Ivalt.ru

И-Вольт
2 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Особенности тока утечки в твердых диэлектриках

Особенности электропроводности твердых, жидких и газообразных диэлектриков (стр. 1 из 2)

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

“Рязанский государственный радиотехнический университет”

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

ПО ДИСЦИПЛИНЕ

“Радиоматериалы ”

«Особенности электропроводности твердых, жидких и газообразных диэлектриков»

Работу выполнил: студент гр. 9010

Работу проверил: доцент кафедры БМПЭ

1. Основные определения и классификация диэлектриков.

2. Электропроводность твердых диэлектриков.

3. Электропроводность жидких диэлектриков

4. Электропроводность газообразных диэлектриков.

Основные определения и классификация диэлектриков

Электроизоляционными материалами или диэлектриками называются вещества, с помощью которых осуществляется изоляция элементов или частей электрооборудования, находящихся под разными электрическими потенциалами. По сравнению с проводниковыми материалами диэлектрики обладают значительно большим электрическим сопротивлением. Характерным свойством диэлектриков является возможность создания в них сильных электрических полей и накопления электрической энергии. Это свойство диэлектриков используется в электрических конденсаторах и других устройствах.

Согласно агрегатному состоянию диэлектрики делятся на газообразные, жидкие и твердые. Особенно большой является группа твердых диэлектриков (высокополимеры, пластмассы, керамика и др.).

Согласно химическому составу диэлектрики делятся на органические и неорганические. Основным элементом в молекулах всех органических диэлектриков является углерод. В неорганических диэлектриках углерода не содержится. Наибольшей нагревостойкостью обладают неорганические диэлектрики (слюда, керамика и др.).

По способу получения диэлектрики делятся на естественные (природные) и синтетические. Наиболее многочисленной является группа синтетических изоляционных материалов.

Многочисленную группу твердых диэлектриков обычно делят на ряд подгрупп в зависимости от их состава, структуры и технологических особенностей этих материалов. Так, выделяют керамические диэлектрики, воскообразные, пленочные, минеральные и др.

Все диэлектрики, хотя и в незначительной степени, обладают электропроводностью. В отличии от проводников у диэлектриков наблюдается изменение тока со временем вследствие спадания тока абсорбции. С некоторого момента под воздействием постоянного тока в диэлектрике устанавливается только ток проводимости. Величина последнего определяет проводимость диэлектрика.

При напряженности электрического поля, превосходящей предел электрической прочности диэлектрика, наступает пробой. Пробой представляет собой процесс разрушения диэлектрика, в результате чего диэлектрик теряет электроизоляционные свойства в месте пробоя.

Величину напряжения, при котором происходит пробой диэлектрика, называют пробивным напряжением Uпр, а соответствующее значение напряженности электрического поля называется электрической прочностью диэлектрика Eпр.

Пробой твердых диэлектриков представляет собой или чисто электрический процесс (электрическая форма пробоя), или тепловой процесс (тепловая форма пробоя). В основе электрического пробоя лежат явления, в результате которых в твердых диэлектриках имеет место лавинное возрастание электронного тока.

Характерными признаками электрического пробоя твердых диэлектриков являются:

независимость или очень слабая зависимость электрической прочности диэлектрика от температуры и длительности приложенного напряжения;

электрическая прочность твердого диэлектрика в однородном поле не зависит от толщины диэлектрика (до толщин 10־

электрическая прочность твердых диэлектриков находится в сравнительно узких пределах: 10

перед пробоем ток в твердом диэлектрике увеличивается по экспоненциальному закону, а непосредственно перед наступлением пробоя наблюдается скачкообразное возрастание тока;

при наличии неоднородного поля электрический пробой происходит в месте наибольшей напряженности поля (краевой эффект).

