Московский Авиационный Институт (государственного технического университета)

РАДИОВТУЗ

­­­

Отчёт о Курсовой работе

Радиоматериалы и радиокомпоненты

По теме:

Исследование электропроводности твердых диэлектриков

Разработал _____________ А.Г. Дорогуш

^{подпись, дата}

Проверил _____________Т.Ю. Васильева

^{подпись, дата}

Москва 2012

3.Введение

Диэлектрическими называют материалы, основным электрическим свойством которых является способность к поляризации и в которых возможно существование электростатического поля. Реальный (технический) диэлектрик тем более приближается к идеальному, чем меньше его удельная проводимость и чем слабее у него выражены замедленные механизмы поляризации, связанные с рассеиванием электрической энергии и выделением, теплоты.

При применении диэлектриков — одного из наиболее обширных классов электротехнических материалов — довольно четко определилась необходимость использования как пассивных, так и активных свойств этих материалов.

Пассивные свойства диэлектрических материалов используются, когда их применяют в качестве электроизоляционных материалов и диэлектриков конденсаторов обычных типов. Электроизоляционными материалами называют диэлектрики, которые не допускают утечки электрических зарядов, т.е. с их помощью отделяют электрические цепи друг от друга или токоведущие части устройств, приборов и аппаратов от проводящих, но не токоведущих частей (от корпуса, от земли). В этих случаях диэлектрическая проницаемость материала не играет особой роли или она должна быть возможно меньшей, чтобы не вносить в схемы паразитных емкостей. Если материал используется в качестве диэлектрика конденсатора определенной емкости и наименьших размеров, то при прочих равных условиях желательно, чтобы этот материал имел большую диэлектрическую проницаемость.

Активными (управляемыми) диэлектриками являются сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, пироэлектрики, электролюминофоры, материалы для излучателей и затворов в лазерной технике, электреты и др.

В зависимости от влияния напряженности электрического поля на значение относительной диэлектрической проницаемости материала все диэлектрики подразделяют на линейные и нелинейные.

Для линейных диэлектриков с малыми потерями энергии зависимость заряда конденсатора от напряжения (переменной полярности) имеет вид прямой; для нелинейных диэлектриков (сегнетоэлектриков) в этих условиях зависимость заряда от напряжения принимает форму петли гистерезиса.

Неполярными диэлектриками являются газы, жидкости и твердые вещества в кристаллическом и аморфном состояниях, обладающие в основном только электронной поляризацией. К ним относятся водород, бензол, парафин, сера, полиэтилен и др.

Полярные (дипольные) диэлектрики — это органические жидкие, полужидкие и твердые вещества, имеющие одновременно дипольно-релаксационную и электронную поляризации. К ним относятся нитробензол, кремнийорганические соединения, фенолформальдегидные смолы, эпоксидные компаунды, хлорированные углеводороды, капрон и др.

4.Исследование теоретическое

Электропроводность твердых тел обусловлена как передвижением ионов самого диэлектрика, так и ионов случайных примесей, а у некоторых материалов может быть вызвана наличием свободных электронов.

Вид электропроводности устанавливают экспериментально, используя закон Фарадея. Ионная электропроводность сопровождается переносом вещества на электроды. При электронной электропроводности это явление не наблюдается.

В процессе прохождения электрического тока через твердый диэлектрик содержащиеся в нем ионы примесей могут частично удаляться, выделяясь на электродах; последнее с течением времени приводит к уменьшению проводимости и тока.

В твердых диэлектриках ионного строения электропроводность обусловлена главным образом перемещением ионов, вырываемых из решетки под влиянием флуктуации теплового движения. При низких температурах передвигаются слабо закрепленные ионы, в частности ионы примесей. При высоких температурах движутся основные ионы кристаллической решетки.

В диэлектриках с атомной или молекулярной решеткой электропроводность зависит от наличия примесей, а также от влажности и температуры окружающей среды.

Удельная проводимость (в ) при температуре :

,

(4.1)

где  – заряд носителя, Кл;  – число носителей в единице объема (концентрация), ;  – подвижность, .

При относительно невысоких напряженностях электрического поля концентрация носителей заряда и подвижность  не зависят от , т. е. скорость их перемещения  пропорциональна напряженности поля:  – соблюдается закон Ома.

Подвижность электронов на много порядков больше, чем подвижность ионов. В двуокиси титана, например, подвижность электронов составляет около , тогда как подвижность ионов в алюмосиликатной керамике всего . В диэлектрике с электронной электропроводностью концентрация электронов в  раз меньше, чем концентрация носителей в диэлектрике с ионной электропроводностью при одинаковом заряде носителей и одинаковом значении удельной проводимости.

При ионной электропроводности число диссоциированных ионов находится в экспоненциальной зависимости от температуры:

,

где  – общее число ионов в ;  – энергия диссоциации;  – тепловая энергия.

Подвижность иона также выражается экспоненциальной зависимостью от температуры:

,

где  – предельная подвижность иона;  –энергия перемещения иона, определяющая переход его из одного неравновесного положения в другое.

Подставляя  и  в формулу для удельной проводимости (4.1) и объединяя постоянные ,  и  одним коэффициентом , получаем:

,

(4.2)

где

.

Формула показывает, что чем больше значения энергии диссоциации и перемещения, тем резче изменяется проводимость при изменении температуры.

Ввиду того, что обычно , температурная зависимость проводимости определяется главным образом изменением концентрации носителей. Величина  для твердых веществ лежит в пределах 10000 - 22000 К.

Если в диэлектрике ток обусловлен передвижением разнородных ионов, выражение (4.2) принимает вид:

.

В связи с этим кривые логарифмической зависимости удельной проводимости от температуры имеют изломы. При низких температурах электропроводность обусловлена ионизированными примесями, при высоких температурах она становится собственной. В некоторых случаях излом кривой температурной зависимости логарифма удельной проводимости объясняется тем, что ионы основного вещества имеют различные энергии диссоциации.

Практически при рассмотрении зависимостей  от температуры можно использовать приближенные формулы вида:

где  – удельная объемная проводимость при ;  – удельное объемное сопротивление при ;  – соответствующие температурные коэффициенты.

Собственная электропроводность твердых тел и изменение ее в зависимости от температуры определяются структурой вещества и его составом.

В телах кристаллического строения с ионной решеткой электропроводность связана с валентностью ионов. Кристаллы с одновалентными ионами обладают большей удельной проводимостью, чем кристаллы с многовалентными ионами. Так, для кристалла  удельная проводимость значительно больше, чем для кристаллов  или .

B анизотропных кристаллах удельная проводимость неодинакова по разным его осям. Например, в кварце удельная проводимость в направлении, параллельном главной оси, примерно в 1000 раз больше, чем в направлении, перпендикулярном этой оси.

В кристаллических телах с молекулярной решеткой (сера, алмаз) удельная проводимость мала и определяется в основном примесями.

У твердых пористых диэлектриков при наличии в них влаги даже в ничтожных количествах значительно увеличивается удельная проводимость. Высушивание материалов повышает их электрическое сопротивление, но при нахождении высушенных материалов во влажной среде сопротивление вновь уменьшается.

Наиболее заметное снижение удельного объемного сопротивления под влиянием влажности наблюдается у пористых материалов, которые содержат растворимые в воде примеси, создающие электролиты с высокой проводимостью. Для уменьшения влагопоглощения и влагопроницаемости пористые изоляционные материалы подвергают пропитке.

При больших напряженностях электрического поля необходимо учитывать возможность появления в твердых диэлектриках электронного тока, быстро возрастающего с увеличением напряженности поля, в результате чего наблюдается отступление от закона Ома.