Зависимость электропроводности диэлектриков от температуры.
Контрольные вопросы по лекции №5.
1. Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры для полярных диэлектриков.
2. Распределение поля в двухслойном диэлектрике.
3. Виды электропроводности в диэлектриках разных агрегатных состояний.
Для сравнительной оценки величин токов объемной и поверхностной проводимостей пользуются значениями удельного объемного сопротивления ρ и удельного поверхностного сопротивления ρs. Поверхностная и объемная проводимости обусловлены разными причинами. Поверхностная проводимость обусловлена присутствием влаги и прочих загрязнений на поверхности диэлектрика. Достаточно тончайшего слоя влаги на поверхности диэлектрика, чтобы была обнаружена заметная проводимость. Адсорбция влаги на поверхности диэлектрика находится в тесной зависимости от относительной влажности окружающей среды. Резкое уменьшение поверхностного сопротивления наблюдается при повышении относительной влажности до 70 – 80%. Удельное поверхностное сопротивление тем выше, чем меньше полярность вещества, чем чище поверхность вещества. Поверхностное сопротивление также может быть повышено за счет качества механической обработки поверхности. Особенно резкое снижение поверхностного сопротивления наблюдается для полярных диэлектриков, у которых образуется поверхностная пленка электролита. Для повышения поверхностного сопротивления применяются различные способы очистки поверхностей: промывка, прокаливание, кипячение в дистиллированной воде.
Схема установки для определения объемного и поверхностного сопротивления диэлектриков изображена на рис.3. На рис.3 цифрой 1 обозначен измерительный электрод, 2 – кольцевой электрод, используемый как заземляющий при определении объемного сопротивления и как высоковольтный при определении поверхностного сопротивления; 3 – электрод, используемый как высоковольтный при определении объемного сопротивления и как заземляющий при определении поверхностного сопротивления; 4 – испытуемый диэлектрик. Удельное объемное сопротивление диэлектрика может быть определено по формуле: ρ = R∙S/h, Ом∙м, где R – измеренное сопротивление образца, Ом, S – площадь измерительного электрода 1, м2; h – толщина образца. Удельное поверхностное сопротивление определяется по формуле: ρs=2πRs/ln(d1/d2), Ом∙м, где Rs – измеренное сопротивление образца, Ом, d1 – внутренний диаметр кольцевого электрода 2 d2 – наружный диаметр измерительного электрода 1.
В отношении явления поверхностной проводимости можно сделать следующие обобщения. Зависимость удельной поверхностной проводимости от влажности обуславливается наличием на поверхности диэлектрика диссоциирующих на ионы веществ. Вода, попавшая на поверхность, способствует их выявлению Если эти вещества являются загрязнениями, то путем их удаления можно получать высокие значения удельного поверхностного сопротивления при любой влажности воздуха. Если такие вещества являются составной частью материала, то удельное поверхностное сопротивление будет сильно снижаться при увеличении влажности. Следует использовать специальные защитные покрытия для снижения гигроскопичности диэлектрика, обеспечивать несмачиваемость его поверхности водой. Например, покрытие керамики и стекол кремнийорганическими лаками значительно повышает величину удельного поверхностного сопротивления изделий во влажной среде.
Ток, обусловленный объемной проводимостью диэлектриков, имеет достаточно сложную форму даже при приложении постоянного напряжения. Ток объемной проводимости состоит из двух основных составляющих: 1) токи смещения и адсорбционные токи и 2) сквозные токи.
График тока при подаче постоянного напряжения представляет собой спадающую до установившегося значения экспоненту, убывающую от начального достаточно большого значения до относительно небольшого установившегося значения.
Начальный бросок тока вызван за счет упорядоченного перемещения частиц вещества в процессе поляризации. Некоторые виды поляризации вещества протекают практически мгновенно. Однако есть и виды поляризации, протекающие достаточно медленно, например релаксационная поляризация. Электрический ток, вызванный движением частиц в процессе поляризации вещества, называется током смещения. Когда задействованы относительно медленные механизмы поляризации, эту составляющую тока называют еще адсорбционным током.
Очевидно, что с течением времени эти составляющие тока уменьшаются до нуля. При постоянном напряжении токи смещения наблюдаются только в моменты включения и выключения напряжения. При переменном напряжении токи смещения имеют место постоянно в течение всего времени действия электромагнитного поля на материал.
Составляющая тока, которая не меняется со временем после приложения постоянного напряжения и представляет собой стационарный поток заряженных частиц, называется током сквозной проводимости, или током утечек. Именно по величине сквозного тока определяют удельную объемную и поверхностную проводимость диэлектрика. Ток сквозной проводимости обусловлен направленным движением носителей заряда, поставляемых ионогенными примесями или самим диэлектриком. Чтобы учесть влияние поляризационных токов, сопротивление твердого диэлектрика рассчитывают частное от деления приложенного напряжения к току, измеренному через одну минуту после включения напряжения.
Величина тока сквозной проводимости при длительном приложении постоянного напряжения может существенно изменяться в результате электрохимических процессов и образования объемных зарядов в диэлектрике. Строго говоря, величина сквозного тока не будет изменяться только при чисто электронном типе проводимости. Если при длительном приложении напряжения ток утечки продолжает снижаться, то электропроводность данного материала обусловлена в основном ионами примеси и она снижается за счет электроочистки образца. Если же ток утечки увеличивается, то это указывает на участие в образовании электрического тока собственных зарядов материала, т.е. имеет место электролиз. В этом случае материал стареет - в нем протекают необратимые электрохимические процессы, постепенно приводящие к разрушению (пробою) образца.
Удельная объемная электропроводность γ [См∙м]определяется концентрацией заряженных частиц n [м-3], величиной их заряда q [Кл] и подвижностью зарядов b [м2/(В∙с)] и определяется по формуле:
γ = n∙q∙b
Эта формула не связана с природой носителя заряда и может применяться для всех видов электропроводности.
Подвижность электронов вследствие их малой массы примерно в 1000 раз выше, чем подвижность ионов. Несмотря на это, проводимость твердых и жидких диэлектриков носит именно ионный характер. Это объясняется тем, что для образования свободных ионов, например при диссоциации, требуется меньшая энергия, чем для образования свободных электронов. С повышением температуры концентрация свободных ионов возрастает по экспоненциальному закону. Подвижность ионов в диэлектрике с увеличением температуры также возрастает экспоненциально. Причины этого явления хорошо описаны в книге Колесова. Суммируя вышесказанное, получим, что с увеличением температуры удельная проводимость растет в результате увеличения концентрации и подвижности носителей заряда. При этом в случае жидких диэлектриков, основным процессом является увеличение подвижности свободных тонов, а в случае твердых диэлектриков – увеличение концентрации свободных ионов. Электропроводность полярных диэлектриков при нагревании возрастает быстрее, чем для неполярных.
Для учета зависимости проводимости диэлектрика от температуры в технике вводится так называемый температурный коэффициент сопротивления диэлектрика TKρ ( или αρ). Зависимость проводимости диэлектрика от температуры носит нелинейный характер, поэтому для заданного интервала температур вводят понятие «средний температурный коэффициент сопротивления диэлектрика», который вычисляется по формуле:
TKρ = (1/ρ1)∙(ρ2- ρ1)/(Т2-Т1), [K-1]