Исследование электропроводности диэлектриков

Р а б о т а 1

  Ц е л ь р а б о т ы – ознакомление студентов с основными представлениями о прохождении электрического тока через диэлектрик, с методикой измерения удельных объемного r _V и поверхностного r _S сопротивлений (илисоответствующих проводимостей g _V =1/ r _V, g _S =1/ r _S), анализ факторов, влияющих на величину электропроводности электроизоляционных материалов, ознакомление с основными типами электроизоляционных материалов.

Основные положения

 Электрический ток – упорядоченное перемещение в веществе электрических зарядов под действием внешних и внутренних электрических полей. Наличие свободных носителей заряда – необходимое условие возникновения электропроводности. 

В идеальном диэлектрике вообще не должно существовать свободных

зарядов, заряды в нем должны быть только связанными. Однако опыт показывает, что все электроизоляционные материалы в той или иной степени способны проводить ток. Это означает, что реальный диэлектрик содержит некоторое, хотя и очень малое количество свободных носителей заряда. Их образование происходит по разным причинам в слабых и сильных электрических полях; различаются и механизмы электропроводности в веществах, находящихся в твердом, жидком или газообразном состоянии.

   В газах свободные носители заряда возникают под действием внешних ионизирующих факторов (космическое, радиоактивное излучение, высокая температура, столкновение с заряженными частицами большой энергии и др.) в результате распада нейтральных атомов и молекул на положительные ионы и свободные электроны.

   В жидкости электропроводность обусловлена, прежде всего, ионами примесей и диссоциацией молекул самого диэлектрика (полярные жидкости). В случае коллоидной системы (частицы одного из компонентов очень малы и распылены в объеме другого) наблюдается молионная (электрофоретическая) проводимость, когда ток переносят заряженные молекулы или группы молекул.

   В твердых диэлектриках носителями заряда являются ионы примесей, слабо связанные ионы и ионные вакансии самого материала (в полимерах и стеклах), свободные электроны и дырки (в некоторых видах керамики, полимеров).

   Электрическая проводимость (электропроводность) диэлектрика не является величиной постоянной и зависит помимо агрегатного состояния от целого ряда факторов: наличия электролитических (ионогенных) примесей, температуры, влажности, величины электрического поля и т.п. Крайне важно учитывать старение электрической изоляции – необратимое снижение диэлектрических характеристик материала в процессе его эксплуатации.

Электропроводность любого вещества обусловлена воздействием электрического поля напряженностью Е на хаотическое тепловое движение заряженных частиц (носителей заряда q_i). Среднюю составляющую скорости частицы   i -го типа в направлении поля называют скоростью дрейфа V_i. Величина m = V_i / E – подвижность частицы. В результате плотность тока   j через вещество может быть записана в виде суммы токов:       (1)                                                            а удельная электропроводность:       g= j/E=                              (2)

где n_i – концентрация носителей заряда; суммирование проводится по всем типам носителей (i =1,2,3…).

Удельная проводимость твердых и жидких диэлектриков экспоненциально возрастает с увеличением температуры вследствие повышения концентрации и подвижности носителей g = g ₀ e ^{D W / kT}. В приведенной формуле: ∆ W – энергия активации электропроводности, Т – абсолютная температура, γ₀ ≈ γ при Т → ∞, k – постоянная Больцмана. Поэтому зависимость lg g (1/Т) представляет собой прямую, ломаную или слегка искривленную (для жидкостей и полимеров) линию.                         

   В отличие от металлов и полупроводников концентрация свободных носителей заряда n_i в диэлектриках весьма мала, поэтому для измерения электропроводности диэлектриков обычно используют чувствительные приборы – гальванометры или электрометры, способные измерять токи до 10^-15 и даже до 10^-17А. Особое внимание при проведении измерений должно быть уделено устранению паразитных токов утечки, которые могут существенно повлиять на точность получаемых результатов. Поэтому основную измерительную часть цепи, в которой протекает слабый ток, тщательно изолируют от окружающих проводников. 

На рис.1 показаны пути протекания тока через плоский образец. Видно, что

Рис. 1. Пути протекания тока в диэлектрике с плоскими    электродами

а- в случае двух электродов;