Какие токи протекают в диэлектрике

Токи в диэлектриках

Электропроводность диэлектриков – это состояние вещества, имеющего в наличие заряженные частицы, находящиеся в электрическом поле. Существует три основных вида электропроводности.

Электронная или металлическая электропроводность. Характерна для металлов и большинства твёрдых диэлектриков, носители зарядов – электроны.

Ионная или электролитическая электропроводность. Носители зарядов – ионы, характерный процесс – электролиз, в результате которого получаются новые вещества.

Молионная или электрофоретическая электропроводность. Носители зарядов группы молекул – молионы. Характерна для коллоидных растворов и суспензий. Результатом характерного процесса является изменение концентраций относительных слоёв жидкости.

В момент включения и выключения постоянного электрического поля через диэлектрик электрического конденсатора протекает обусловленный быстрыми видами поляризаций ток смещения I_см за время около 10 — 15 с. В неполярных однородных диэлектриках затем устанавливается ток сквозной проводимости — I_скв. В начальный момент времени и при выключении постоянного поля через полярные и неоднородные диэлектрики протекает также ток абсорбции — I_абс, причиной которого являются замедленные (релаксационные) поляризации. Во многих диэлектриках, используемых в качестве электрической изоляции, I_скв устанавливается за время меньшее 1 мин. В переменном электрическом поле через диэлектрик протекают все, характерные для него виды токов.

Сквозной ток — I_скв (ток утечки) обусловлен наличием в диэлектриках указанных в таблице свободных носителей заряда различной природы.

В постоянном электрическом поле токи абсорбции могут устанавливаться в течение длительного времени в зависимости от типа диэлектрика и механизма поляризации. Уменьшение тока I_абс может наблюдаться в течение минут или даже часов. После исчезновения тока абсорбции через диэлектрик будет протекать только ток I_скв. При расчете сопротивления изоляции на постоянном напряжении необходимо расчет вести по току сквозной проводимости I_скв, исключая токи абсорбции.

Основными характеристиками электроизоляционных материалов являются удельная объёмная проводимость g_v и удельная поверхностная проводимость g_s. Для их сравнительной оценки пользуются значениями удельного объемного сопротивления r_v и удельного поверхностного сопротивления r_s.

Удельное объемное сопротивления r_v равно объемному сопротивлению куба с ребром в 1 м, мысленно выделенного из исследуемого материала, если ток проходит сквозь куб от одной его грани к противоположной (рис.1.13).

Удельное поверхностное сопротивление r_s равно сопротивлению прямоугольника, мысленно выделенного из поверхности материала, если ток проходит через него от одной его стороны к противоположной.

где b – расстояние между электродами, a – ширина электродов.

R_s – поверхностное сопротивление образца материала между параллельно поставленными электродами шириной a, отстоящих друг от друга на расстояние b.

Полное сопротивление диэлектрика составит .

Удельная объёмная проводимость .

Удельная поверхностная проводимость .

Электропроводность зависит от состояния вещества (твёрдое, жидкое, газообразное), а также от влажности и температуры окружающей среды, наличия ионизирующего излучения.

Поверхностный ток – ток, обтекающий поверхность образца i_s. Он зависит от чистоты поверхности диэлектрика – загрязнения, влажности, коррозии.

Объемный ток – ток, протекающий внутри диэлектрика по всему объёму i_v. Он зависит от свойств самого диэлектрика.

