1.3. Электрические характеристики электроматериалов

Удельное электрическое сопротивление. Характеризует степень электропроводности материала. Обозначается греческой буквой  и численно равна электрическому сопротивлению проводника единичной длины и единичного сечения. Измеряется в Омм. Часто встречаются единицы Омсм и Оммм²/м. Соотношение между этими единицами

1 Ом  см = 10⁴ Ом  мм²/м = 10^-2 Омм

Удельное электрическое сопротивление всех материалов зависит от температуры. Проводники увеличивают свое электросопротивление с ростом температуры, что объясняется увеличением амплитуды колебаний атомов в узлах кристаллической решетки и уменьшению направленного потока свободных зарядов. У диэлектриков и полупроводников электросопротивление с ростом температуры уменьшается, что можно объяснить увеличением собственной энергии носителей свободных зарядов.

Для проводников  =10⁶-10 ³Омсм, для полупроводников  =10^-4-10⁹ Омсм, для диэлектриков  = 10 ¹⁰ -10 ²⁰ Омсм.

В твердых диэлектриках различают два вида электропроводимости: объемную и поверхностную. Удельное объемное сопротивление _v характеризует свойство диэлектрика пропускать ток через объем образца материала. Измеряется в единицах электропроводности: Омм, Омсм, Оммм²/м. Численные значения удельной объемной электропроводности для большинства диэлектриков находятся в пределах 10¹⁰-10⁸ Ом см.

Удельное поверхностное сопротивление _s характеризует ток, проходящий по внешней поверхности образца диэлектрика, минуя внутренний объем. Оно в значительной степени зависит от состояния этой поверхности. Измеряется в единицах сопротивления и находится в пределах 10¹⁰ - 10¹⁶ Ом.

У проводников и полупроводников разделить ток, проходящий по внутреннему объему и поверхностный ток невозможно, поэтому их характеризуют общим удельным сопротивлением.

Температурный коэффициент удельного сопротивления. Характеризует степень изменения электрического сопротивления при изменении температуры материала. Обозначается ТК или . Для проводников  > 0, для диэлектриков и полупроводников  < 0. Единица измерения 1/°С.

В узком диапазоне изменения температуры зависимость  = f(Т) можно считать линейной. В этом случае  определяется по формуле:

 = (₂ - ₁)/ ₁(T₂-T₁).

где ₁ - электрическое сопротивление при начальной температуре T₁,

₂ - электрическое сопротивление при конечной температуре Т₂.

Если известно ₁ при некоторой температуре T₁, то зная , можно вычислить ₂ при любой температуре Т₂:

₂ = ₁ [1+ (T₂-T₁)]

При очень низких температурах удельное сопротивление металлов становится очень маленьким. У ряда металлов и сплавов вблизи абсолютного нуля электрическое сопротивление падает пропорционально абсолютной температуре в пятой степени и вблизи абсолютного нуля они переходят в сверхпроводящее состояние. Теоретическое объяснение эффекта сверхпроводимости дает квантовая теория атомарного строения вещества. В последние годы созданы сплавы металлов, переходящие в сверхпроводящее состояние при относительно высокой температуре (например, при технически достижимой температуре жидкого гелия 4,2°К). Это позволяет создать очень большие электрические токи в проводниках небольшого сечения. Основная область применения сверхпроводимости - создание магнитных полей очень высокой напряженности.

Удельная проводимость. Величина обратная, удельному сопротивлению. Обозначается буквой  и измеряется в величинах Ом^-1см^-1. Следует иметь в виду, что величина Ом ^-1 имеет самостоятельное наименование Сименс и обозначается См.

В твердых диэлектриках различают объемную _v и поверхностную s удельные проводимости.

Диэлектрическая проницаемость. Характеризует способность материала образовывать электрическую емкость. Является основной характеристикой диэлектриков. Обозначается буквой . Емкость С плоского конденсатора заданных размеров прямо пропорциональна с используемого диэлектрика:

C = _a  S/h,

где _a - абсолютная диэлектрическая проницаемость, Ф/м,

S - площадь обкладки конденсатора, м ².

h - толщина диэлектрика, м.

На практике чаще пользуются относительным значением диэлектрической проницаемости, которая связана с абсолютным значением через электрическую постоянную ₀:

 = _а / ₀.

Значение электрической постоянной численно равно диэлектрической постоянной вакуума Ф/м

Наименьшее значение , равное 1, у вакуума. Большие значения с у сегнетоэлектриков, достигающие значений нескольких тысяч. Используя диэлектрик с большой , можно резко уменьшить габариты конденсатора заданной емкости.

Температурный коэффициент диэлектрической проницаемости. Характеризует скорость изменения диэлектрической проницаемости при изменении температуры материала. Обозначается TK, измеряется в 1/°С.

TK =(₁-₂) ₁ (T₂-T₁),

где ₁ и ₂ - диэлектрическая проницаемость материала соответственно при температуре T₁ и Т₂.

TK может быть положительным (при возрастании с ростом температуры) или отрицательным.

Тангенс угла диэлектрических потерь. Является количественной характеристикой активных потерь энергии на переменном токе.

При работе диэлектрика на постоянном токе через него протекает только активный ток проводимости I_пр, вызывающий потери активной мощности P = I_пpU, где U - напряжение, приложенное к диэлектрику.

При работе диэлектрика на переменном токе, в нем различают три тока, сдвинутых по фазе: ток проводимости I_пp , ток смещения 1 см и ток абсорбции 1абс. При этом ток проводимости имеет активный, а ток смещения - чисто реактивный характер. На рис. 1.1. представлена векторная диаграмма токов в диэлектрике. Из диаграммы видно, что активная составляющая общего тока

I = Iпp + I абс, а реактивная I = Iсм + Iр абс.

Тангенс угла потерь tg = Ia/Ip. Учитывая, что Iр = UС,  =2f (f - частота подведенного напряжения), активные потери в диэлектрике могут быть вычислены по формуле:

Р =U² 2  f C tg 

Выражение показывает, что потери пропорциональны тангенсу угла потерь и увеличиваются с ростом частоты. Поэтому стандартами оговариваются значения tg 8 для высокочастотных диэлектриков.

Наименьшие значения tg , порядка 10 ^-6 - 10 ⁵ имеют газообразные диэлектрики. Большинство твердых диэлектриков имеют tg в пределах от 0,005 до 0,03, а высокочастотные (2-5)  10 ^-4.

Рис. 1.1. Векторная диаграмма токов (а) и нахождения угла потерь (б) 

Выражение показывает, что потери пропорциональны тангенсу угла потерь и увеличиваются с ростом частоты. Поэтому стандартами оговариваются значения tg 8 для высокочастотных диэлектриков.

Наименьшие значения tg , порядка 10^-6 - 10 ⁵ имеют газообразные диэлектрики. Большинство твердых диэлектриков имеют tg в пределах от 0,005 до 0,03, а высокочастотные (2-5)  10 ^-4.

Электрическая прочность Епр - это напряженность электрического поля, при которой наступает пробой диэлектрика или полупроводника. Зная величину напряжения Uпp, при котором произошел пробой диэлектрика толщиной h, можно вычислить электрическую прочность:

Епр = Uпp/h.

Экспериментально определяют на пластинках материала толщиной 1-2 мм. На более толстых пластинах величина Епр будет меньше из-за ухудшения теплоотвода. Измеряется в МВ/м или кВ/мм.