Межотраслевая Интернет-система поиска и синтеза физических принципов действия преобразователей энергии

Стартовая страница

О системе

Технические требования

Синтез

Обучающий модуль

Справка по системе

Контакты
Искать:
  Расширенный   Формализованый   По связи разделов
 А Б В Г Д Е Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ы Э Ю Я 
Общий каталог эффектов

Электропроводность диэлектриков
Электропроводность диэлектриков

Анимация

Описание

Диэлектрическими принято называть материалы, имеющие низкую плотность подвижных носителей заряда (ионов и электронов), поэтому удельное электрическое сопротивление таких материалов в 1012 – 1025 раз выше, чем у проводниковых материалов. Энергия возбуждения электронов на уровни проводимости у диэлектриков превосходит 5 электрон-вольт.При помещении диэлектрика в электрическое поле в нем развиваются два основных процесса: поляризация и сквозная электропроводность. Развитие основных процессов может, в свою очередь, привести к ряду дополнительных процессов к потере энергии электрического поля в диэлектрике и пробою диэлектрика.

Электропроводность диэлектриков определяется в основном перемещением ионов. На концентрацию ионов оказывают влияние: состав материала, температура, облучение материала частицами высоких энергий. Концентрация подвижных носителей заряда в полярных материалах, как правило, выше, чем в неполярных. Это связано с тем, что ионы примесей электрически взаимодействуют с дипольными моментами полярных молекул, поэтому очистка полярных материалов от примесей затруднена.В газообразных диэлектриках в области слабых электрических полей носители заряда в газах появляются в результате воздействия на нейтральные молекулы газа быстрых частиц, квантов света, радиоактивного, ультрафиолетового и других излучений.В результате часть нейтральных молекул распадается на положительные ионы и электроны. Электроны в большинстве случаев захватываются другими нейтральными молекулами, образуя отрицательные ионы, которые участвуют в общем тепловом движении. Некоторая часть электронов, встречаясь с положительными ионами, рекомбинирует, образуя нейтральные частицы, при этом выделяется рекомбинационное излучение в виде квантов света. На длине свободного пробега ионы получают от электрического поля дополнительную скорость. Достигая противоположно заряженных электродов, носители заряда нейтрализуются на них и в цепи возникает электрический ток.

рис.1
Вольтамперная характеристика газообразного диэлектрика для слабых и средних полей
В электропроводности 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 диссоциировавших 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. Знак заряда частицы будет положительным, если диэлектрическая проницаемость частиц больше диэлектрической проницаемости растворителя и наоборот. Такие заряженные частицы называют молионами.
Удельная проводимость любой жидкости в значительной степени зависит от температуры. С увеличением температуры в результате уменьшения вязкости возрастает подвижность ионов и может увеличиваться степень тепловой диссоциации. Эти факторы влияют на увеличение удельной проводимости:
, где А и а – постоянные, характеризующие материал.
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.
В твердых диэлектриках ионного строения электропроводность обусловлена главным образом перемещением ионов, вырываемых из решетки под влиянием флуктуации теплового движения. При низких температурах передвигаются слабо закрепленные ионы, в частности ионы примесей. При высоких температурах движутся основные ионы кристаллической решетки.
Удельная проводимость :
где q – заряд носителя, Кл;N – число носителей в единице объема (концентрация) ;μ – подвижность.
При относительно невысоких напряженностях электрического поля концентрация носителей заряда и подвижность μ не зависят от E, т. е. скорость их перемещения пропорциональна напряженности поля: v=μE– соблюдается закон Ома.
При ионной электропроводности число диссоциированных ионов находится в экспоненциальной зависимости от температуры:
,где N0- общее число ионов,Еэ - энергия диссоциации, кТ - тепловая энергия.
Подвижность иона также выражается экспоненциальной зависимостью от температуры:
, где Эпер - энергия перемещения иона, определяющая переход его из одного неравновесного положения в другое.
Подставляя и в формулу для удельной проводимости и объединяя постоянные , и одним коэффициентом , получаем:
Формула показывает, что чем больше значения энергии диссоциации и перемещения, тем резче изменяется проводимость при изменении температуры.
Если в диэлектрике ток обусловлен передвижением разнородных ионов, проводимость принимает вид:

В связи с этим кривые логарифмической зависимости удельной проводимости от температуры имеют изломы. При низких температурах электропроводность обусловлена ионизированными примесями, при высоких температурах она становится собственной. В некоторых случаях излом кривой температурной зависимости логарифма удельной проводимости объясняется тем, что ионы основного вещества имеют различные энергии диссоциации.

Практически при рассмотрении зависимостей от температуры можно использовать приближенные формулы вида:

 

 
 
 
 
 
 




 

 

 

Ключевые слова

 

Разделы наук

 

Применение эффекта

Благодаря своему большому удельному сопротивлению диэлектрики чаще всего используют в качестве изоляторов. Проводимость газообразных диэлектриков активно используется в газоразрядной технике(элегазовая изоляция).

Реализации эффекта

газоразрядная трубка с плоскими электродами. Пространство между плоскими электродами заполнено воздухом(диэлектриком). При подаче напряжения возникает электрический ток
Газоразрядная трубка состоящая из двух плоских электродов

Рис.2

Литература

1. Иродов И.Е. Электромагнетизм. Основные законы. – 3–е изд., М., Лаборатория базовых знаний, 2001. – 352 с.

2. Рез И.С., Поплавко Ю.М. — Диэлектрики. Основные свойства и применения в электронике, 1989

Формализованное описание Показать

Стартовая страница  О системе  Технические требования  Синтез  Обучающий модуль  Справка по системе  Контакты 
Copyright © 2008 РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина