Протекание тока через диэлектрик

Как в реальности протекает электрический ток?

Подписка на рассылку

• ВКонтакте
• Facebook
• ok
• Twitter
• YouTube
• Instagram
• Яндекс.Дзен
• TikTok

Существование современного мира невозможно представить без электрического тока. Он обеспечивает функционирование огромного множества устройств и электроприборов, а также целых систем. Понятие «электрический ток» помогает провести аналогию между этим явлением и протеканием жидкости, что придает данному термину некоторую наглядность.
Электрический ток протекает благодаря тому, что электромагнитное поле движется вдоль проводящей среды со скоростью, примерно равной скорости света. Данное движение идет в направлении от большего потенциала к меньшему, то есть от «+» к «-». Одновременно с этим носители зарядов перемещаются с чуть медленнее и в разных направлениях (в зависимости от материала).

Какие бывают носители зарядов?

Существуют два вида носителей зарядов – отрицательные и положительные. Заряд со знаком «минус» может иметь ионы и электроны, а положительный заряд в основном имеют только ионы. Отрицательные заряды перемещаются в направлении большему потенциала, а положительные – наоборот. Это движение и приводит к появлению электрического тока.
Данная неопределенность устранена в общепринятом правиле, которое гласит, что ток всегда протекает от «+» к «-», вне зависимости от типа зарядов.

Как заряды движутся в металлах?

Почти все металлы, применяемые в электротехнике, не содержат ионов, поскольку пребывают в твердом состоянии.
Для них свойственна проводимость электронного типа. Это означает, что свободные электроны, выступающие в роли носителей зарядов, движутся в направлении, обратном току.

Металлы обладают относительно низким электрическим сопротивлением. Если разность потенциалов отсутствует, электрическое поле срывает электроны со своих орбит. По этой причине при небольшой разности потенциалов возникает значимое количество носителей зарядов.

Как заряды движутся в полупроводниках?

Полупроводники имеют гораздо более низкую проводимость, чем металлы (в условиях комнатной температуры). Существуют полупроводники двух типов – n и p. Полупроводники первого типа содержат избыток электронов. Когда они переходят к p-типу, возникает их недостаток. Остальные электроны без особых трудностей перемещаются по своим возможным местам внутри атома. Это равноценно движению зарядов со знаком «+».
Поскольку в полупроводниках электроны слабо связаны с атомами, при повышении температуры изменяется количество несвязанных электронов, и проводимость полупроводника быстро возрастает.
Вывод: в полупроводниках заряды могут двигаться в направлении протекания тока или же в противоположном направлении (p- и n-тип соответственно).

Как заряды движутся в газах и жидкостях?

В жидкостях и газах носителями зарядов выступают ионы, которые бывают отрицательными (так называемые катионы) и положительными (анионы). Если количество катионов больше, они движутся обратно направлению тока. Если же преобладают анионы, их движение совпадает с направлением тока.

ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ, изоляторы – газообразные, жидкие или твердые материалы, которые не проводят электрический ток.

Газообразные изоляторы.

Коронный разряд.

Одним из наиболее известных и распространенных изоляторов является воздух при атмосферном давлении и нормальной температуре. Для низких напряжений удельное электрическое сопротивление такого воздуха составляет ок. 10 18 ОмЧсм. Когда напряженность электрического поля поперек однородной воздушной щели достигает 30 кВ/см, проводимость увеличивается, так как начинается фотоионизация воздуха и в конце концов между электродами проскакивает искра. Если геометрия электродов разнородна, как, например, в случае острия и плоскости или провода линии электропередачи над поверхностью земли, вокруг острия или провода при достаточно большой напряженности электрического поля возникает светящаяся область ионизованного воздуха, называемая коронным разрядом. Ток коронного разряда возрастает с увеличением напряжения, и в конце концов возникает искра или дуга в зависимости от мощности источника и сопротивления внешней цепи.

Электрическая прочность.

