2.1.2. Электропроводность твердых тел
Электропроводность твердых тел обусловливается передвижением ионов как 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 в жидкостях.
В твердых диэлектриках ионного строения электропроводность обусловлена главным образом перемещением ионов, освобождаемых под влиянием флуктуаций теплового движения. При низких температурах передвигаются слабо закрепленные 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 весь- ма мала.
В каждом отдельном случае вопрос о механизме электропроводности решается на основании данных об энергии активации носителя заряда. Известно, например, что для каменной соли энергия активации ионов натрия при нормальной температуре составляет примерно 0,85 эВ. Энергия активации ионов хлора в три раза больше, а энергия активации электронов равна 6 эВ, тогда как средняя энергия теплового движения при комнатной температуре составляет всего лишь 0,025 эВ.
Подвижность электронов на много порядков больше, чем подвижность ионов. В двуокиси титана, например, подвижность электронов составляет примерно 10-4 м2/(с∙В), тогда как подвижность ионов в алюмосиликатной керамике всего лишь 10-13–10-16 м2/(с∙В). В связи с указанным в диэлектрике с электронной электропроводностью концентрация электронов в 109–1012 раз меньше, чем концентрация носителей в диэлектрике с ионной электропроводностью, при одинаковом заряде носителей и одинаковом значении 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. В таблице 2.1 приведены значения удельного объемного сопротивления пористых материалов при различных влажности окружающего воздуха и температуре.
Таблица 2.1
Значения удельного объемного сопротивления твердых пористых диэлектриков
Материал |
Значения Ом∙м, при относительной влажности воздуха |
||
70% (t=20 0C) |
0% (t=100 0C) |
0% (t=20 0C) |
|
Мрамор |
106-108 |
1010-1012 |
1012-1014 |
Дерево |
106-107 |
1010-1011 |
1011-1012 |
Фибра |
106-107 |
108-109 |
1011-1012 |
При больших напряженностях поля необходимо учитывать возможность появления в кристаллических диэлектриках электронного тока, быстро возрастающего с увеличением напряженности поля, вследствие чего наблюдаются отступления от закона Ома.
При напряженностях поля, превышающих 10–100 МВ/м, зависимость удельной проводимости от напряженности поля может быть выражена эмпирической формулой Пуля:
, (2.7)
где – удельная проводимость в области независимости от E;
– коэффициент, характеризующий диэлектрические свойства материала;
E – напряженность поля.
При напряженностях поля близких к пробивным значениям, более точной оказывается формула Я. И. Френкеля:
. (2.8)