Тепловой пробой имеет место при повышенной проводимости твердых диэлектриков и больших диэлектрических потерях, а также при подогреве диэлектрика посторонними источниками тепла или при плохом теплоотводе. Вследствие неоднородности состава отдельные части объема диэлектрика обладают повышенной проводимостью. Они представляют собой тонкие каналы, проходящие через всю толщина диэлектрика. Вследствие повышенной плотности тока в одном из таких каналов будут выделяться значительное количество тепла. Это повлечет за собой еще большее нарастание тока вследствие резкого уменьшения сопротивления этого участка в диэлектрике. Процесс нарастания тепла будет продолжаться до тех пор, пока не произойдет тепловое разрушение материала (расплавление, науглероживание) по всей его толщине – по ослабленному месту.

Характерными признаками теплового пробоя твердых диэлектриков являются:

пробой наблюдается в месте наихудшего теплоотвода от диэлектрика в окружающую среду;

пробивное напряжение диэлектрика снижается с повышением температуры окружающей среды;

пробивное напряжение снижается с увеличением длительности приложенного напряжения;

электрическая прочность уменьшается с увеличением толщины диэлектрика;

электрическая прочность твердого диэлектрика уменьшается с ростом частоты приложенного переменного напряжения.

При пробое твердых диэлектриков часто наблюдаются случаи, когда до определенной температуры имеет место электрический пробой, а затем в связи с дополнительным нагревом диэлектрика наступает процесс теплового про

Электропроводность твердых диэлектриков

Для твердых диэлектриков, наиболее характерна ионная электропроводность. В кристаллических веществах ионную проводимость можно объяснить, исходя из представлений о внутренних нарушениях структуры или о дефектах решетки.

Согласно Я. И. Френкелю под действием тепловых флуктуаций ионы получают иногда энергию, достаточную, чтобы покинуть нормальные положения в решетке и попасть в пространство между нормально закрепленными ионами (межузелия). При тепловом возбуждении эти межузельные ионы перескакивают из одного межузельного положения в другое, а если к кристаллу приложено поле, то в направлении поля более часто. Если при движении по кристаллу ион встречает вакантное место, то он снова закрепляется в узле решетки. Такой процесс приводит к обмену атомов местами, т.е. к диффузии. Коэффициент диффузии D связан с подвижностью соотношением Нернста-Эйнштейна

μ / D = q / kT (2.9)

где μ — подвижность, q — заряд, k — постоянная Больцмана, Т — температура. Коэффициенты диффузии, вычисленные по этой формуле при комнатной температуре, очень малы, не более 10 -5 см 2 /с, а подвижность 10 — 4 см 2 /B•с.

В процессе электропроводности играют роль не только собственные ионы решетки, но и ионы примесей, особенно с высокой подвижностью. К таким ионам относятся ионы Na + , К + , Н + , роль которых велика уже при комнатной температуре. К числу примесных ионов с большой подвижностью относятся также ионы Cu + , Au + , Ag + . Для таких ионов D = 10 — 5 -10 -7 см 2 /с, μ = 10 — 2 -10 -4 см 2 /В•с.

Возможен и другой механизм электропроводности кристаллов — по Шоттки, при котором дефекты образуются в результате удаления равного числа анионов и катионов из нормальных узлов решетки, и помещений их в новые узлы на внешних и внутренних поверхностях кристалла. В этом случае вакансии перемещаются по кристаллу вследствие переноса в незанятый узел ионов из соседних узлов. Для многих ионных кристаллов удельная электропроводность экспоненциально зависит от температуры

γ = q n μ  γ exp(-Wa / kT) (2.10)

где Wa = W/2+U, a W = Wf или W = Wδ — энергия образования дефектов по Френкелю или по Шоттки в зависимости от типа дефектов, U — энергия активации перемещения ионов, меньшая W.

В координатах lnγ = f(1/T) эта зависимость представляется в виде прямой линии, либо в виде линии с изломом, если имеются два различных механизма проводимости (рис. 2.2). В этом случае зависимость γ от 1/T будет представляться суммой двух экспонент

Для низкотемпературного участка NaCl по экспериментальным данным Wa1 = 1,7-2,2 эВ. В низкотемпературной области проводимость в основном определяется примесями и кривая в этой области имеет более слабый наклон. Обычно Wa1 / Wa2  1/2, a γ12  10 -5 . Следует отметить, что Wa2 не чувствительна к наличию примесей.