Повышение давления воздуха приводит к увеличению напряжения коронного разряда и напряженности электрического поля, при которой происходит пробой для рассматриваемой системы электродов. Согласно закону Пашена, в однородном электрическом поле напряжение пробоя не изменится, если при уменьшении межэлектродного зазора во столько же раз увеличить давление газа в зазоре. Такие распространенные газы, как азот, кислород и двуокись углерода, по своей изолирующей способности близки к воздуху при атмосферном давлении. Некоторые пары, особенно те, что содержат серу, хлор или фтор, такие, как гексафторид серы (SF₆), четыреххлористый углерод (CCl₄) и фреон-12 (CCl₂F₂), имеют втрое большую электрическую прочность, чем воздух при том же давлении. Влияние давления на напряжение пробоя для некоторых материалов показано на рисунке.

Электроизолирующие свойства газов оказываются наихудшими при давлениях от 1 до 0,01 кПа. Прохождение тока через газ при таких давлениях сопровождается ярким свечением (например, в ртутных или неоновых лампах). Это явление называется тлеющим разрядом.

Жидкие диэлектрики.

Органические соединения, в частности углеводороды, широко используются в качестве жидких диэлектриков. Для углеводородов характерны низкая диэлектрическая проницаемость (от 2 до 4) и умеренно высокое удельное электрическое сопротивление (ок. 10 12 ОмЧсм). Поскольку углеводороды не содержат кислорода или азота, они являются химически стабильными и поэтому подходят для использования в сильных электрических полях, в которых процессы ионизации усиливают химическую нестабильность. Примерами жидких диэлектриков могут служить циклические углеводороды, такие, как бензол (C₆H₆), или ациклические соединения типа гексана [CH₃ (CH₂)₄CH₃]. Большинство углеводородов встречаются в виде смесей; химический состав и строение входящих в них компонентов точно не известны. К ним относятся, в порядке возрастания вязкости, петролейный эфир, парафиновое масло, трансформаторные масла, парафин и различные воски.

Некоторые галогенопроизводные продукты, такие, как хлороформ (CHCl₃) и четыреххлористый углерод (CCl₄), являются диэлектриками. К жидким неорганическим диэлектрикам относятся такие сжиженные газы, как двуокись углерода и хлор.

Важным преимуществом жидких диэлектриков является их способность к восстановлению своих свойств после искрового пробоя и способность проводить тепло, что важно для трансформаторов.

Твердые диэлектрики.

К типичным твердым электроизоляционным материалам относятся фарфор, стекло, кварц, натуральная и синтетическая резина и пластики. Тонкие слои твердых изоляторов могут иметь очень высокие значения напряжения пробоя и удельного электрического сопротивления, что видно из приводимой ниже таблицы.

Повышение приложенной разности потенциалов к рассматриваемому образцу твердого или жидкого диэлектрика увеличивает ток через него. Это увеличение приводит к отрыву электронов и образованию пространственного положительного заряда вблизи катода. Электрический пробой является результатом искажения электрического поля внутри изолятора. Как твердые, так и жидкие диэлектрики подвержены поляризации, т.е. их диэлектрическая постоянная больше единицы. Поляризация приводит к появлению диэлектрических потерь при приложении переменных электрических полей. Некоторые материалы, такие, как кварц, полиэтилен и некоторые газы, имеют очень низкие диэлектрические потери даже в высокочастотных электрических полях.

Таблица: Свойства твердых диэлектриков

СВОЙСТВА ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ
Материал	Электрическая прочность, кВ/см	Диэлектрическая проницаемость	Удельное электрическое сопротивление, 10 14 ОмЧсм
Слюда	280	5,0–7,0	2000
Стекло (разное)	200–700	3,0–12,0	10 –6 ё10 4
Метилметакрилат (люсит)	650	3,3–4,5	1
Фарфор (неглазурованный)	130	5,0–7,0	3
Эбонит	650	2,0–3,5	10 4

Вакуум как изолятор.

