2.2. Электропроводность твердых диэлектриков

Электропроводность диэлектриков чаще всего носит не электронный, а ионный характер. Это связано с тем, что ширина запрещенной зоны в диэлектриках много больше энергии теплового движения и лишь ничтожное количество электронов может переходить за счет теплового движения из валентной зоны в зону проводимости, становясь носителями тока. Ионы же часто оказываются более слабосвязанными в узлах решетки, и энергия активацииW, необходимая для их ухода из нормального положения в решетке в дефектные, сравнима с тепловой энергиейkT. Например, в кристалле NaCl ширина запрещенной зоны= 6 эВ, а энергия активации иона NаW= 0.85 эВ.

Электропроводность твердых диэлектриков растет с увеличением температуры по экспоненциальному закону:

(12)

Увеличение с температурой электропроводности в диэлектриках часто обусловлено не только изменением концентрации свободных ионов, но и ростом их подвижности.

Во многих случаях зависимость электропроводности G_vот температуры хорошо описывается формулой:

, (13)

где а– постоянная, зависящая от природы диэлектрика;в– коэффициент, определяющий энергию активации;Т– температура образца диэлектрика, в К.

На рис. 4 приведена зависимость логарифма отношения от обратной абсолютной температуры. Здесь– объемная электропроводность при температуреТ, а– объемная электропроводность при комнатной температуре.

ln G_vt /G_vk

А

ln

Т_А, 10^-3К^-1

Рис. 4. Зависимость электропроводности диэлектрика

от температуры

По наклону участков кривой можно определить энергию активации носителей заряда и их физическую природу:

, (14)

где K_B– постоянная Больцмана; W – энергия активации носителей заряда в твердом диэлектрике в электронвольтах.

3. Зависимость поверхностного сопротивления диэлектриков от различных факторов

На величину поверхностного сопротивления твердых диэлектриков особенно значительно влияют состояния их поверхности и условия образования на ней влажной пленки: смачиваемость, шероховатость, пористость, растворимость диэлектрика в воде. Как правило, диэлектрики неполярного строения (парафин, полистирол, полиэтилен) слабо адсорбируют влагу (не смачиваются), в связи с чем, их удельное поверхностное сопротивление близко к удельному объемному сопротивлению. Если поверхность таких диэлектриков имеет шероховатость, то в связи с удержанием ею пыли, осевшей из воздуха, или других случайно попавших частиц, поверхностное сопротивление диэлектрика будет значительно снижено. Поэтому, в целях увеличения поверхностного сопротивления твердых диэлектриков, особенно при работе на открытом воздухе, их поверхность обычно шлифуется, полируется, покрывается глазурью и т. д.

3. Описание образца и экспериментальной установки

Определение твердых диэлектриков проводят на плоских образцах с электродами из фольги. Для обеспечения хорошего электрического контакта фольга по всей поверхности соприкосновения наклеивается на образцы проводящим клеем. Используется система из трех электродов: измерительного канала 1 (нижний электрод), общего (верхний электрод) и измерительного канала 2 (кольцевой электрод) (рис. 5).

1

d₂

d₁

3

4

2

Рис. 5. Расположение электродов на плоском образце:

1 – верхний электрод; 2 – нижний электрод; 3 – электрод

в виде кольца, охватывающий верхний электрод; 4 – иссле-

дуемый образец диэлектрика

Напряжение прикладывается между измерительным электродом и общим электродом, ток измеряется в их цепи. В зависимости от измеряемой величиныилиодни и те же электроды выполняют различные функции. Размеры электродов стандартизированы. Для данной измерительной системы:d₁= 60 мм,d₂= 66 мм. Толщина образцов составляет 4 мм.

Измерение поверхностного и объемного сопротивления твердых диэлектриков проводят на установке ИЭП1 (рис. 6).

Установка ИЭП1 предназначена для измерения сопротивления на постоянном токе в диапазоне 10...10¹³Ом. Применяемый в приборе метод измерения сопротивлений основан на сравнении измеряемого сопротивления и образцового сопротивления с помощью операционного усилителя, охваченного глубокой обратной связью (рис. 7). В приборе имеются два диапазона измерений и используются две шкалы – линейная и обратно пропорциональная. Измерения сопротивлений в диапазоне 10²...10⁶Ом проводятся по линейной шкале, а в диапазоне 10⁷...10¹³Ом – по обратно пропорциональной шкале. Для исследуемых в работе образцов диэлектриков, имеющих сопротивление выше 10⁶Ом, измерения проводятся по обратно пропорциональной шкале.

На передней панели прибора расположены:

1. индикатор шкалы; 7. кнопка выключателя “Сеть”;

2. кнопки выбора поддиапазона; 8. индикатор связи с ЭВМ;

3. индикатор результата измерения; 9. кнопка переключения канала;

4. кнопки выбора температуры; 10. индикатор выбора канала;

5. индикатор температуры 11. термокамера.

6. индикатор нагрева;

Рис. 6. Общий вид панели установки для измерений

электрического сопротивления

При измерениях с линейной шкалой источник напряжения и образцовый резистор образуют искусственный генератор тока, а измеряемое сопротивление включается в цепь обратной связи.

Рис 7. Принципиальная схема измерения

Измеряемое сопротивление определяется по формуле:

, Ом

где R₂– измеряемое сопротивление, Ом;

R₁– сопротивление образцового резистора, Ом;

U_вых– выходное напряжение усилителя, В;

U_вх – входное напряжение с источника сигнала, В;

При измерениях с обратно пропорциональной шкалой источник напряжения и измеряемый объект образуют искусственный генератор тока. Образцовый резистор включают в цепь обратной связи. Измеряемое сопротивление определяется по формуле:

, Ом

где R₁– измеряемое сопротивление, Ом;

R₂– сопротивление образцового резистора, Ом;

ВАЖНО: Перед началом работы сформируйте файл отчета. Для этого запустите на Рабочем столе пиктограмму файла «Отчет» и заполните предлагаемую форму. Затем сохраните ее, нажав клавишу <ЗАПИСЬ>.