ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №1

Визначення питомих електричних опорів твердих діелектриків

Мета роботи: володіти методикою визначення питомого об´ємного та поверхневого опорів електроізоляційних матеріалів різного складу.

Прилади та приладдя: універсальне джерело живлення УИП–1, автокомпенсаційний мікровольтнаноамперметр Р325, комбінований цифровий прилад Щ4300, комутаційний пристрій з системою масивних електродів, зразки досліджуваних твердих матеріалів.

Теоретичні відомості

Класифікація речовин за електричними властивостями

Всі тверді речовини за електричними властивостями можна розділити на 3 класи: метали, напівпровідники та діелектрики. Найбільш просто здавалося б класифікувати речовини по величині питомого опору .

У металів Ом м. Наприклад, для срібла при кімнатній температурі Ом м, для ніхрому Ом м.

Речовини з питомим опором Ом м відносяться до напівпровідників, наприклад, у в залежності від технології виготовлення Ом м. Для германію Ом м, для кремнію Ом м.

Речовини з > Ом м є діелектриками. Наприклад, для слюди Ом м, для скла Ом м.

Із приведених прикладів видно, що при переході від одного класу до іншого значення частково перекриваються, тому значення питомого опору не можуть бути однозначним критерієм для класифікації речовин за електричними властивостями.

Діелектрики або ізолятори, по визначенню, взагалі не повинні пропускати електричний струм під дією сталої напруги, тобто → ∞. Під дією прикладеної змінної напруги будь-який діелектрик, навіть ідеальний, пропускає змінний ємнісний струм (струм зміщення).

За стандартом: «Діелектрик – це речовина, основною властивістю якої є здатність до поляризації і в якій можливе існування електростатичного поля».

В інженерній практиці часто використовуються такі терміни: діелектричний матеріал – це електротехнічний матеріал, що має властивості діелектрика; електроізоляційний матеріал – діелектричний матеріал, що застосовується для усунення витікання електричних зарядів в електротехнічних пристроях. Тобто поняття «діелектричний матеріал» більш широке ніж «електроізоляційний матеріал».

В залежності від функцій, які виконують діелектрики в електричних колах, вони можуть можуть бути «пасивними» і «активними».

«Пасивні» діелектрики відіграють роль електроізоляційного матеріалу. До «активних» відносяться ті діелектрики, зміна властивостей яких, під дією різних факторів, використовується в роботі електричного обладнання. Наприклад, сегнетоелектрики, діелектрична проникність яких змінюється при зміні напруженості електричного поля і температури; п´єзоелектрики, які генерують електричні заряди під дією механічних напруг і, навпаки, змінюють свої розміри під дією електричного поля; електрети, які можуть розглядатися як електричні аналоги постійних магнітів, бо вони здатні тривалий час зберігати заряд і відповідно створювати електричне поле і т. п.

Електропровідність діелектриків

Величина потомої провідності матеріалів визначається співвідношенням

, (1)

де – концентрація носіїв заряду; – рухливість носіїв (дрейфова швидкість частинок в електричному полі одиничної напруженості).

Тому, вивчаючи електропровідність діелектриків (як і інших матеріалів), необхідно визначити природу носіїв заряду, залежність їх концентрації та рухливості від температури.

Експериментальні дослідження показують, що електропровідність діелектриків зумовлена рухом іонів кристалічної гратки. Встановлено також, що головними носіями є ті іони, які мають найменший розмір (при однакових зарядах), або іони, які мають менший заряд (при однакових розмірах).

Наприклад, у головними носіями струму є іони , тоді як у – іони . У деяких кристалах (наприклад, ) електропровідність зумовлена іонами обох знаків. У сильних полях у багатьох кристалічних діелектриках вклад у провідність вносять також електрони. Зокрема у слюді в сильних полях при низьких температурах провідність має переважно електронний характер, тоді як у слабких полях та при високих температурах – іонний характер.

Якщо електропровідність кристалів зумовлена рухом іонів кристалічної гратки, то її називають власною. Власна електропровідність є домінуючою при високих температурах, коли в кристалі є достатня концентрація власних (теплових) дефектів кристалічної гратки. У цьому випадку рух іонів може здійснюватися по міжвузловинах кристалічної гратки, і він супроводжується утворенням дефектів Френкеля. Ймовірним є також рух іонів через незайняті вузли (вакансії) кристалічної гратки, його іноді трактують як переміщення вакансій.

Електропровідність іонних кристалів може спричинятися також рухом відносно слабко закріплених у гратці домішкових іонів. Таку провідність називають домішковою і вона виявляється при відносно низьких (порівняно із власною) температурах. Звичайно, в одному і тому ж кристалі водночас наявні як домішкова, так і власна електропровідність.

Експериментальні дані показують, що у випадку обох провідностей її величину описують виразом:

, (2)

де – енергія активації, значення якої не залежить від температури; – деяка константа, яка слабко залежить від температури; – стала Больцмана, – абсолютна температура.

Якщо в кристалі наявні водночас власна та домішкова провідності, то температурну залежність описують виразом:

, (3)

де індекси 1 відносяться до власної провідності, а індекси 2 – до домішкової провідності.

З виразу (2) видно, що лінійно залежить від .

В широкому діапазоні температур графік залежності повинен складатися із двох прямолінійних ділянок із різними значеннями кута нахилу до осі абсцис (рис. 1).

Рис. 1

При температурі більшій від температури, що відповідає точці А (ділянка 1), провідність визначається в основному власними дефектами. Це область високотемпературної або власної електропровідності. Нижче точки А (ділянка 2) в області низькотемпературної або домішкової електропровідності графік більш пологий.

Величина енергії активації власної провідності визначається на основі даних взятих із графіка (рис. 1) за допомогою виразу одержаного із (2)

. (4)

Аналогічно визначається енергія активації домішкової провідності .

З фізичної природи власної та домішкової провідностей випливає, що > .

Аналіз виразу (1) показує, що зростання домішкової провідності з підвищенням температури зумовлене збільшенням рухливості носіїв, оскільки їхня концентрація не може змінюватися з температурою.

У випадку власної електропровідності температурна залежність зумовлена як ростом концентрації носіїв , так і збільшенням їх рухливості.

Розглянемо картину електропровідності в твердих кристалічних діелектриках. Як атоми (іони) у вузлах гратки, так і домішкові атоми здійснюють коливання біля положень рівноваги. Якщо слабко закріплений атом (іон) набуде достатньо великої енергії, він може переміститися із одного положення рівноваги в інше. Імовірність таких теплових стрибків прямо пропорційна , де – максимум потенціальної енергії «бар´єра», який розділяє положення 1 і 2 (рис. 2).

Рис. 2

Якщо зовнішні електричні сили відсутні (рис. 2, штрихова крива), то спостерігається теплова дифузія атомів (іонів), імовірність знаходження частинок у двох потенціальних ямах буде одинаковою і струму в кристалі не буде. При накладанні зовнішнього електричного поля додаткові дефекти не створюються (для цього потрібні поля з напруженістю біля кількох ), але (рис. 2, суцільна крива) глибина однієї потенціальної ями (для катіонів) стане меншою ( ), ніж другої ( ). Отже, переміщення катіонів по напрямку поля полегшується, а проти поля – утруднюється (для аніонів навпаки).

У результаті цього буде спостерігатися дрейф (напрямлене перенесення) іонів і через речовину буде протікати електричний струм.