Когда металлические электроды помещены в газ с давлением меньше 10 -2 Па, молекул газа недостаточно для образования заметного тока в межэлектродном зазоре, и в этом случае говорят об изоляции высоким вакуумом. Ионизация молекул остаточного газа при соударении с электронами или положительно заряженными ионами, вылетающими с электродов, при таких давлениях происходит редко. В условиях высокого вакуума при постоянном напряжении ниже 20 кВ на поверхности катода пробой может не наступать при напряженности поля до 5 МВ/см, а на аноде – при напряженности в несколько раз большей. Однако при более высоких напряжениях катодный градиент, при котором наступает пробой, быстро уменьшается. Пробой между металлическими электродами в вакууме происходит из-за обмена заряженными частицами между катодом и анодом. Электрон, вылетающий из катода, ускоряется электрическим полем и ударяет в анод, выбивая положительные ионы и фотоны. Положительные ионы и часть фотонов попадают на катод; ионы ускоряются электрическим полем и вызывают эмиссию вторичных электронов. При некотором критическом значении напряжения и градиента электрического поля для данного материала электродов этот процесс становится неустойчивым, и происходит искровой пробой.

Изоляция высоким вакуумом особенно широко применяется в электронике как для ускорения электронов низкой энергии в обычных электровакуумных приборах, так и для высоковольтных приложений в рентгеновских приборах и ускорителях для ядерных исследований.

Конденсаторы.

Диэлектрики находят широкое применение в конденсаторах. Конденсаторы имеют многообразные применения, среди которых накопление электрического заряда, нейтрализация эффектов индуктивности в цепях переменного тока и получение импульсов тока для различных приложений. Емкость конденсатора часто может быть рассчитана исходя из конфигурации системы или измерена путем определения величины заряда на одной из обкладок конденсатора при приложении заданного напряжения между обкладками. Энергия заряженного конденсатора равна 1/2 CE 2 и выражается в микроджоулях (мкДж), если С выражено в микрофарадах (мкФ), а Е – в вольтах (В).

Низковольтные конденсаторы.

Для слаботочных и низковольтных приложений, таких, как радио- и телефонные сети и низковольтные выпрямители, конденсаторы изготавливаются обычно из слоев алюминиевой или другой металлической фольги, разделенных диэлектриком из одного или нескольких слоев пропарафиненной бумаги. Очень компактный низковольтный конденсатор – т.н. электролитический – изготавливается нанесением (посредством электролитического осаждения) тонкой изолирующей оксидной пленки на поверхность металлической фольги; при этом достигается достаточно высокая емкость на единицу площади поверхности конденсатора. Полученный материал наматывается в виде обмотки компактных размеров.

Высоковольтные конденсаторы.

В конденсаторах для высоких напряжений, которые используются в радиопередающих устройствах, в качестве изолятора часто применяется слюда. Конденсаторы для очень высоких напряжений обычно изготавливаются из металлической фольги с большим числом слоев диэлектрической бумаги, помещенных в заполненный маслом контейнер, или из металлических пластин, разделенных газообразным или жидким диэлектриком. В таких конструкциях для высокочастотных конденсаторов, в которых важно иметь низкие диэлектрические потери, в качестве диэлектрика используется и вакуум.

Хусаинова Г.З. Электроизоляционные материалы. М., 1975
Астахин В.В. и др. Электроизоляционные лаки, пленки и волокна. М., 1986

Диэлектрик

Диэлектрик (изолятор) — вещество, плохо проводящее электрический ток. Концентрация свободных носителей заряда в диэлектрике не превышает 10 8 см −3 . Основное свойство диэлектрика состоит в способности поляризоваться во внешнем электрическом поле. С точки зрения зонной теории твёрдого тела диэлектрик — вещество с шириной запрещённой зоны больше 3 эВ.

