Электропроводность диэлектриков. Поляризационные процессы смещения зарядов в веществе до момента установления равновесного состояния протекают во времени

Поляризационные процессы смещения зарядов в веществе до момента установления равновесного состояния протекают во времени, создавая в диэлект-риках поляризационные токи, или токи смещения. Токи смещения упруго связанных зарядов при электронной и ионной поляризации столь кратковременны, что их обычно не удается зафиксировать прибором. Токи смещения различных видов замедленной поляризации, наблюдаемые у большого числа технических диэлектриков, называют абсорбционными токами. При постоянном напряжении абсорбционные токи, меняя свое направление, протекают только в моменты включения и выключения напряжения, при переменном напряжении они существуют в течение всего времени нахождения материала в электричес-
ком 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 плотностей токов утечки и смещений:

 

, (2.1)

 

где I_ск – сквозной ток;

I_аб – ток абсорбции.

Плотность тока смещения определяется скоростью изменения вектора индукции D, обусловленного мгновенными и замедленными смещениями зарядов:

, (2.2)

 

где = производная индукции по времени.

Зависимость тока, протекающего через диэлектрик, от времени показана на рис. 2.1. Как видно из рис. 2.1, после завершения процессов поляризации через диэлектрик протекает только сквозной ток.

Поляризационные токи необходимо принимать во внимание при измерении 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 создаваться неправильное представление о большой проводимости.

Проводимость диэлектрика при постоянном напряжении определяется по сквозному току, сопровождающемуся выделением и нейтрализацией зарядов на

Рис. 2.1. Зависимость тока, протекаю- щего через диэлектрик, от времени

электродах. При переменном напря-жении активная проводимость опре-деляется не только сквозным током, но и активными составляющими поляри-зационных токов. Особенностью электропровод-ности диэлектриков в большинстве случаев является ее неэлектронный (ионный) характер. Истинное сопротивление ди-электрика , определяющее значение сквозного тока, вычисляется по формуле:

, (2.3)

 

где i – наблюдаемый ток;

U – приложенное напряжение;

– 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 r и удельного поверхностного сопротивления r_s.

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

В системе СИ удельное объемное сопротивление r равно сопротивлению куба с ребром, равным 1 м, 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:

 

, (2.4)

 

где R – объемное сопротивление образца;

S – площадь электрода;

h – толщина образца.

Удельная объемная проводимость g измеряется в сименс-метрах в минус первой степени (См ∙ м^-1).

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

Удельное поверхностное сопротивление рассчитывается по формуле:

 

, (2.5)

 

где R_s – поверхностное сопротивление образца материала;

d – ширина электродов;

l – расстояние между электродами.

Удельная поверхностная проводимость g_s измеряется в сименсах (См).

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

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 напряженность поля в образце, при которой проводится измерение.

При длительной работе под напряжением ток, протекающий 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 диэлектрике необратимом процессе старения под напряжением, способном постепенно привести к разрушению – пробою.

Произведение сопротивления изоляции диэлектрика конденсатора и его емкости называют постоянной времени саморазряда конденсатора:

 

t₀ = R_из C, (2.6)

 

где С – емкость конденсатора.

Таким образом, определяя постоянную времени как время, по истечении которого напряжение на клеммах конденсатора уменьшится вследствие саморазряда в e раз, зная вид материала, а следовательно, и его диэлектрическую проницаемость, и предполагая наличие только объемной утечки, можно оценить удельное объемное сопротивление диэлектрика.