Особенности электропроводности диэлектриков
Электропроводность диэлектриков
Любой радиотехнический материал – проводник, полупроводник или диэлектрик – проводит электрический ток. Но в диэлектриках протекают токи очень малой величины, если даже они находятся под воздействием большого напряжения (500 В и выше).
Электрический ток в диэлектриках – это направленное движение электронов и ионов: положительных и (или) отрицательных ионов.
Основные виды электропроводности диэлектриков
1. Абсорбционные токи
Абсорбционными токами называются токи смещения различных видов замедленной поляризации. Абсорбционные токи при постоянном напряжении протекают в диэлектрике до момента установления равновесного состояния, изменяя свое направление при включении и выключении напряжения. При переменном напряжении абсорбционные токи протекают в течение всего времени нахождения диэлектрика в электрическом поле.
В общем случае электрический ток j в диэлектрике представляет собой сумму сквозного тока jск и тока абсорбции jаб
j = jск + jаб.
Ток абсорбции можно определить через ток смещения jсм - скорость изменения вектора электрической индукции D
Сквозной ток определяется переносом (движением) в электрическом поле различных носителей заряда.
2. Электронная электропроводность характеризуется перемещением электронов под действием поля. Кроме металлов она присутствует у углерода, оксидов металлов, сульфидов и др. веществ, а также у многих полупроводников.
3. Ионная – обусловлена движением ионов. Наблюдается в растворах и расплавах электролитов – солей, кислот, щелочей, а также во многих диэлектриках. Она подразделяется на собственную и примесную проводимости. Собственная проводимость обусловлена движением ионов, получаемых при диссоциации[1] молекул. Движение ионов в электрическом поле сопровождается электролизом[2] – переносом вещества между электродами и выделением его на электродах. Полярные жидкости диссоциированы в большей степени и имеют большую электропроводность, чем неполярные.
В неполярных и слабополярных жидких диэлектриках (минеральные масла, кремнийорганические жидкости) электропроводность определяется примесями.
4. Молионная электропроводность – обусловлена движением заряженных частиц, называемых молионами. Наблюдают ее в коллоидных системах, эмульсиях[3], суспензиях[4]. Движение молионов под действием электрического поля называют электрофорезом. При электрофорезе, в отличие от электролиза, новых веществ не образуется, меняется относительная концентрация дисперсной фазы в различных слоях жидкости. Электрофоретическая электропроводность наблюдается, например, в маслах, содержащих эмульгированную воду.
Все диэлектрические материалы под воздействием постоянного напряжения пропускают некоторый, хотя обычно и весьма незначительный ток, называемый током утечки. Если для низкокачественных электроизоляционных материалов (дерево, мрамор, асбестоцемент и пр.) ρ лежит в пределах 106-108 Ом*м, то для полистирола, фторлона, кварца оно достигает 1014-1016 Ом*м, еще выше значение неионизированных газов. Очевидно, что чем выше ρ, тем выше качество электроизоляционного материала.
По сравнению с электропроводностью проводников и полупроводников электропроводность диэлектриков имеет ряд особенностей.
Во-первых, ввиду очень большого удельного сопротивления диэлектрика ток через объем участка изоляции – объемный сквозной ток Iν – очень мал и сравним с ним оказывается ток по поверхности – поверхностной сквозной ток Is. Поэтому при изучении электропроводности диэлектрика необходимо учитывать наряду с объемным и поверхностный ток, полагая общий ток участка изоляции:
I= Iν + Is
Следовательно проводимость G = I/U cкладывается из двух проводимостей объемной и поверхностной.
G = Gν + Gs
Общее сопротивление изоляции определяют как результирующее двух параллельно включенных сопротивлений(объемного и поверхностного):
R= 1/G = Rν * Rs / (Rν + Rs)
Под удельным сопротивлением диэлектрика обычно понимают удельное объемное сопротивление, для характеристики Rs вводят понятие удельного поверхностного сопротивления ρs.
Рис.1. Виды электрического тока в диэлектрике
Второй характерной особенностью электропроводности диэлектрика является постепенное спадание тока со временем после подключения постоянного напряжения (замыкания контакта К на рис.1) В начальный промежуток времени в цепи протекает быстро спадающий ток смещения Iсм, плотность которого Jсм=dD/dt (где D=εε0Е - электрическое смещение). Этот ток прекращается за время порядка постоянной времени RC схемы источник-образец диэлектрика, которое обычно мало.
Однако ток продолжает изменяться и после этого, часто в течение минут и даже часов. Медленно изменяющуюся составляющую тока, обусловленную перераспределением свободных зарядов в объеме диэлектрика называют током абсорбции( Iабс). Ток абсорбции связан с поглощением носителей заряда объемом диэлектрика: часть носителей встречает на своем пути ловушки захвата – дефекты решетки, захватывающие и удерживающие носители. Со временем, когда все ловушки заполняются носителями, ток абсорбции прекращается и остается только не изменяющийся во времени сквозной ток Iскв. Который обусловлен прохождением носителей заряда от одного электрода до другого и равен сумме объемного и поверхностного сквозных токов: Iскв= Iν + Is
SHAPE \* MERGEFORMAT 
Рис.2. Изменение тока в диэлектрике после подключения постоянного напряжения.
Ток абсорбции приводит к накоплению носителей заряда в определенных местах диэлектрика – дефектах решетки, границах раздела, неоднородностях. Вследствие появления объемных зарядов распределение напряженности поля в диэлектрике становится неоднородным. Накопление в диэлектрике объемных зарядов приводит к такому нежелательному явлению, как неполный разряд конденсатора при коротком замыкании его обкладок, характеризуемый коэффициентом абсорбции, равным отношению остаточного напряжения к начальному.
При измерении удельного сопротивления ток абсорбции необходимо исключить, выдерживая образец под напряжением в течение некоторого времени.
Кроме перечисленных, электропроводность диэлектриков имеет различный характер в зависимости от агрегатного состояния диэлектрика.