В некоторых твердых неорганических диэлектриках, например в титаносодержащей керамике, возможна электронная или дырочная электропроводность.

Читать еще:  Как найти фазу для розетки

Токи смещения, абсорбции и сквозной проводимости

Токи смещения, абсорбции и сквозной проводимости

  • Ток смещения, поглощения и сквозной проводимости Вторая особенность проводимости диэлектрика заключается в том, что ток затухает с течением времени после приложения постоянного напряжения. Когда напряжение постоянного тока включено ток до dielec- 69.3. 3.3. Зависимость величины тока I в диэлектрике от времени t приложения постоянного напряжения (схематично):/cm-ток смещения, обусловленный вариантным типом поляризации;/AB-ток поглощения;/SC-ток смещения.-

Трайк сначала резко увеличивается, затем постепенно уменьшается, асимптотически приближаясь к значению постоянного установившегося состояния(рис. 3.3). Резкое увеличение тока в начале и его последующее уменьшение вызвано током смещения 1 см в диэлектрике. Плотность тока смещения USM определяется скоростью изменения вектора электрического смещения D (или вектора E, D=eoee): jCM=dD/dr=£OE(dE/dt). (3.4) ток смещения / см обусловлен как мгновенной (деформированной)

поляризацией, так и запаздывающей (ослабленной) поляризацией, а также перераспределением свободного заряда-их дрейфом, но не поляризацией. Людмила Фирмаль

В первом случае из-за короткого периода установления электронной и ионной поляризации/см невозможно зафиксировать с помощью измерительного прибора. Ток смещения, индуцированный поляризационным вариантным типом, является существенным в работе р-р-перехода в полупроводниковых приборах и подробно рассматривается в главе 8.6. Во втором случае ток смещения наблюдается в техническом диэлектрике от нескольких минут до нескольких десятков минут после подачи напряжения, называемого током поглощения / AB.

Ток поглощения 1А обусловлен типом поляризационной релаксации и перераспределением свободного заряда диэлектрического объема. Последнее приводит к накоплению носителей заряда в местах наибольшей концентрации дефектов решетки, неоднородностей, ловушек типа интерфейсов (уровней захвата). Это способствует поляризации организма. При поляризации диэлектрика на поверхности, обращенной к электроду, образуется поверхностно связанный заряд (см. главу 2.1.2). Для того чтобы компенсировать эти заряды на электродах, далее протекают сторонние заряды+0D и — (?)d (см. 2.1, J) образование и рост связаны с возникновением и ростом токов поглощения.

  • Когда поляризация диэлектрика начинает завершаться, рост заряда третьей стороны замедляется, а затем полностью прекращается, так что по мере завершения поляризации ток поглощения уменьшается и становится нулевым. Поток поглощения при постоянном напряжении наблюдается только в момент включения / выключения, переменное напряжение-при каждом полупериоде изменения электрического поля, то есть во все время приложения переменного напряжения. В результате поляризации диэлектрика, вызванной релаксацией вида, а также под действием образующегося объемного заряда, образец заряжается.

В диэлектриках возникает электрическое поле (ЭКФ), вектор которого направлен в противоположную сторону от приложенного магнитного поля. Если внешний источник напряжения от него и его короткозамкнутого выключается, а в паттерне идет обратный так называемый ток деполяризации, который образуется в результате высвобождения носителя в различные ловушки, то временная зависимость тока деполяризации включает информацию о молекулярной подвижности, структурных дефектах и в некоторых случаях предсказывает закономерность протекания тока полимерного диэлектрика или генерируется термически стимулированный ток деполяризации (ТДК).