Токи смещения, абсорбции и сквозной проводимости

Трайк сначала резко увеличивается, затем постепенно уменьшается, асимптотически приближаясь к значению постоянного установившегося состояния(рис. 3.3). Резкое увеличение тока в начале и его последующее уменьшение вызвано током смещения 1 см в диэлектрике. Плотность тока смещения USM определяется скоростью изменения вектора электрического смещения D (или вектора E, D=eoee): jCM=dD/dr=£OE(dE/dt). (3.4) ток смещения / см обусловлен как мгновенной (деформированной)

В первом случае из-за короткого периода установления электронной и ионной поляризации/см невозможно зафиксировать с помощью измерительного прибора. Ток смещения, индуцированный поляризационным вариантным типом, является существенным в работе р-р-перехода в полупроводниковых приборах и подробно рассматривается в главе 8.6. Во втором случае ток смещения наблюдается в техническом диэлектрике от нескольких минут до нескольких десятков минут после подачи напряжения, называемого током поглощения / AB.

Ток поглощения 1А обусловлен типом поляризационной релаксации и перераспределением свободного заряда диэлектрического объема. Последнее приводит к накоплению носителей заряда в местах наибольшей концентрации дефектов решетки, неоднородностей, ловушек типа интерфейсов (уровней захвата). Это способствует поляризации организма. При поляризации диэлектрика на поверхности, обращенной к электроду, образуется поверхностно связанный заряд (см. главу 2.1.2). Для того чтобы компенсировать эти заряды на электродах, далее протекают сторонние заряды+0D и — (?)d (см. 2.1, J) образование и рост связаны с возникновением и ростом токов поглощения.

• Когда поляризация диэлектрика начинает завершаться, рост заряда третьей стороны замедляется, а затем полностью прекращается, так что по мере завершения поляризации ток поглощения уменьшается и становится нулевым. Поток поглощения при постоянном напряжении наблюдается только в момент включения / выключения, переменное напряжение-при каждом полупериоде изменения электрического поля, то есть во все время приложения переменного напряжения. В результате поляризации диэлектрика, вызванной релаксацией вида, а также под действием образующегося объемного заряда, образец заряжается.

В диэлектриках возникает электрическое поле (ЭКФ), вектор которого направлен в противоположную сторону от приложенного магнитного поля. Если внешний источник напряжения от него и его короткозамкнутого выключается, а в паттерне идет обратный так называемый ток деполяризации, который образуется в результате высвобождения носителя в различные ловушки, то временная зависимость тока деполяризации включает информацию о молекулярной подвижности, структурных дефектах и в некоторых случаях предсказывает закономерность протекания тока полимерного диэлектрика или генерируется термически стимулированный ток деполяризации (ТДК).

Составляющая тока, которая не изменяется при подаче постоянного напряжения, представляет собой постоянный поток заряженных частиц, разряженных в электрод, называемый сквозным током 1СК (сквозным током, током утечки или остаточным током), а величина сквозного тока определяет удельную объемную (или поверхностную) проводимость диэлектрика. Ток проводимости обусловлен направленным движением свободного заряда за счет обязательного разряда на электроде. Эти заряды питаются ионообразующими примесями, самими диэлектриками, и инжектируются с электродов сильным магнитным полем.

Только в результате разряда носителя заряда на электродах внешнего контура (положительные ионы принимают электроны с катода, отрицательные ионы излучают электроны на анод), если ток, протекающий в диэлектрике, имеет ионную величину, то во внешнем контуре-электроны. В результате ток преобразуется из ионного типа в электронный на электроде. Ток сквозной проводимости измеряется при подаче на образец постоянного напряжения, а затем ток поглощения падает почти до нуля. Это время, как упоминалось выше, составляет от нескольких минут до нескольких десятков минут и определяется экспериментально.

71 величина проникающего тока при длительном приложении постоянного напряжения может существенно изменяться в результате электрохимического процесса, а также образования объемного заряда. Величина сквозного тока не изменяется только при чисто электронных видах проводимости. Когда постоянное напряжение непрерывно прикладывается к твердому или жидкому диэлектрическому току, проходящему через проводимость, оно продолжает уменьшаться со временем (см. Рисунок). 3. 3, кривая 2), это означает, что электропроводность этого материала в основном обусловлена примесными ионами и снижается в результате электрической очистки образца.

