Электропроводность диэлектриков

В диэлектрике под воздействием внешнего поля происходит поляризация – перемещение электрических зарядов, а это перемещение электрических зарядов и есть электрический ток в диэлектрике. Ток при электронной и ионной поляризации называется током смещения, его мгновенное значение I_СМ. Он проходит в очень малые промежутки 10^-15 с.

Релаксационная поляризация вызывает прохождение в диэлектрике тока абсорбции I_АБ.

Наличие в диэлектрике небольшого числа свободных зарядов обуславливает возникновение небольшого по величине сквозного тока I_СК. Таким образом, суммарный ток в диэлектрике, называемый током утечки, равен:

I_УТ = I_СК + I_АБ + I_СМ.                                                                                                (4.7)

В случае постоянного тока в первый момент значение тока через диэлектрик значительно больше, чем спустя некоторое время, так как со временем I_СМ и I_АБ - прекращаются, так как обуславливаются быстропротекающими процессами поляризации, и на постоянном токе проводимость диэлектрика определяется только сквозным током.

На переменном токе будут все три вида токов в течении всего времени приложения напряжения.

Электропроводность диэлектриков в первую очередь определяется наличием в них загрязнений, т.е. примесей. При повышении температуры электропроводность диэлектрика увеличивается, так как под воздействием температуры происходит разрушение молекул диэлектрика, появляются свободные носители. Чем выше температура, тем сильнее увеличивается проводимость диэлектрика, падает сопротивление.

В твердых диэлектриках необходимо различать объёмную и поверхностную электропроводность.

Рисунок 4.9 – Схема прохождения объемного и поверхностного сквозных токов в твердом диэлектрике:

1 – электроды; 2 – диэлектрик.

Объемная электропроводность при низких t° обусловлена передвижением слабо закреплённых ионов – ионов примеси. При повышении t° проводимость обусловлена переносом ионов основных материалов диэлектрика, освобожденных из узлов кристаллической решетки. У гигроскопичных материалов (ткани, пористая керамика) объемная проводимость возрастает во влажном воздухе за счет поглощения влаги. Это явление обратимое. Если высушить такой диэлектрик, то проводимость его уменьшается.

Поверхностная электропроводность диэлектрика зависит от состояния поверхности диэлектрика, от степени ее увлажнения и загрязнения. Вода на поверхности диэлектрика способствует диссоциации молекул диэлектрика на ионы, за счет чего и повышается поверхностная проводимость. Чтобы снизить её, диэлектрики, используемые как электроизоляционные материалы, покрывают влагостойкими, не смачиваемыми гидрофобными веществами, например глазурью, кремний органичными лаками или промывают спиртом, водой с последовательной просушкой. Наиболее эффективно длительное кипячение в дистиллированной воде.

Объемная и поверхностная электропроводность характеризуются удельным объемным и удельным поверхностным сопротивлениями диэлектрика.

Удельное объемное сопротивление – это сопротивление куба диэлектрика с ребром 1 метр умноженное на 1 метр, причем считают, что ток проходит только сквозь куб от одной его грани к противоположной.

Объемное удельное сопротивление плоского образца материала рассчитывается так:

                      ρ_V = R_V ∙ S ∕ h,                                            (4.8)

где R_V – объемное сопротивление образца в Ом;

S – площадь электрода, м²;

h – толщина образца.

Удельное поверхностное сопротивление ρ_S равно сопротивлению любых размеров квадрата на поверхности диэлектрика, ток через который идет от одной стороны к другой противоположной.

Это сопротивление в Ом рассчитывается так:

                             ρ_S = R_S ∙ d ∕ l,                                (4.9)

где R_S – поверхностное сопротивление образца между параллельными электродами шириной d на расстоянии друг от друга l. При d = l ρ_S = R_S

Рисунок 4.10 – Схема измерения поверхностного удельного сопротивления:

1 – электроды; 2 – диэлектрик.

Полное сопротивление диэлектрика в Ом можно рассматривать как сумму параллельно включенных объемных и поверхностных сопротивлений:

               1 ∕ R = 1 ∕ R_V + 1 ∕ R_S = (R_S + R_V) ∕ (R_V ∙ R_S)       (4.10)

 

Диэлектрические потери

При воздействии электрического поля на диэлектрик мощность, которую диэлектрик поглощает, называется диэлектрическими потерями. Эта мощность, которая рассеивается в диэлектрике и превращается в тепло. 

Диэлектрические потери – это электрическая мощность, затрачиваемая на нагрев диэлектрика, находящегося в электрическом поле. При постоянном напряжении диэлектрические потери вызваны сквозным током и могут быть определены по формуле:

                                    P = I_СК² ∙ R                                    (4.11)

При переменном напряжении диэлектрические потери вызваны сквозным током и током абсорбции. Ток абсорбции, обусловленный релаксационной поляризацией, вызывают потери, так как при ориентации диполей (крупных частиц материала) за счет трения этих диполей друг относительно друга выделяется теплота.

Изобразим токи, проходящие через диэлектрик в виде векторной диаграммы (рисунок 4.11).

Рисунок 4.11 – Векторная диаграмма токов в диэлектрике.

По горизонтальной оси откладываются активный ток I_А, вызывающий нагрев диэлектрика – это сквозной ток и часть поляризационного тока. По вертикальной оси отложим неактивный ток (реактивный ток) I_Р. Общий ток I_ОБ равен сумме активных и неактивных токов. За величину, характеризующую диэлектрические потери, принимают отношение активной части тока к реактивной, т.е. tg d между вектором суммарного тока и его составляющей.

                                   I_А / I_Р = tg d                                     (4.12)

Безразмерная величина tg d и принимается за характеристику материала и называется tg угла диэлектрических потерь. Чем меньше tg d, тем лучше диэлектрик, так как в нем меньше потерь энергии. Для электроизоляционных материалов tg d = 0,0001- 0,01.

Произведение K = ε ∙ tg d – коэффициент диэлектрических потерь. При больших значениях коэффициента диэлектрических потерь диэлектрик будет перегреваться и может разрушаться за счет выделяемой теплоты. Из векторной диаграммы

I_А = I_Р ∙ tg d. Реактивная составляющая тока определяется по формуле:

                               I_Р = U ∙ ω ∙ с,                                     (4.13)

где ω – угловая частота (с^-1);

с - емкость конденсатора, Ф.

Тогда мощность, затраченная на нагрев при переменном напряжении:

                      P_А = U² ∙ 2π ∙ f ∙ c ∙ tg d                                (4.14)

Отсюда следует, что диэлектрические потери пропорциональны квадрату приложенного напряжения и частоте его изменения. Следовательно, в установках высокого напряжения и в ВЧ и СВЧ аппаратуре диэлектрические потери будут достигать наибольших значений. Поэтому диэлектрики, предназначенные для применения в этих условиях должны иметь весьма малое значение tg d, так как в противном случае такие диэлектрики при больших напряжениях и в ВЧ – СВЧ – установках будут перегреваться вплоть до разрушения.

Если tg d ≈ 10^-4, то потери ничтожно малы и такие диэлектрики называются высокочастотными. Обычно это твердые неполярные диэлектрики (полистирол, парафин, полиэтилен, фторопласт – 4).

Твердые полярные диэлектрики имеют tg d = 10^-2 – 10^-3. Они не пригодны для применения в ВЧ РЭА и называются низкочастотными. Это гетинакс, текстолит, стеклотекстолит.