3.1. Общие представления об электропроводности.

Идеальный диэлектрик имеет бесконечно большое электрическое сопротивление и не пропускает электрический ток. Однако реальные диэлектрики, используемые в технике, обладают некоторой конечной электропроводностью. Их удельное сопротивление велико и находится в диапазоне 10⁶– 10¹⁷ом·м и выше.

Электропроводность диэлектриков зависит от таких факторов как химический состав и строение, тип и концентрация дефектов и ионогенной примеси, интенсивности воздействия внешних ионизирующих излучений, напряженности электрического поля, температуры, влажности и других физических факторов. Электропроводность диэлектрика обусловлена движением свободных зарядов под действием приложенного электрического поля. В качестве носителей заряда могут выступать следующие виды заряженных частиц – электроны, ионы и коллоидные частицы. В соответствии с этим различают ионную, электронную и электрофоретическую проводимость. В слабых электрических полях у газообразных диэлектриков реализуется электронная и ионная проводимость, у твердых диэлектриков – ионная проводимость; у жидких диэлектриков – ионная и электрофоретическая проводимость.

3.2. Виды электропроводности диэлектриков.

При приложении к образцу твердого диэлектрика постоянного напряжения, через него протекает ток сквозной проводимости (ток утечки) I, который складывается из двух составляющих: тока объемной проводимостиI_Uи тока поверхностной проводимостиI_S (рис.2.):

I

Рис.2. Виды токов проводимости в твердом диэлектрике

=I_U + I_S

Контрольные вопросы по лекции №5.

1. Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры для полярных диэлектриков.

2. Распределение поля в двухслойном диэлектрике.

3. Виды электропроводности в диэлектриках разных агрегатных состояний.

Для сравнительной оценки величин токов объемной и поверхностной проводимостей пользуются значениями удельного объемного сопротивления ρ и удельного поверхностного сопротивления ρs. Поверхностная и объемная проводимости обусловлены разными причинами. Поверхностная проводимость обусловлена присутствием влаги и прочих загрязнений на поверхности диэлектрика. Достаточно тончайшего слоя влаги на поверхности диэлектрика, чтобы была обнаружена заметная проводимость. Адсорбция влаги на поверхности диэлектрика находится в тесной зависимости от относительной влажности окружающей среды. Резкое уменьшение поверхностного сопротивления наблюдается при повышении относительной влажности до 70 – 80%. Удельное поверхностное сопротивление тем выше, чем меньше полярность вещества, чем чище поверхность вещества. Поверхностное сопротивление также может быть повышено за счет качества механической обработки поверхности. Особенно резкое снижение поверхностного сопротивления наблюдается для полярных диэлектриков, у которых образуется поверхностная пленка электролита. Для повышения поверхностного сопротивления применяются различные способы очистки поверхностей: промывка, прокаливание, кипячение в дистиллированной воде.

С

Рис.3. Система электродов для определения объемного и поверхностного сопротивления диэлектриков.

хема установки для определения объемного и поверхностного сопротивления диэлектриков изображена на рис.3. На рис.3 цифрой 1 обозначен измерительный электрод, 2 – кольцевой электрод, используемый как заземляющий при определении объемного сопротивления и как высоковольтный при определении поверхностного сопротивления; 3 – электрод, используемый как высоковольтный при определении объемного сопротивления и как заземляющий при определении поверхностного сопротивления; 4 – испытуемый диэлектрик. Удельное объемное сопротивление диэлектрика может быть определено по формуле:ρ = R∙S/h, Ом∙м, гдеR– измеренное сопротивление образца, Ом, S – площадь измерительного электрода 1, м²; h – толщина образца. Удельное поверхностное сопротивление определяется по формуле:ρ_s=2πR_s/ln(d₁/d₂), Ом∙м, гдеR_s– измеренное сопротивление образца, Ом,d₁ – внутренний диаметр кольцевого электрода 2 d₂– наружный диаметр измерительного электрода 1.

В отношении явления поверхностной проводимости можно сделать следующие обобщения. Зависимость удельной поверхностной проводимости от влажности обуславливается наличием на поверхности диэлектрика диссоциирующих на ионы веществ. Вода, попавшая на поверхность, способствует их выявлению Если эти вещества являются загрязнениями, то путем их удаления можно получать высокие значения удельного поверхностного сопротивления при любой влажности воздуха. Если такие вещества являются составной частью материала, то удельное поверхностное сопротивление будет сильно снижаться при увеличении влажности. Следует использовать специальные защитные покрытия для снижения гигроскопичности диэлектрика, обеспечивать несмачиваемость его поверхности водой. Например, покрытие керамики и стекол кремнийорганическими лаками значительно повышает величину удельного поверхностного сопротивления изделий во влажной среде.

Ток, обусловленный объемной проводимостью диэлектриков, имеет достаточно сложную форму даже при приложении постоянного напряжения. Ток объемной проводимости состоит из двух основных составляющих: 1) токи смещения и адсорбционные токи и 2) сквозные токи.

График тока при подаче постоянного напряжения представляет собой спадающую до установившегося значения экспоненту, убывающую от начального достаточно большого значения до относительно небольшого установившегося значения.

Начальный бросок тока вызван за счет упорядоченного перемещения частиц вещества в процессе поляризации. Некоторые виды поляризации вещества протекают практически мгновенно. Однако есть и виды поляризации, протекающие достаточно медленно, например релаксационная поляризация. Электрический ток, вызванный движением частиц в процессе поляризации вещества, называется током смещения. Когда задействованы относительно медленные механизмы поляризации, эту составляющую тока называют ещеадсорбционным током.

Очевидно, что с течением времени эти составляющие тока уменьшаются до нуля. При постоянном напряжении токи смещения наблюдаются только в моменты включения и выключения напряжения. При переменном напряжении токи смещения имеют место постоянно в течение всего времени действия электромагнитного поля на материал.

Составляющая тока, которая не меняется со временем после приложения постоянного напряжения и представляет собой стационарный поток заряженных частиц, называется током сквозной проводимости, илитоком утечек. Именно по величине сквозного тока определяют удельную объемную и поверхностную проводимость диэлектрика. Ток сквозной проводимости обусловлен направленным движением носителей заряда, поставляемых ионогенными примесями или самим диэлектриком. Чтобы учесть влияние поляризационных токов, сопротивление твердого диэлектрика рассчитывают частное от деления приложенного напряжения к току, измеренному через одну минуту после включения напряжения.

Величина тока сквозной проводимости при длительном приложении постоянного напряжения может существенно изменяться в результате электрохимических процессов и образования объемных зарядов в диэлектрике. Строго говоря, величина сквозного тока не будет изменяться только при чисто электронном типе проводимости. Если при длительном приложении напряжения ток утечки продолжает снижаться, то электропроводность данного материала обусловлена в основном ионами примеси и она снижается за счет электроочисткиобразца. Если же ток утечки увеличивается, то это указывает на участие в образовании электрического тока собственных зарядов материала, т.е. имеет местоэлектролиз. В этом случае материал стареет - в нем протекают необратимые электрохимические процессы, постепенно приводящие к разрушению (пробою) образца.