Кроме того, проникающий ток уменьшается, если носители заряда, приближающиеся к электродам, не разряжаются над ними из-за высокого потенциального барьера на границе металл-диэлектрик. Накапливаясь в области вблизи электрода, носитель заряда образует объемный заряд (положительный на катоде, отрицательный на аноде), который препятствует прохождению тока. Объемный заряд области вблизи электрода также может формироваться (в сильном магнитном поле) в результате инжекции заряда с электрода, но в этом случае знак объемного заряда не совпадает с полярностью электрода.

Перед подачей электрического поля диэлектрик электрически нейтрален, то есть суммарный заряд всех малых объемов равен нулю, а после приложения электрического поля заряд (электрод или образец поляризуется) на макроскопическом расстоянии. Разряженный на электроде заряд образует ток сквозной проводимости. Таким образом, поляризация и проводимость всегда появляются одновременно, и через некоторое время поляризация завершается, а проводимость сохраняется. Если ток сквозной проводимости увеличивается со временем(см. Рисунок). 3.3, кривая 7), что указывает на участие в формировании тока заряда, являющегося структурным элементом материала.

При этом хронологический возраст материала-в нем происходит необратимый электрохимический процесс, постепенно приводящий к разрушению (разложению) образца (см. Главу 5). Например, прикладывая постоянное напряжение к нагретому неорганическому стеклу, дендрит может расти по всей толщине диэлектрика от катода к аноду и образовывать проводящий канал через ответвление отложений продукта — достаточное время прохождения тока за счет того, как электролитические продукты в стекле, особенно металлический натрий, выделяющийся на катоде, являются проводящими.

Образовательный сайт для студентов и школьников

Копирование материалов сайта возможно только с указанием активной ссылки «www.lfirmal.com» в качестве источника.

© Фирмаль Людмила Анатольевна — официальный сайт преподавателя математического факультета Дальневосточного государственного физико-технического института

Физические процессы в диэлектриках. Электропроводность диэлектрика , страница 2

Диэлектрики – вещества, способные к диэлектрической поляризации, в которых возможно формирование электрического поля. Ширина запрещенной зоны в диэлектриках составляет более 3 эВ.

По назначению диэлектрики можно разделить на электроизоляционные и — активные (изменяются параметры под действием внешних факторов). По агрегатному состоянию – на твердые, жидкие, газообразные. Кроме того, существует особая группа – твердеющие материалы – исходно жидкие, но принимающие твердое состояние в процессе изготовления (лаки, компаунды).

Основные свойства диэлектриков – это:

— электрическая прочность (пробой).

По типу поляризации диэлектрики можно разделить на:

1) неполярные – газы, жидкости и твердые вещества в кристаллическом и аморфном состояниях, в которых возможна только электронная поляризация (за счет смещения электронных оболочек атомов относительно ядра под действием внешнего электрического поля)

2) полярные диэлектрики – органические, жидкие, полужидкие, твердые вещества с дипольным механизмом поляризации

3) ионные соединения, включающие диэлектрики с ионной упругой и электронной упругой поляризацией – вещества с плотно упакованной структурой (кварц, слюда, корунд), а также диэлектрики сочетающие ионную и дипольную поляризацию – неорганические стекла, многие виды керамики, кристаллические диэлектрики с неплотной упаковкой частиц решетки;

В зависимости от влияния электрического поля на поляризацию и диэлектрическую проницаемость, диэлектрики делят на

и нелинейные:

Также их можно разделить на активные (управляемые) диэлектрики (например емкость конденсатора из нелинейного диэлектрика управляется электрическим полем ) и пассивные, не изменяющие характеристик при внешнем воздействии.

Электропроводность диэлектрика

Под действием постоянного напряжения диэлектрик может пропускать незначительный электрический ток – ток утечки: , — объемный, — поверхностный токи.