Содержание

Физические свойства

Условно к проводникам относят материалы с удельным электрическим сопротивлением ρ −5 Ом·м, а к диэлектрикам — материалы, у которых ρ > 10 8 Ом·м. При этом надо заметить, что удельное сопротивление хороших проводников может составлять всего 10 −8 Ом·м, а у лучших диэлектриков превосходить 10 16 Ом·м. Удельное сопротивление полупроводников в зависимости от строения и состава материалов, а также от условий их эксплуатации может изменяться в пределах 10 −5 —10 8 Ом·м. Хорошими проводниками электрического тока являются металлы. Из 105 химических элементов лишь двадцать пять являются неметаллами, причём двенадцать элементов могут проявлять полупроводниковые свойства. Но кроме элементарных веществ существуют тысячи химических соединений, сплавов или композиций со свойствами проводников, полупроводников или диэлектриков. Чёткую границу между значениями удельного сопротивления различных классов материалов провести достаточно сложно. Например, многие полупроводники при низких температурах ведут себя подобно диэлектрикам. В то же время диэлектрики при сильном нагревании могут проявлять свойства полупроводников. Качественное различие состоит в том, что для металлов проводящее состояние является основным, а для полупроводников и диэлектриков — возбуждённым.

Развитие радиотехники потребовало создания материалов, в которых специфические высокочастотные свойства сочетаются с необходимыми физико-механическими параметрами. Такие материалы называют высокочастотными. Для понимания электрических, магнитных и механических свойств материалов, а также причин старения нужны знания их химического и фазового состава, атомной структуры и структурных дефектов.

Удельное сопротивление деионизированной воды (см. также: бидистиллят) — 10-20 МОм·см.

Параметры

Физическим параметром, который характеризует диэлектрик, является диэлектрическая проницаемость. Диэлектрическая проницаемость может иметь дисперсию.

Примеры

К диэлектрикам относятся воздух и другие газы, стёкла, различные смолы, пластмассы, многие виды резины.

Ряд диэлектриков проявляют интересные физические свойства. К ним относятся электреты, пьезоэлектрики, пироэлектрики, сегнетоэластики, сегнетоэлектрики, релаксоры и сегнетомагнетики.

Использование

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

Диэлектрики используются не только как изоляционные материалы.

Пассивные свойства диэлектриков

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, то есть 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 ёмкостей. Если материал используется в качестве диэлектрика конденсатора определённой ёмкости и наименьших размеров, то при прочих равных условиях желательно, чтобы этот материал имел большую диэлектрическую проницаемость.

Активные свойства диэлектриков

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

3.2.10 Свободные носители электрических зарядов в проводниках. Механизмы проводимости твёрдых металлов, растворов и расплавов электролитов, газов. Полупроводники. Полупроводниковый диод

Видеоурок 1: Электрический ток в различных средах

Видеоурок 2: Электронно-дырочный переход. Полупроводниковый

Лекция: Свободные носители электрических зарядов в проводниках. Механизмы проводимости твёрдых металлов, растворов и расплавов электролитов, газов. Полупроводники. Полупроводниковый диод

Носители заряда в проводниках

Самыми распространенными проводниками считаются металлы, которые имеют электронную проводимость.

Она возникает в результате того, что у атомов металлов на внешнем энергетическом уровне имеются свободные электроны, которые достаточно просто вырываются под действием электрической силы, а разность потенциалов направляет их. В качестве проводников так же можно использовать электролиты, заряженными частицами в них являются положительные и отрицательные ионы.

Ток в металлах, ток в электролитах, диэлектрики

Если начать пропускать ток через электролит, в котором имеется ионы, то положительные из них будут стремиться осесть на катоде, а отрицательные — на аноде.

С помощью закона Фарадея можно рассчитать, какое количество элементов осядет на поверхности электродов:

Именно по средствам электролиза происходит покрытие некоторых деталей необходимыми элементами. К такой детали подводят ток необходимой полярности, в зависимости от знака иона, и на ней начинают оседать необходимые элементы.

Электрический ток в газах

Примером появления тока в газах является молния, корона на острых частях высоких деревьев, гор, пиков на сооружениях. В результате ионизации происходит коронный разряд, образованный полем между проводниками. Часто такой разряд можно встретить между высоковольтными проводами.

