики не притягивают полярную влагу, в результате их электропроводность мало изменяется при увлажнении.

Ионные и дипольные диэлектрики усиленно притягивают влагу, поэто­му их электропроводность по поверхности всегда велика и достигает осо­бенно больших значений, если происходит частичное растворение поверх­ности материала. Объемная электропроводность будет значительной у по­ристых диэлектриков, так как проникающая в поры влага будет образовы­вать мостики проводимости.

С увеличением напряженности поля, приложенного к диэлектрику, воз­никает ударная ионизация. Под воздействием электрического поля свобод­ные электроны приобретают скорость, а при встрече с нейтральными моле­кулами отдают им свою энергию и производят ионизацию. В результате в материале образуются новые свободные заряды, которые увеличивают элек­тропроводность. При электропроводности ударная ионизация незначи­тельна, поэтому увеличение тока проводимости невелико.

Если напряженность поля достигнет критического значения, то в резуль­тате ударной ионизации могут возникать большие плотности тока (элект­ронная лавина) - происходит пробой диэлектрика.

Электропроводность аморфных материалов связана прежде всего с их составом. Высокомолекулярные органические полимеры обладают удель­ной проводимостью, зависящей от ряда факторов: от химического состава и наличия примесей, от степени полимеризации и вулканизации. Органичес­кие нейтральные аморфные диэлектрики отличаются очень малой удельной проводимостью.

Поверхностная электропроводность обусловлена присутствием на по­верхности диэлектрика влаги и загрязнений. Достаточно тончайшего слоя влаги на поверхности диэлектрика, чтобы была обнаружена заметная про­водимость, определяемая в основном толщиной этого слоя.

Поскольку сопротивление адсорбированной пленки влаги связано с приро­дой материала, на поверхности которого она находится, поверхностную элект­ропроводность обычно рассматривают как свойство самого диэлектрика.

Адсорбция влаги на поверхности диэлектрика зависит от относительной влажности окружающей среды. Особенно резко уменьшение удельного по­верхностного сопротивления наблюдается при относительной влажности воздуха, превышающей 60...80%. Удельная, поверхностная проводимость тем ниже, чем меньше полярность вещества, чем чище поверхность диэлектрика и чем лучше она отполирована.

Из сказанного следует, что зависимость удельной поверхностной прово­димости от влажности вызывается наличием на поверхности диэлектрика гигроскопических и диссоциирующих на ионы веществ. Влага, адсорбируе­мая на поверхности, способствует выявлению этих веществ. Если эти веще­ства являются составной частью материала, то удельное поверхностное со­противление будет сильно снижаться при увеличении влажности (например, у технического стекла).