,

,

При подключении к постоянному источнику в начальный момент протекает ток смещения:

За спадает ток, обусловленный зарядкой геометрической ёмкости. Ток, связанный с установлением поляризации называется током абсорбции.

После завершения зарядки и установления поляризации ток равен (-сквозной ток)

Удельное объемное сопротивление диэлектрика:

,

, ,

Удельное поверхностное сопротивление:

Свойства диэлектрика также характеризуются постоянной времени произведением сопротивления изоляции диэлектрического конденсатора на его ёмкость:

Электропроводность диэлектриков зависит от:

— температуры окружающей среды.

Уменьшение со временем говорит о том, что электропроводность материала обусловлена ионами посторонних примесей и уменьшилась за счет электрической очистки образца. Если ток увеличивается с течением времени, это означает, что в нем участвуют заряды, являющиеся структурными элементами самого образца, в диэлектрике протекает процесс необратимого старения под напряжением, что может привести к пробою.

Электропроводность газов

Электропроводность в газах возможна при наличии ионов или свободных электронов, возникающих под действием внешних факторов: термическое воздействия, рентгеновских лучей, радиационного излучения или вследствие ударной ионизации.

Если газ расположен между двумя плоскими электродами, то во внешнем поле часть ионов может рекомбинировать, часть – нейтрализоваться на электродах.

В области I выполняется закон Ома (число ионов не зависит от приложенного напряжения)

С ростом напряжения U ионы не успевают рекомбинировать, и все ионы, созданные в газовом промежутке, разряжаются на электродах (участок II). В нормальных условиях при длине промежутка в 1 см в воздухе ток насыщения на этом участке А/м 2 , а Uн → Eн

Участок III – область ударной ионизации.

Электропроводность жидких диэлектриков

Электропроводность жидких диэлектриков зависит от строения молекулы. Если диэлектрик неполярный, то электропроводность определяется наличием диссоциированных примесей, в т.ч. влаги, и может быть вызвана диссоциацией молекул самой жидкости. У полярных жидкостей удельная проводимость значительно выше, т.к. в них легче происходит диссоциация.

Сильнополярные жидкости ведут себя как проводники с ионным типом электропроводности. Очистка от примесей повышает удельное сопротивление жидкости.

Общие представления об электропроводности диэлектриков (Материалы на тему диэлектриков. Шпоры, короче)

Документ из архива «Материалы на тему диэлектриков. Шпоры, короче», который расположен в категории » «. Всё это находится в предмете «физика полупроводников» из раздела «», которые можно найти в файловом архиве МЭИ (ТУ). Не смотря на прямую связь этого архива с МЭИ (ТУ), его также можно найти и в других разделах. Архив можно найти в разделе «к экзамену/зачёту», в предмете «физика полупроводников» в общих файлах.

Онлайн просмотр документа «Общие представления об электропроводности диэлектриков»

Текст из документа «Общие представления об электропроводности диэлектриков»

Общие представления об электропроводности диэлектриков

Сквозной ток — I_скв (ток утечки) протекает по диэлектрику под воздействием постоянного напряжения — обусловлен наличием в диэлектриках свободных носителей заряда различной природы.

Носители заряда (область слабых полей)

Природа носителей заряда (происхождение)

Газообразные

Положительные и отрицательные ионы

Ионизация молекул газа

В сильных полях также электроны

Главным образом ударная ионизация и фотоионизация молекул газа

Диссоциация молекул примеси (реже собственных молекул)

Коллоидные заряженные частицы

Характерны для эмульсий (коллоидные частицы жидкость) и суспензий(взвешенная фаза твердое вещество)

Носители заряда (область слабых полей)

Природа носителей заряда (происхождение)

Диссоциация примесей или собственных молекул

Точечные дефекты кристаллической решетки: вакансии (пустые узлы) межузельные ионы

Зависят от структуры кристаллического диэлектрика

Электроны проводимости или дырки в заполненной зоне

В диэлектриках с электронным механизмом проводимости

Зависимость тока от времени приложения постоянного напряжения

В момент включения постоянного электрического поля через диэлектрик электрического конденсатора протекает ток смещения — I_см, обусловленный быстрыми видами поляризаций.