Метод ТСД широко применяется при изучении релаксационных переходов (ТС, ТТ и др.). В законах накопления и движения полимерных диэлектриков, а также носителей заряда. Людмила Фирмаль

Составляющая тока, которая не изменяется при подаче постоянного напряжения, представляет собой постоянный поток заряженных частиц, разряженных в электрод, называемый сквозным током 1СК (сквозным током, током утечки или остаточным током), а величина сквозного тока определяет удельную объемную (или поверхностную) проводимость диэлектрика. Ток проводимости обусловлен направленным движением свободного заряда за счет обязательного разряда на электроде. Эти заряды питаются ионообразующими примесями, самими диэлектриками, и инжектируются с электродов сильным магнитным полем.

Только в результате разряда носителя заряда на электродах внешнего контура (положительные ионы принимают электроны с катода, отрицательные ионы излучают электроны на анод), если ток, протекающий в диэлектрике, имеет ионную величину, то во внешнем контуре-электроны. В результате ток преобразуется из ионного типа в электронный на электроде. Ток сквозной проводимости измеряется при подаче на образец постоянного напряжения, а затем ток поглощения падает почти до нуля. Это время, как упоминалось выше, составляет от нескольких минут до нескольких десятков минут и определяется экспериментально.

71 величина проникающего тока при длительном приложении постоянного напряжения может существенно изменяться в результате электрохимического процесса, а также образования объемного заряда. Величина сквозного тока не изменяется только при чисто электронных видах проводимости. Когда постоянное напряжение непрерывно прикладывается к твердому или жидкому диэлектрическому току, проходящему через проводимость, оно продолжает уменьшаться со временем (см. Рисунок). 3. 3, кривая 2), это означает, что электропроводность этого материала в основном обусловлена примесными ионами и снижается в результате электрической очистки образца.

Кроме того, проникающий ток уменьшается, если носители заряда, приближающиеся к электродам, не разряжаются над ними из-за высокого потенциального барьера на границе металл-диэлектрик. Накапливаясь в области вблизи электрода, носитель заряда образует объемный заряд (положительный на катоде, отрицательный на аноде), который препятствует прохождению тока. Объемный заряд области вблизи электрода также может формироваться (в сильном магнитном поле) в результате инжекции заряда с электрода, но в этом случае знак объемного заряда не совпадает с полярностью электрода.

Перед подачей электрического поля диэлектрик электрически нейтрален, то есть суммарный заряд всех малых объемов равен нулю, а после приложения электрического поля заряд (электрод или образец поляризуется) на макроскопическом расстоянии. Разряженный на электроде заряд образует ток сквозной проводимости. Таким образом, поляризация и проводимость всегда появляются одновременно, и через некоторое время поляризация завершается, а проводимость сохраняется. Если ток сквозной проводимости увеличивается со временем(см. Рисунок). 3.3, кривая 7), что указывает на участие в формировании тока заряда, являющегося структурным элементом материала.

При этом хронологический возраст материала-в нем происходит необратимый электрохимический процесс, постепенно приводящий к разрушению (разложению) образца (см. Главу 5). Например, прикладывая постоянное напряжение к нагретому неорганическому стеклу, дендрит может расти по всей толщине диэлектрика от катода к аноду и образовывать проводящий канал через ответвление отложений продукта — достаточное время прохождения тока за счет того, как электролитические продукты в стекле, особенно металлический натрий, выделяющийся на катоде, являются проводящими.

Образовательный сайт для студентов и школьников

Копирование материалов сайта возможно только с указанием активной ссылки «www.lfirmal.com» в качестве источника.

© Фирмаль Людмила Анатольевна — официальный сайт преподавателя математического факультета Дальневосточного государственного физико-технического института

VI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум — 2014

РАДИАЦИОННАЯ ЭЛЕКТРИЗАЦИЯ ДИЭЛЕКТРИКОВ

  • Авторы
  • Файлы работы
  • Сертификаты

Специфика механизмов радиационного воздействия

Физические механизмы радиационных воздействий на материалы и элементы оборудования КА зависят от вида и энергии воздействующего излучения, типа облучаемого материала, условий облучения – интенсивности воздействующего излучения (мощности дозы), температуры материала и ряда других факторов. Поскольку ионизирующее излучение космического пространства является многокомпонентным по составу и энергии, причем его составляющие могут воздействовать на КА в различных сочетаниях и в разной временной последовательности, то возникающие в материалах КА радиационные эффекты имеют весьма сложный характер.