Полупроводники

Изменение сопротивления вследствие изменения температуры графически можно представить следующим образом:

Из данной зависимости можно сделать вывод, что такое свойство особенным образом отличает полупроводники от проводников тем, что у вторых при повышении температуры сопротивление наоборот растет. Что касается света, то для проводников он не играет никакой роли, а полупроводникам снижает сопротивление. Так как во время протекания тока не происходит переноса вещества, можно судить, что носителями заряда являются электроны.

Почему же меняются свойства во время увеличения температуры? Повышение температуры приводит к увеличению скорости частиц, что приводит к образованию свободных носителей.

Основным отличием строения полупроводников является ковалентная связь атомов, которая является единственной причиной, по которой они удерживаются на своих местах в кристаллической решетке.

Строение кремния

Чтобы разобраться в проводимости кремния и других полупроводников, следует изучить их строение.

Все шары на рисунке — это атомы элемента, а трубки, что их соединяют — ковалентная связь. Стоит обратить внимание, что каждый атом имеет четыре соседа, это объясняется тем, что элемент имеет валентность, равную четырем.

Каждый атом кремния имеет внешние 4 свободных электрона, к каждому из которых присоединяются аналогичные элементы. При этом, стоит отметить, что электроны способны свободно передвигаться и переходить к соседним атомам и становится его собственностью. Забегая вперед, можно отметить, что именно такое передвижение между соседними атомами и приводит к появлению тока. А чем выше температура, тем легче перемещаются электроны.

Стоит отметить, что электроны не только способны ускорять свое движение в кристалле под действием температуры, но и начинается разрушение ковалентных связей. Чем больше таких связей разорвалось, тем больше становится значение электрического тока.

Когда связь разрушается, а электрон выходит из своего места, там появляется дырка — это место, куда стремится попасть соседний электрон при наличии внешней силы. Когда электрон путешествует по полупроводнику, он переходит с одной дырки в другую, в результате чего дырка также перемещается. Если на полупроводник действует повышенная температура, то дырки и электроны блуждают в произвольном порядке, но когда полупроводник помещается в электрическое поле, дырки начинают двигаться в направлении, обратном напряженности.

Примеси, P-n-переход

В результате введения дополнительных примесей в полупроводник, происходит изменение его свойств. В таком случае полупроводники будут иметь не только собственную проводимость, но и способность примесей проводить электрический ток.

Например, если к четырехвалентному кремнию добавить мышьяк, который имеет валентность, равную пяти, то такое соединение будет иметь лишний электрон в кристаллической решетке. И к чему же приводит такой электрон? К появлению свободных носителей зарядов.

В таком случае такой полупроводник будет иметь значительную проводимость даже при комнатной температуре, поскольку свободный электрон не имеет достаточной силы взаимодействия с кремнием, поэтому способен спокойно перемещаться по полупроводнику.

Отличием такого соединения является то, что свободный электрон и его движение не сопровождается появлением дырки. Однако, как и прежде между атомами кремния связь рвется и образуются так же электроны и дырки. Проводимость, при которой свободных электронов больше, чем дырок за счет примесей, называется донорной, а полупроводники получили название n-полупроводники.

Если два полупроводника, которые имеют различную проводимость привести в контакт, то на месте их разделения появится P-n-переход.

На рисунке слева находится полупроводник, где преобладают дырки, а справа — электронная проводимость. В результате свободного движения одни носители перемещаются в другую часть полупроводника, что приводит к их смешению, однако в тех местах, где существует граница — остается заряд, что не был скомпенсирован.

Если через полупроводники пропустить ток, то он будет способствовать движению частиц, что приведет к увеличению перехода, что способствует снижению проводимости.

Если ток направить в обратном направлении, то ситуация существенно изменится:

P-n-переход начнет уменьшаться, что приведет к увеличению проводимости. Таким образом, можно сделать вывод, что два полупроводника с различной проводимостью будет проводить ток только в одном направлении. Такой принцип и строение используется в полупроводниковых диодах.

Если диод изображен таким образом, как показано выше, то это значит, что ток может бежать слева направо, но ни в коем случае не в обратном направлении.