15 Электропроводность твердых тел

Электропроводность твердых тел обусловливается передвижением, как ионов самого диэлектрика, так и ионов случайных приме­сей, а у некоторых материалов может быть вызвана наличием сво­бодных электронов. Электронная электропроводность наиболее заметна при сильных электрических полях. Вид электропроводно­сти устанавливают экспериментально, используя закон Фарадея. Ионная электропроводность сопровождается переносом вещества. При электронной электропроводности это явление не наблюдается. В процессе прохождения электрического тока через твердый диэлектрик, содержащиеся в нем ионы примеси могут частично уда­ляться, выделяясь на электродах, как это имеет место и в жидко­стях.

В твердых диэлектриках ионного строения электропроводность обусловлена главным образом перемещением ионов, освобождаемых под влиянием флуктуации теплового движения. При низких темпе­ратурах передвигаются слабозакрепленные ионы, в частности ионы примесей. При высоких температурах освобождаются и неко­торые ионы из узлов кристаллической решетки.

В диэлектриках с атомной или молекулярной решеткой электро­проводность связана только с наличием примесей, удельная прово­димость их весьма мала. Удельная проводимость при некоторой температуре Т выра­жается той же простой зависимостью, что и для жидкостей . При этом /Е=u, как известно, носит название подвижности носителей заряда и в системе СИ измеряется в м²/(сВ). Подвижность электронов и их масса влияют на проводимость. Полагая, что при ионной электропроводности число диссоцииро­ванных ионов и их подвижность находятся в экспоненциальной зависимости от температуры, имеем , , где n_омax и u_мax соответствуют значения Т = , W_Д — энергия диссо­циации ионов, W_п — энергия перемещения иона, определяющая переход его из одного неравновесного положения в другое. Используя все формулы и объединяя постоянные в один коэффициент, получим: , где . Эта формула показывает, что чем больше значения энергии диссоциации и перемещения, тем сильнее изменяется удельная проводимость с температурой. Численное значение коэффициента b находится из экспериментально полученной зависимости удельной проводимости от величины, обратной температуре: , где  - интервалы изменения величин по осям графика. В случае если в диэлектрике ток обусловлен передвижением разнородных ионов: . В связи с этим логарифмическая зависимость удельной прово­димости от величины, обратной температуре, имеет изломы, что видно из рис. 2-5.

В телах кристаллического строения с ионной решеткой электро­проводность связана с валентностью ионов. Кристаллы с одновалентными ионами обладают большей проводимостью, чем кристаллы с многовалентны­ми ионами. В кристаллах проводи­мость неодинакова по разным осям кристалла. Так, прово­димость в направле­нии, параллельном главной оси, больше, чем в направлении, перпендикулярном этой оси. Удельная проводимость аморфных тел одинакова во всех направлениях и обуслов­ливается составом материалов и наличием примесей. У вы­сокомолекулярных органиче­ских и элементоорганических полимеров она зависит также от степени полимеризации (например, для фенолоформальдегидной смолы), от степени вулканизации (для эбонита). Органические неполярные аморфные диэлектрики, как, например, полистирол, отличаются очень малой удельной проводимостью.

Большую группу аморфных тел составляют неорганические стекла. Электропроводность стекол самым тесным образом связана с химическим составом, что дает воз­можность в ряде случаев получать заранее заданную величину удельной проводимости.

Твердые пористые диэлектрики при наличии в них влаги, даже в ничтожных количествах, резко увеличивают свою удельную проводимость. Высушивание материалов повышает их удельное сопротивление, но при нахождении высушенных материалов во влажной среде вновь уменьшается.

Керамические материалы в отличие от органической изоляции при отсутствии электрического поля не стареют, т. е. не происходит необратимых изменений их свойств под действием высоких темпера­тур. Однако в электрическом поле наблюдается электрохимическое старение керамики, часто вызывающее потерю электрической прочности ее. Необратимые изменения свойств в керамике объясняются выходом кислорода из решетки.

Поверхностная электропроводность зависит от полярности вещества, от чистоты поверхности диэлектрика, от качества поверхности.