В неполярных однородных диэлектриках затем устанавливается ток сквозной проводимости — I_скв.

В полярных и неоднородных диэлектриках протекает также ток абсорбции — I_абс, вызываемый активными составляющими токов, связанных с установлением замедленных (релаксационных) поляризаций. Во многих диэлектриках, используемых в качестве электрической изоляции, I_абс устанавливается за время меньше 1 мин.

Изменение тока через неполярный диэлектрик в зависимости от времени подключения постоянного напряжения показано на рисунке.

Токи абсорбции

Токи абсорбции могут устанавливаться в диэлектрике в течение длительного времени в зависимости от типа диэлектрика и механизма поляризации. Уменьшение тока I_абс может наблюдаться в течение минут или даже часов. После установления тока абсорбции через диэлектрик будет протекать только ток сквозной проводимости.

При расчете сопротивления изоляции на постоянном напряжении необходимо расчет вести по току сквозной проводимости I_скв, исключая токи абсорбции.

Посмотрите как изменяется ток в зависимости от времени приложения постоянного напряжения к диэлектрику, в котором возникают токи абсорбции.

Электропроводность жидких диэлектриков

Основную роль играют два типа электропроводности: ионная и молионная (катафоретическая).

В неполярных и слабополярных жидкостях носителями заряда в основном являются ионы, возникающие при диссоциации молекул примесей.

Степень диссоциации (отношение числа диссоциированных молекул к общему числу молекул жидкости) зависит от химической природы примесей, концентрации и диэлектрической проницаемости. Степень диссоциации возрастает с увеличением диэлектрической проницаемости.

Собственная ионная электропроводность наблюдается при диссоциации молекул жидкости с ионным характером связи.

Электронная электропроводность может наблюдаться в сильных полях при эмиссии электронов с катода в тщательно очищенных от примесей жидкостях.

Молионная электропроводность характерна для коллоидных растворов, например для многих электроизоляционных лаков в неотвержденном состоянии, содержащих мелкодисперсный наполнитель, пигмент и др. Знак заряда частицы будет положительным, если диэлектрическая проницаемость частиц больше диэлектрической проницаемости растворителя и наоборот. Такие заряженные частицы называют молионами.

Электропроводность жидких диэлектриков

Удельное сопротивление жидкостей уменьшается с ростом температуры по экспоненциальному закону

=B . exp(W/kT) ,

где B — константа, W — энергия диссоциации, k — постоянная Больцмана. По аналогичному закону изменяется и вязкость жидкости.

Удельные проводимости неполярных, слабополярных и сильнополярных жидких диэлектриков приведены в таблице.

Удельное сопротивление , Ом . м

Неполярные жидкости (бензол, трансформаторное масло)

Слабополярные жидкости (совол, касторовое масло)

Сильнополярные жидкости (дистилированная вода, этиловый спирт, ацетон)

Закон Ома в жидкостях нарушается в сильных полях (Е = 0.05 — 0.06 МВ/м). Возможные причины:

диссоциация молекул жидкости, приводящая к резкому росту концентрации ионов;

автоэлектронная эмиссия электронов с катода в тщательно очищенных жидкостях.

Электропроводность твердых диэлектриков

Для твердых диэлектриков наиболее характерна ионная электропроводность. В кристаллических веществах ионную проводимость можно объяснить, исходя из представлений о внутренних нарушениях структуры или дефектах решетки.

Согласно Я.И.Френкелю под действием тепловых флуктуаций ионы получают иногда энергию, достаточную, чтобы покинуть нормальные положения в решетке и попасть в пространство между нормально закрепленными ионами (межузлия).