Радиационными эффектами принято называть любые изменения структуры, свойств, состояния вещества или материала, вызываемые действием излучения. Трудность анализа радиационных эффектов усугубляется также сложностью состава и структуры многих материалов, используемых в конструкции КА: композитов, полимеров, многослойных тонкопленочных структур и т.д.

Читать еще:  Легранд с мастер розеткой

Обратимые и необратимые изменения свойств материалов происходят за счет всех процессов преобразования энергии ионизирующего излучения в веществе.

Электронно-дырочные пары, генерируемые в твердом теле тормозящимися заряженными частицами в результате ионизационных потерь энергии, вызывают радиационную проводимость, радиолюминесценцию, радиационное окрашивание и радиационно-химические превращения.

Радиационная проводимость и радиолюминесценция определяются в основном мощностью дозы излучения и относительно быстро исчезают после прекращения облучения. Время релаксации составляет

10-9-10-1 с в зависимости от типа материала. Эти явления характеризуют типичную картину обратимых радиационных процессов.

Радиационное окрашивание диэлектриков и радиационно-химические превращения в основном зависят от суммарной поглощенной дозы излучения. Время релаксации таких явлений достигает 1*10-7 с и более. Носители заряда, образующиеся в облучаемом веществе, создают стационарные и нестационарные токи и приводят к накоплению объемного заряда в диэлектриках,

который может сохраняться в течение длительного времени. Последний процесс, как мы увидим далее, может быть причиной возникновения электрических разрядов в диэлектрических материалах КА.

Эффекты смещения, приводящие к образованию простых ко-ротко живущих и сложных долгоживущих радиационных дефектов кристаллической решетки твердого тела, оказывают, как уже отмечалось выше, значительное влияние на электрофизические, оптические и механические свойства материалов. Процессы возникновения и накопления радиационных дефектов весьма

критичны для полупроводниковых материалов и приборов, используемых в составе оборудования КА. Их влияние проявляется за счет изменения времени жизни неосновных носителей заряда в полупроводниках, концентрации и подвижности носителей.

Образование радиационных дефектов под действием ионизирующего излучения космического пространства имеет ряд особенностей. Дефекты, создаваемые различными компонентами излучения, сложным образом взаимодействуют между собой и с исходными дефектами облучаемой структуры, в результате чего могут возникать синергетические эффекты, заключающиеся в том, что при одновременном или последовательном воздействии на материалы КА нескольких факторов конечный эффект не равен сумме эффектов от воздействия отдельных факторов. При этом комплексное воздействие факторов космического пространства может как усиливать, так и ослаблять повреждение материалов. Применительно к воздействию космической среды на материалы КА синергетические эффекты исследованы совершенно недостаточно, их изучению уделяется большое внимание.

Важно отметить, что воздействие космического ионизирующего излучения на материалы КА происходит на фоне воздействия других факторов: солнечного электромагнитного излучения, горячей и холодной космической плазмы и т.д., в условиях невесомости и знакопеременной температуры, диапазон изменения которой для материалов, находящихся на поверхности КА, составляет от –150 до +100°C. Это еще более усложняет характер процессов, протекающих в материалах и элементах оборудования КА.

Для описания радиационной стойкости материалов и элементов оборудования используется ряд строго определенных терминов:

радиационная стойкость материалов – их способность выполнять определенные функции и сохранять заданные характеристики и параметры в пределах, установленных техническими требованиями, во время и после воздействия ионизирующих излучений;

предел радиационной стойкости – доза или флюенс ионизирующего излучения, при которых изменения основных наиболее важных технических характеристик материалов не превышает допустимых значений;

радиационный отказ – нарушение работоспособности материала, элемента, изделия за счет воздействия ионизирующих излучений.

Усредненные данные о радиационной стойкости некоторых материалов и элементов оборудования, используемых при создании КА, приведены в табл. 1.1.

