Электропроводность диэлектриков.

Полная плотность тока в диэлектрике, называемая током утечки, представляет собой сумму плотностей тока J_аб – абсорбционного и J_скв– тока сквозной электропроводности.

Абсорбционными называют токи смещения (или поляризационные), возникающие при различных видах замедленной поляризации.

Поляризационные токи обусловлены поляризационными процессами смещения любых зарядов в веществе. Токи смещения при электронной и ионной поляризациях настолько кратковременны, что их обычно не удается зафиксировать приборами.

При постоянном напряжении абсорбционные токи проходят только в момент включения или выключения напряжения.

При переменном напряжении они имеют место в течение всего времени нахождения материала в электрическом поле.

После завершения процессов поляризации через диэлектрик проходит только ток сквозной электропроводности. Сквозной ток определяется небольшим числом свободных электронов, а также инжекцией электронов из электродов.

Проводимость диэлектрика при постоянном токе определяется по сквозному току, который сопровождается выделением и нейтрализацией зарядов на электродах.

При переменном токе (напряжении) активная проводимость определяется не только сквозным током, но и активными составляющими поляризационных токов.

У твердых изоляционных материалов различают объемную и поверхностную электропроводность.

В большинстве случаев электропроводность диэлектриков ионная, реже – электронная.

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

Ионная электропроводность сопровождается переносом вещества на электроды.

При электронной электропроводности этого явления нет.

В твердых диэлектриках ионного строения электропроводность обусловлена главным образом перемещением ионов, вырываемых из решетки влиянием флуктуаций теплового движения. При низких температурах движутся 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.

Удельная проводимость диэлектрика (в См м^-1) определяется формулой

J = q N_{T T},

где q – заряд носителя, N_T – число носителей в единице объема, _T – подвижность.

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

Подвижность электронов в диэлектриках намного больше подвижности ионов.

Например в TiO₂ подвижность электронов составляет около 10^-4 м²/(В с), а в алюмосиликатной керамике подвижность ионов варьируется в диапазоне 10^-13 – 10^-16.

С другой стороны, в диэлектриках с электронной электропроводностью концентрация электронов в 10⁹ – 10¹² раз меньше, чем ионов при одинаковых температурах. Поэтому электронная и ионная составляющие проводимости в диэлектриках сопоставимы.

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

N_T = N exp [ - E_D/kT],

где N – общее число ионов в м³, E_D – энергия диссоциации, kT – тепловая энергия.

Подвижность иона _T также выражается экспоненциальным законом

_T = _max exp [ - E_пер/kT],

Где _max – предельная подвижность иона, E_пер – энергия перемещения иона, определяющая переход его из одного неравновесного положения в другое.