Общие представления об электропроводности диэлектриков (Материалы на тему диэлектриков. Шпоры, короче)
Описание файла
Документ из архива "Материалы на тему диэлектриков. Шпоры, короче", который расположен в категории "". Всё это находится в предмете "физика полупроводников" из 6 семестр, которые можно найти в файловом архиве НИУ «МЭИ» . Не смотря на прямую связь этого архива с НИУ «МЭИ» , 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 - Iскв (ток утечки) протекает по диэлектрику под воздействием постоянного напряжения - обусловлен наличием в диэлектриках свободных носителей заряда различной природы.
| Вид диэлектрика | 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 | |
| Жидкие | Ионы | Диссоциация молекул примеси (реже собственных молекул) |
| Коллоидные заряженные частицы | Характерны для эмульсий (коллоидные частицы жидкость) и суспензий(взвешенная фаза твердое вещество) |
| Вид диэлектрика | Носители заряда (область слабых полей) | Природа носителей заряда (происхождение) |
| Твердые | Ионы | 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 - Iсм, обусловленный быстрыми видами поляризаций.
В неполярных однородных диэлектриках затем устанавливается ток сквозной проводимости - Iскв.
В полярных и неоднородных диэлектриках протекает также ток абсорбции - Iабс, вызываемый активными составляющими токов, связанных с установлением замедленных (релаксационных) поляризаций. Во многих диэлектриках, используемых в качестве электрической изоляции, Iабс 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 Iабс 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 Iскв, 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.
| Диэлектрик | Удельное сопротивление |
| Неполярные жидкости (бензол, трансформаторное масло) | 1010-1013 |
| Слабополярные жидкости (совол, касторовое масло) | 108-1010 |
| Сильнополярные жидкости (дистилированная вода, этиловый спирт, ацетон) | 103-105 |
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;
-
увеличение подвижности;
-
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 см2/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 см2/с, = 10-2 - 10-4 см2/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(-Wa/kT),
где Wa = W/2 + U, а W = Wf или W = Ws - 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
|
| Как видно из рисунка, по наклону прямых ln
| |||||
Электропроводность твердых диэлектриков
|
| Для низкотемпературного участка NaCl по экспериментальным данным Wa = 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 Wa1/Wa2 = 1/2, a 1/ 2 = 10-5. Следует отметить, что Wa2 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 1020 - 1022 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.