Табл. 1. Радиационная стойкость материалов и элементов оборудования КА.

Курс лекций Барнаул 2001 удк 621. 385 Хмелев В. Н., Обложкина А. Д. Материаловедение и технология конструкционных материалов: Курс лекций

3.1 Основные понятия

Поляризационные процессы смещения связанных зарядов в веществе до момента установления равновесного состояния протекают во времени, создавая поляризационные ток или токи смещения в диэлектриках.

Токи смещения упругосвязанных зарядов при электронной и ионной поляризациях столь кратковременны, что их обычно не удается зафиксировать прибором. Токи смещения различных видов замедленной поляризации, наблюдаемые у большинства технических диэлектриков, называют абсорбционными токами. При постоянном напряжении абсорбционные токи, меняя направление, протекают только в моменты включения и выключения напряжения. При переменном напряжении они имеют место в течение всего времени нахождения материала в электрическом поле.

Наличие в технических диэлектриках небольшого числа свободных зарядов приводит к возникновению слабых по величине сквозных токов или токов утечки.

Таким образом, полная плотность тока в диэлектрике представляет собой сумму токов утечки и смещения

Плотность тока смещения определяется скоростью изменения вектора индукции D, обусловленного мгновенным (электронное, ионное) и замедленным смещением зарядов

Исследование зависимости тока через диэлектрик от времени позволяет установить, что после завершения процессов поляризации через диэлектрик протекает только сквозной ток.

Поляризационные токи необходимо принимать во внимание при измерениях проводимости диэлектриков ввиду того, что при небольшой выдержке образца диэлектрика под напряжением обычно регистрируется не только сквозной ток, но и сопровождающий его ток абсорбции, вследствие чего может создаться неправильное представление о большой проводимости. Проводимость диэлектрика при постоянном напряжении определяется по сквозному току, сопровождающемуся выделением и нейтрализацией зарядов на электродах. При переменном напряжении активная проводимость определяется не только сквозным током, но и активными составляющими поляризационных токов.

Особенностью электропроводности диэлектриков в большинстве случаев является ее неэлектронный (ионный) характер.

Истинное сопротивление диэлектрика Rиз, определяющее величину сквозного тока, может быть вычислено по следующей формуле:

Rиз=U/(i+Σi n )=U/i ск ,

где U  приложенное напряжение, В;

i  наблюдаемый ток, А;

Σi n  сумма токов, вызванных замедленными видами поляризации;

i ск  сквозной ток.

Поскольку определение поляризационных токов даже замедленных видов поляризации представляет некоторые трудности, сопротивление диэлектрика рассчитывают обычно как частное от деления напряжения на ток, измеренный через одну минуту после включения напряжения, и принимаемый за сквозной ток.

Для твердых электроизоляционных материалов необходимо различать объемную и поверхностную электропроводность.

Для сравнительной оценки различных материалов в отношении их объемной и поверхностной электропроводности пользуются значениями удельного объемного сопротивления ρ и удельного поверхностного сопротивления ρ s.

По удельному объемному сопротивлению может быть определена удельная объемная проводимость, по удельному поверхностному сопротивлению  удельная поверхностная проводимость.

В системе СИ удельное объёмное сопротивление ρ равно сопротивлению куба с ребром в 1 м, мысленно вырезанного из исследуемого материала, если ток проходит сквозь куб от одной его грани к противоположной.

В случае плоского образца материала при однородном поле удельное объемное сопротивление (Ом  м) рассчитывается по формуле

где R  объемное сопротивление образца, Ом;

S  площадь электрода, м 2 ;

h  толщина образца, м.

Удельная объемная проводимость измеряется в Смм -1 .

Удельное поверхностное сопротивление равно сопротивлению квадрата (любых размеров), мысленно выделенного на поверхности материала, если ток проходит через квадрат от одной его стороны к противоположной.

Удельное поверхностное сопротивление (в омах) рассчитывается по формуле

где R s  поверхностное сопротивление образца материала (Ом) между параллельно поставленными электродами шириной d (м), отстоящими друг от друга на расстоянии l (м).