При тепловом возбуждении эти межузельные ионы перескакивают из одного межузельного положения в другое, а если к кристаллу приложено поле, то в направлении поля более часто. Через диэлектрик будет протекать электрический ток.

Если при движении по кристаллу ион встречает вакантное место, то он снова закрепляется в узле решетки. Такой процесс приводит к обмену атомов местами, то есть к диффузии.

Электропроводность твердых диэлектриков

Коэффициент диффузии D связан с подвижностью соотношением Нернста-Энштейна

/D = e/kT,

где — подвижность, e — заряд, k — постоянная Больцмана, T — температура. Коэффициенты диффузии, вычисленные по этой формуле, при комнатной температуре очень малы, не более 10 -5 см 2 /с, а подвижность 10 -4 см/В . с.

В процессе электропроводности играют роль не только собственные ионы решетки, но и ионы примесей, особенно с высокой подвижностью. К таким ионам относятся ионы Na + , K + , H + , роль которых велика уже при комнатной температуре.

К числу примесных ионов с большой подвижностью относятся такие ионы как Cu + , Au + , Ag + . Для таких ионов D = 10 -5 — 10 -7 см 2 /с, = 10 -2 — 10 -4 см 2 /В . с. Возможен и другой механизм электропроводности кристаллов (по Шоттки), при котором дефекты образуются в результате удаления равного числа анионов (—) и катионов (+) из нормальных узлов решетки и помещении их в новые узлы на внешних и внутренних поверхностях кристалла. В этом случае вакансии перемещаются по кристаллу вследствии переноса в незанятый узел ионов из соседних узлов. Посмотрите, как происходит этот процесс.

Электропроводность твердых диэлектриков

Для многих ионных кристаллов удельная электропроводность экспоненциально зависит от температуры = e . n . = _o . exp(-W_a/kT),

где W_a = W/2 + U, а W = W_f или W = W_s — энергия образования дефектов по Френкелю или по Шоттки в зависимости от типа дефектов, U — энергия активации перемещения ионов, меньшая W.

В координатах ln />= f(1/T) эта зависимость представляется в виде прямой линии, либо в виде линии с изломом, если имеются два различных механизма проводимости. В этом случае зависимость />от 1/T будет представляться суммой двух экспонент

= ₁ . exp(-W_a1/kT) + ₂ . exp(-W_a2/kT).

Как видно из рисунка, по наклону прямых ln можно найти W_a1 и W_a2 например для W_a1 имеем:

ln />₂ — ln />₁

. 10 3. k.

(10 3 /T₂)-(10 3 /T₁)

Электропроводность твердых диэлектриков

Для низкотемпературного участка NaCl по экспериментальным данным W_a = 1,7 — 2,2 эВ.

В низкотемпературной области проводимость в основном определяется примесями и кривая в этой области имеет более слабый наклон, в высокотемпературной области — проводимость за счет собственных ионов (Cl — ).

Обычно W_a1/W_a2 = 1/2, a />₁/ />₂ = 10 -5 . Следует отметить, что W_a2 не чувствительна к наличию примесей.

В некоторых твердых неорганических диэлектриках, например в титаносодержащей керамике, возможна электронная или дырочная электропроводность.

Электропроводность полимерных диэлектриков

Электропроводность полимерных диэлектриков носит в основном ионный характер. Источником ионов могут быть как сами молекулы, так и ионогенные примеси. По данным Б.И.Сажина энергия ионизации молекул примесей ионогена всего лишь 0.2 эВ и менее, концентрация свободных ионов в полимерах очень мала и составляет 10 20 — 10 22 м -3 .

Ширина запрещенной зоны у полимерных диэлектриков велика, например у фторопласта-4 W = 10.07 эВ. Однако, у некоторых полимерных диэлектриков может наблюдаться электронная проводимость, например у полимеров с сопряженными двойными связями, у которых ширина запрещенной зоны невелика.