Розділ 2. Електрофізичні характеристики матеріалів.

2.1. Електропровідність матеріалів.

Особливістю використання матеріалів в електроенергетиці є те, що вони експлуатуються в умовах впливу електричних полів, і в трохи меншому ступені, в умовах впливу магнітних полів. Основними процесами, що відбуваються під дією цих полів є поляризація речовини, електропровідність, намагнічування речовини.

Електропровідність – це здатність матеріалу проводити електричний струм.

Хто пам'ятає визначення електричного струму з курсу фізики? Електричним струмом називається спрямований рух електрично заряджених часток. Електричний струм може бути викликаний зарядженими частками різних типів. Основні види заряджених часток – це електрони й іони.

2.1.1. Основне рівняння електропровідності.

Можна написати найбільш загальну формулу, для щільності струму j, вірну для будь-яких середовищ,

j = ·q_i·V_i

Тут i - тип або cорт заряду, (наприклад електрони, іони різних молекул, заряджені частки й т.п.), n_i - концентрація зарядів i-го різновиду, q_i - значення заряду, V_i - швидкість носіїв заряду.

Щоб розібратися з електропровідністю різних матеріалів, необхідно зрозуміти, які в них щільності (концентрації) заряду, як вони з'являються й від чого вони залежать, які величини зарядів, з якими швидкостями можуть рухатися. Усе це головні питання у вивченні електропровідності.

Для всіх середовищ, за винятком вакууму, швидкість носіїв пропорційна напруженості поля

V_i = b_i·E

де b_i - рухливість носіїв заряду.

Рухливістю носіїв заряду називається коефіцієнт пропорційності між швидкістю носіїв заряду V_i і напруженістю поля E. Розмірність рухливості - м²/(В с). Фактично рухливість чисельно дорівнює швидкості носіїв заряду при напруженості поля 1 В/м.

Підставляючи рівняння (2) в (1) одержимо аналог закону Ома в диференціальній формі, що зв'язує щільність струму з напруженістю електричного поля. Ми одержимо вираз, за допомогою якого можна прогнозувати величину електричного опору того або іншого матеріалу.

Типи носіїв заряду і їх рухливість можуть бути різними в різних середовищах. Рухливість носіїв також сильно залежить від середовища.

Основними видами заряджених часток є електрони й іони – те, що залишається від атома або молекули, коли вони втрачають електрони.

2.1.2. Електропровідність металів

В атомах металів електрони досить слабко пов'язані з іонними залишками. Тому при утворі з атомів властиво матеріалу металу ці електрони від різних атомів як - би усуспільнюються й можуть вільно пересуватися по всім обсягу металу. Вони і є носіями заряду. Зразкова кількість електронів у металі становить близько 10²² шт/см³. Їхня рухливість також велика. Оцінки дають значення bi приблизно 10^-2-10^-1 м²/(В с).

2.1.3. Електропровідність газів

Гази мають винятково малу провідність. Це пов'язане з дуже низькою концентрацією носіїв заряду. Поява носіїв у газі відбувається за рахунок іонізації нейтральних молекул під дією зовнішніх факторів або при зіткненні заряджених часток з молекулами. Основним фактором, що визначають провідність газів, є космічне випромінювання. Звичайно в повітрі утворюється порядку 1000 шт. електронів і іонів в 1 див³ за 1 сек. Іонізація сильно збільшується при нагріванні газу. Електропровідність газу, обумовлена цим явищем, називається несамостійної.

Під дією сильних електричних полів заряджені частки можуть здобувати більші швидкості й утворювати нові іони при зіткненнях з нейтральними молекулами. Електропровідність газу, обумовлена цим явищем, називається самостійної. У слабких електричних полях ударна іонізація відсутня.

О

Рис.1.1. Залежність струму від напруги для газів.

дночасно з утворенням носіїв зарядів протікає протилежний процес – об'єднання заряджених часток у нейтральні молекули. Цей процес називається рекомбінацією. Наявність рекомбінації пояснює встановлення певного рівня іонів через короткий час після початку дії зовнішнього іонізатора.

Характер залежності струму від напруги для газу представлений на рис.1.1. При невеликих значеннях напруги виконується закон Ома. У цій області запас позитивних і негативних часток достатній і практично постійний. При збільшенні напруги позитивні іони не встигають рекомбінувати й розряджаються на електродах. Це відповідає горизонтальній ділянці кривої. При подальшім збільшенні напруги внаслідок ударної іонізації з'являється самостійна провідність, і струм знову починає рости зі збільшенням напруги.