Удельная поверхностная проводимость измеряется в сименсах.

Полная проводимость твердого диэлектрика, соответствующая его сопротивлению R из , складывается из объемной и поверхностной проводимостей.

Читать еще:  Немецкий стандарт высоты розеток

Электропроводность изоляционных материалов обусловливается состоянием вещества: газообразным, жидким или твердым, а также зависит от влажности и температуры окружающей среды. Некоторое влияние на проводимость диэлектриков оказывает также напряженность поля в образце, при которой проводится измерение.

При длительной работе под напряжением ток через твердые и жидкие диэлектрики с течением времени может уменьшаться или увеличиваться. Уменьшение тока со временем говорит о том, что электропроводность материала была обусловлена ионами посторонних примесей и уменьшалась за счет электрической очистки образца. Увеличение тока со временем говорит об участии в нем зарядов, являющихся структурными элементами самого материала и о протекающем в нем необратимом процессе старения под напряжением, способном постепенно привести к разрушению  пробою диэлектрика.

3.2 Электропроводность газов

Газы при небольших значениях напряженности электрического поля обладают исключительно малой проводимостью. Ток в газах может возникнуть только при наличии в них ионов или свободных электронов. Ионизация нейтральных молекул газа возникает либо под действием внешних факторов, либо вследствие соударений заряженных частиц с молекулами.

Внешними факторами, вызывающими ионизацию газа, являются рентгеновы лучи, ультрафиолетовые лучи, космические лучи, радиоактивное излучение, а также термическое воздействие (сильный нагрев газа). Электропроводность газа, обусловленная действием внешних ионизаторов, называется несамостоятельной .

С другой стороны, особенно в разреженных газах, возможно создание электропроводности за счет ионов, образующихся в результате соударения заряженных частиц с молекулами газа. Ударная ионизация возникает в газе в тех случаях, когда кинетическая энергия заряженных частиц, приобретаемая под действием электрического поля, достигает достаточно больших значений. Электропроводность газа, обусловленная ударной ионизацией, носит название самостоятельной.

В слабых полях ударная ионизация отсутствует и самостоятельной электропроводности не обнаруживается. При ионизации газа, обусловленной внешними факторами, происходит расщепление молекул на положительные и отрицательные ионы. Одновременно часть положительных ионов, соединяясь с отрицательными частицами, образует нейтральные молекулы. Этот процесс, как известно, называется рекомбинацией.

Наличие рекомбинации препятствует безграничному росту числа ионов в газе и объясняет установление определенной концентрации ионов спустя короткое время после начала действия внешнего ионизатора.

Предположим, что ионизированный газ находится между двумя плоскими параллельными электродами, к которым приложено электрическое напряжение. Ионы под влиянием напряжения будут перемещаться, и в цепи возникнет ток. Часть ионов при этом нейтрализуется на электродах, часть  исчезает за счет рекомбинации.

На рисунке 3.1 показан характер зависимости тока от напряжения. Начальный участок кривой до напряжения Uн соответствует области выполнения закона Ома, когда запас положительных и отрицательных ионов достаточный и его можно считать постоянным. Ток пропорционален напряжению на газовом промежутке. По мере возрастания приложенного напряжения ионы уносятся к электродам, не успевая рекомбинировать, и при некотором напряжении все ионы, создаваемые в газовом промежутке, будут разряжаться на электродах. Очевидно, что дальнейшее увеличение напряжения уже не будет вызывать возрастания тока, что соответствует горизонтальному участку кривой.

Рисунок 3.1 — Зависимость тока в газе от напряжения

Ток насыщения достигается для воздуха в нормальных условиях при расстоянии между электродами в 10 мм и напряженности поля около 0,6 В/м. Реальное значение плотности тока насыщения в воздухе весьма мало и составляет примерно 10 -15 А/м 2 . Поэтому воздух можно рассматривать как весьма совершенный диэлектрик до тех пор, пока не создадутся условия для появления ударной ионизации.

