Электропроводность твердых диэлектриков

Электропроводность твердых тел обусловливается передвижением ионов как самого диэлектрика, так и ионов случайных примесей, а у некоторых материалов может быть вызвана наличием свободных электронов. Электронная электропроводность наиболее заметна при сильных электрических полях. Вид электропроводности устанавливают экспериментально, используя закон Фарадея. Ионная электропроводность сопровождается переносом вещества. При электронной электропроводности это явление не наблюдается. В процессе прохождения электрического тока через твердый диэлектрик содержащиеся в нем ионы примеси могут частично удаляться, выделяясь на электродах, как это
бывает в жидкостях.

В твердых диэлектриках ионного строения электропроводность обусловлена главным образом перемещением ионов, освобождаемых под влиянием флуктуации теплового движения. При низких значениях температуры передвигаются слабо закрепленные ионы, в частности ионы примесей. При высоких значениях температуры освобождаются и некоторые ионы из узлов кристаллической решетки.

В диэлектриках с атомной или молекулярной решеткой электропроводность связана только с наличием примесей, удельная проводимость их весьма мала.

В каждом отдельном случае вопрос о механизме электропроводности решается на основании данных об энергии активации носителя заряда. Известно, например, что для каменной соли энергия активации ионов натрия при нормальной температуре составляет примерно 0,85 эВ, энергия активации ионов хлора в три раза больше, а энергия активации электронов равна 6 эВ, тогда как средняя энергия теплового движения при комнатной температуре составляет всего лишь 0,025 эВ.

Подвижность электронов на много порядков больше, чем подвижность ионов. В двуокиси титана, например, подвижность электронов составляет примерно 10^–4 м²/(с · В), тогда как подвижность ионов в алюмосиликатной керамике равна всего лишь 10^–13 – 10^–16 м²/(с ∙ В). В связи со сказанным выше в диэлектрике с электронной электропроводностью концентрация электронов в
10⁹ – 10¹² раз меньше, чем концентрация носителей в диэлектрике с ионной электропроводностью, при одинаковых заряде носителей и значении удельной проводимости.

Твердые пористые диэлектрики при наличии в них влаги (даже в ничтожных количествах) резко увеличивают свою удельную проводимость. Высушивание материалов повышает их удельное сопротивление, но при нахождении высушенных материалов во влажной среде удельное сопротивление вновь уменьшается. Значения удельного объемного сопротивления пористых материалов при различных влажности окружающего воздуха и температуре [4] приведены в табл. 2.1.

При больших значениях напряженности поля необходимо учитывать возможность появления в кристаллических диэлектриках электронного тока, возрастающего с увеличением напряженности поля, вследствие чего в диэлектрике наблюдаются отступления от закона Ома.

Таблица 2.1

Значения удельного объемного сопротивления твердых пористых диэлектриков

При значении напряженности поля, превышающем 10 – 100 МВ/м, зависимость удельной проводимости от напряженности поля может быть выражена эмпирической формулой Пуля:

, (2.7)

где g – удельная проводимость в области независимости g от E;

b – коэффициент, характеризующий диэлектрические свойства материала;

E – напряженность поля.

При значении напряженности поля, близком к пробивному значению, более точной оказывается формула Я. И. Френкеля:

. (2.8)