3.2 Електропровідність діелектриків

Діелектричні матеріали складаються з нейтральних і електрично заряджених часток. Носіями зарядів можуть бути іони, електрони, окремі молекули або цілі їх групи. Якщо під дією прикладної напруги виникає направлене переміщення зарядів, то говорять, що в діелект­рику протікає наскрізний струм. Таким чином, струм через діелект­рик, обумовлений прикладним до нього електричним полем, назива­ють струмом наскрізної провідності.

Електропровідність газоподібних діелектриків

При невеликих значеннях напруженості електричного поля гази мають винятково малу електропровідність. Іонізація може відбувати­ся за рахунок поглинання квантів променевої енергії — фото­нів. Такий вид іонізації одержав назву фотоіонізації.

У слабких електричних полях заряджені частки не в змозі дося­гти швидкості, достатньої для одержання енергії більшої або рівної енергії іонізації. Тому електропровідність газу, яка обумовлена тільки дією зовнішніх іонізаторів, одержала назву несамостійної. У цих умо­вах справедлива чинність закону Ома, коли при підвищенні напруже­ності провідність змінюється лінійно.

При подальшому збільшенні напруженості поля кількість рекомбінуючих часток зменшується, підвищення щільності струму спо­чатку уповільнюється, а потім у деяких межах залишається постій­ною, практично не залежачи від напруженості електричного поля Е. Такий стан діелектрика називають станом насичення.

Для повітря, в нормальних умовах, насичення настає при Е =0,6 В/м. Реальне значення густини струму при цьому дорівнює приблизно 10^-15 А/м². Тому повітря можна розглядати як до­сконалий діелектрик.

При подальшому збільшенні напруженості електричного поля до критичної величини заряджені частки отримують швидкість, достат­ню для початку ударної іонізації, при цьому кількість іонізованих ча­сток, і відповідно щільність струму, починає знову зростати.

Електропровідність рідинних діелектриків

Носіями електричних зарядів у рідинних полярних діелектриках є іони самого діелектрика і його домішок — іонна провідність; колої­дні частки — катафоретична провідність та електрони — електронна провідність. У неполярних діелектриках електропровідність визначається переважно наявністю дисоційованих домішок.

1) Іонна провідність визначається переміщенням іонів, що утво­рилися як у результаті дисоціації основних молекул рідини чи домі­шок, так і внаслідок іонізаційних процесів у самій рідині.

Кожна рідина, за умови відсутності зовнішнього електрично­го поля, має певний ступінь дисоціації, при якому іони й молекули рухаються в рідині хаотично. При накладанні електричного поля по­чинається зміщення позитивних і негативних іонів до відповідних електродів.

Рухливість позитивних і негативних іонів у слабких полях має незначну величину порядку 10^-4 см²/с·В. У цих умовах внаслідок малих відстаней вільного пробігу електрони не встигають отримати енергію, достатнью для здійснення ударної іонізації. При цьому струм із збільшенням напруженості поля лінійно змінюється, підлягаючи закону Ома. За умови перебільшення деякого критичного значення напруженості поля питома провідність рідинних діелектриків збільшується.

У звичайних умовах питома провідність рідинних очищених діе­лектриків знаходиться в межах від 10^-8 до 10^-13 1/Ом·м.

2) Катафоритична провідність виникає внаслідок переміщення в рідині заряджених колоїдних часток домішок. При цьому в переносі заряду можуть брати участь рідинні домішки (емульсії) і тверді час­тки (суспензії). У такому випадку діелектрик з водяними включеннями слід розглядати як неоднорід­ний діелектрик з напівпровідниковими включеннями, роль яких ви­конує вода. Це пояснюється тим, що питома провідність навіть чи­стої води, перегнаної у вакуумі, при 18°С, знаходиться на рівні 4,41·10^-8 1/Ом·см. За таких умов особливо небезпечні в діелектрику домішки, які легко дисоціюють і розчиняються у воді. Різке збіль­шення провідності характерне, наприклад, для непросоченого паперу. При поглинанні лише 1 % води питома провідність його збільшується на три порядки.

Електропровідність твердих діелектриків

Електропровідність твердих тіл обумовлюється переміщенням як іонів самого діелектрика, так і іонів випадкових домішок, а у деяких матеріалів може бути викликана наявністю вільних електронів. Електронна електропровідність найбільш помітна при сильних електричних полях. Вид електропровідності встановлюють експериментально, користуючись законом Фарадея.

Ефект провідності обумовлює протікання через діелектрик на­скрізного струму. Протікання його через діелектрик пов'язане з втра­тами джерелом поля енергії, тому на схемах заміщення діелектриків явище наскрізної провідності відображають символом резистора.

Розглядаючи електропровідність діелектриків, слід розрізняти дві складові наскрізного струму: наскрізний струм через об'єм діелек­трика — «об'ємний наскрізний струм» і наскрізний струм по поверхні твердого діелектрика, що стикається з газоподібним або рідинним ді­електриком, — «поверхневий наскрізний струм». Відповідно розріз­няють об'ємну і поверхневу провідності.

Під об'ємною електричною провідністю розуміють провідність діелектрика, рівну відношенню об'ємного наскрізного струму до при­кладеної напруги. Поверхневою електричною провідністю називають відношення поверхневого наскрізного струму до прикладеної на­пруги. Поверхнева провідність залежить від природи і властивостей твердого діелектричного матеріалу, ступеня жорсткості його поверхні і, головним чином, від відкладання на ній певних речовин, наприклад, вологи, яка утворює з добре розчинними в ній осадами провідну плів­ку. В умовах експлуатації в місцевостях з дуже забрудненою атмосфе­рою поверхнева провідність ізоляційних конструкцій значно більше впливає на умови їх роботи, ніж об'ємна провідність застосованих в них діелектричних матеріалів.

Для більш повного та детального розуміння цього питання прочитайте матеріали 1 (стр.133-149), 2 (стр.30-43) література.