При увеличении напряжения ток остается постоянным лишь до тех пор, пока ионизация осуществляется под действием внешних факторов. При возникновении ударной ионизации появляется самостоятельная электропроводность, и ток вновь начинает увеличиваться с возрастанием напряжения.

3.3. Электропроводность жидкостей

Электропроводность жидких диэлектриков тесно связана со строением молекул жидкости. В неполярных жидкостях электропроводность зависит от наличия диссоциированных примесей, в том числе влаги; в полярных жидкостях электропроводность определяется не только примесями, но иногда и диссоциацией молекул самой жидкости. Ток в жидкости может быть обусловлен как передвижением ионов, так и перемещением относительно крупных заряженных коллоидных частиц. Невозможность полного удаления способных к диссоциации примесей из жидкого диэлектрика затрудняет получение электроизоляционных жидкостей с малыми значениями удельной проводимости.

Полярные жидкости всегда имеют повышенную проводимость по сравнению с неполярными, причем возрастание диэлектрической проницаемости приводит к росту проводимости. Сильнополярные жидкости отличаются настолько высокой проводимостью, что рассматриваются уже не как жидкие диэлектрики, а как проводники с ионной электропроводностью.

Очистка жидких диэлектриков от содержащихся в них примесей заметно повышает их удельное сопротивление. При длительном пропускании электрического тока через нейтральный жидкий диэлектрик также можно наблюдать возрастание сопротивления за счет переноса свободных ионов к электродам (электрическая очистка).

Удельная проводимость любой жидкости сильно зависит от температуры. С увеличением температуры возрастает подвижность ионов в связи с уменьшением вязкости, и может увеличиваться степень тепловой диссоциации. Оба эти фактора повышают проводимость.

Математически удельная проводимость электроизоляционной жидкости наиболее точно описывается выражением:

где А и а  постоянные, характеризующие данную жидкость.

В нешироком интервале температур зависимость удельной проводимости жидких диэлектриков от температуры может быть выражена следующей формулой:

где γ o и a  постоянные величины для данной жидкости;

t  температура, °С.

Для того, чтобы показать зависимость удельной проводимости жидкости от ее вязкости, воспользуемся законом Стокса для движения шара в вязкой среде под действием постоянной силы. При этом установившаяся скорость будет

r  радиус шара, м;

η  динамическая вязкость жидкости, Пас.

Сила, действующая на носитель заряда и вызывающая его направленное перемещение, будет

где q  заряд носителя, Кл;

Е  напряженность электрического поля, В/м.

Воспользовавшись общим выражением для удельной проводимости

и подставляя в него выражения (3.6) и (3.7), получим

где n о  концентрация носителей заряда.

Полагая, что n о , q, r не изменяются с температурой, то есть пренебрегая тепловой диссоциацией, из равенства (3.10) получаем, что произведение удельной проницаемости и вязкости при разных температурах для данной жидкости остается постоянным (правило Л.В. Писаржевского и П. И. Вальдена).

Из выражения (3.9) при тех же условиях следует, что проводимость возрастает при уменьшении вязкости. При влиянии температуры на степень диссоциации частиц жидкости произведение γη не остается постоянным и растет с возрастанием температуры. Для полярной жидкости  льняного масла  произведение γη остается почти постоянным при разных температурах; электропроводность трансформаторного масла обусловлена движением ионов примесей, степень диссоциации которых с увеличением температуры растет, а потому произведение γη увеличивается с ростом температуры.

При больших напряженностях электрического поля, порядка от 10 до 100 МВ/м, как показывает опыт, ток в жидкости не подчиняется закону Ома, что объясняется увеличением числа движущихся под влиянием поля ионов.

В таблице 3.1 приведены значения объемного удельного сопротивления и диэлектрической проницаемости некоторых жидкостей при температуре 20°С.

В коллоидных системах наблюдается молионная, или электро-форетическая электропроводность, при которой носителями заряда являются группы молекул  молионы.

Таблица 3.1 — Сопоставление значений диэлектрической

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector