Ответы с Ириными дополнениями, страница 7

Под действием образовавшихся объемных зарядов, а также поляризации диэлек­трика (особенно при наличии дипольно-релаксационной составляющей), образец за­ряжается. Но если от него отключить внешний источник напряжения и его закоро­тить, то по образцу пойдет обратный так называемый ток деполяризации, который образуется в результате освобождения носителей заряда с различных ловушек и дез­ориентации диполей. Зависимость тока деполяризации от времени несет информацию o закономерностях молекулярной подвижности, дефектах строения, и в ряде случаев с ее помощью возможно прогнозирование срока службы полимерной изоляции (см. гл. 5.4.3). При нагревании (с постоянной скоростью) заряженного образца образуется 1°к деполяризации, или ток термостимулированной деполяризации (ТСД). Метод TСД широко используют при изучении релаксационных переходов ( Tс, Tт и др.) в полимерных диэлектриках, а также закономерностей накопления и переноса носителей 3аряда.

Составляющая тока, которая не изменяется со временем приложения постоянного напряжения, представляет собой стационарный поток электрически заряженных частиц, разряжающихся на электродах, и называется током сквозной проводимости Iск (сквозным током I, или остаточным током). По величине сквозного тока определяют удельную объемную (или поверхностную) электропроводность ди­электрика.

Ток сквозной проводимости обусловлен направленным движением носителей заряда, поставляемых ионогенной примесью, самим ди­электриком и в сильных полях инжектируемых из электродов, и со­провождается обязательным их разряжением на электродах.

Только в результате разряжения носителей заряда на электродах (положительный ион принимает электрон(ы) из катода, а отрицательный ион отдаст электрон(ы) ано­ду) во внешней цепи возникает электрический (электронный) ток, измерив величину которого, можно определить удельное объемное (или поверхностное) сопротивление диэлектрика. Если носители заряда не смогут преодолеть потенциальный барьер на границе диэлектрик—металл, то они не разрядятся на электродах и в приэлектродных областях образуют объемные заряды, которые создадут в диэлектрике электрическое поле, направленное противоположно приложенному полю.

Ток сквозной проводимости измеряют тогда, когда после прило­жения к образцу постоянного напряжения ток абсорбции спадет практически до нуля. Это время составляет от нескольких минут до нескольких десятков минут и определяется экспериментально. Величина тока сквозной проводимости при длительном прило­жении постоянного напряжения может существенно изменяться в результате электрохимических процессов, а также образования объ­емных зарядов. Величина сквозного тока не изменяется только при чисто электронном типе проводимости. Если при длительном прило­жении постоянного напряжения к твердому или жидкому диэлектри­ку ток сквозной проводимости со временем продолжает уменьшаться (см. рис. 3.3, кривая 2), значит электропроводность данного мате­риала обусловлена в основном ионами примеси и уменьшается в ре­зультате электроочистки образца.

Ток сквозной проводимости также уменьшается, если носители заряда, подходя к электродам, не разря­жаются (из-за высокого потенциального барьера на границе ме­талл—диэлектрик). Накапливаясь в приэлектродных областях, носи­тели заряда образуют объемные заряды (положительный — у катода и отрицательный — у анода), препятствующие прохождению тока. Объемные заряды в приэлектродных областях могут также образовы­ваться (в сильных полях) в результате инжекции зарядов со стороны электродов, однако в этом случае знак объемных зарядов соответст­вует полярности электродов (см. гл. 7.15.5).

Таким образом, если до приложения электрического поля ди­электрик был электронейтральным, т.е. суммарный заряд всех его микрообъемов был равен нулю, то после приложения поля, в резуль­тате перемещения зарядов (в том числе инжектированных из элек­тродов) на макроскопические расстояния и закрепления части из них на ловушках, электронейтральность нарушается, и в диэлектри­ке возникают объемные заряды. Образец поляризуется. Объемные заряды образуются при прохождении как тока смещения, в частно­сти тока абсорбции, так и тока сквозной проводимости. Если же ток сквозной проводимости увеличивается (см. рис. 3.3, кривая 7), то это указывает на участие в образовании электрического тока собственных зарядов материала, являющихся его структурными элементами, т.е. имеет место электролиз. В этом случае материал ста­реет — в нем протекают необратимые электрохимические процессы, постепенно приводящие к разрушению (пробою) образца. Например, приложив к нагретому неорганическому стеклу постоян­ное напряжение, можно наблюдать благодаря его прозрачности, как в стекле продукты электролиза, в частности выделяющийся на катоде металлический натрий, образуют ветвистые отложения — металличе­ские дендриты. При достаточном времени прохождения тока дендриты могут прорасти сквозь всю толщину ди­электрика от катода к аноду и образовать проводящий канал.

13. Зависимость электропроводности диэлектриков, концентрации носителей зарядов и их подвижности от температуры. Температурный коэффициент сопротивления диэлектриков.

В случае выполнения закона Ома, что наблюдается в слабых электрических полях (см. гл. 3.2—3.4), плотность тока сквозной про­водимости, или плотность тока j (j = I/S, А/м²), прямо пропорцио­нальна напряженности поля:

j = γE. (3.5)

Формулу (3.5) можно получить, если в уравнение I = U/R подста­вить значения U = Eh и R = (ρh)/S = h/(γS).

В свою очередь, удельная объемная электропроводность γ, См/м, определяется концентрацией заряженных частиц n, м^-3 , величиной их заряда q, Кл, и подвижностью а [м² /(В•с)]:

γ = nq μ. (3.6)

Подвижность носителя заряда μ — отношение его дрейфовой скорости V к напряженности электрического поля Е, вызывающе­го эту скорость, т.е. μ = V/E [(м/с)/(В/м)] = м² /(В-с). Для воздуха при нормальных условиях в слабых полях подвижность отрица­тельных ионов μ _=1,87-10^-4м² /(В•с), положительных ионов — μ + = 1,37-10^-4м² /(В-с); подвижность электронов вследствие их ма­лой массы больше, чем подвижность ионов, и составляет порядка 3700• 10^-4 4 м² /(В-с), т.е. в ~ 1000 раз выше, чем у ионов.

В жидких ди­электриках при 1,18 К μ _ = 7• 10^-6м² /(В-с), μ + = 9•10^-6 м² /(В-с). В твер­дых диэлектриках подвижность ионов еще ниже. Например, в алюмосиликатной керамике она составляет лишь 10^-13-16 м² /(В-с), а у электронов ~ 10^-4 м² /(В-с). Формула (3.6) не связана с природой но­сителя заряда, поэтому является общей для всех возможных видов электропроводности.

Несмотря на то что подвижность электронов в диэлектриках бо­лее чем на три десятичных порядка выше, чем подвижность ионов, электропроводность в диэлектриках носит ионный характер, по­скольку для образования свободных ионов (например, при диссо­циации [см. ниже] ионогенной примеси) требуется существенно меньшая энергия, чем для образования свободных электронов. На­пример, в кристалле NaCl для перехода электрона из валентной зоны в зону проводимости требуется энергия ∆W=6эВ, а для отрыва иона Na+ из решетки NaCl необходима энергия, равная энергии дис­социации Wдис = 0,85 эВ. Поэтому в диэлектриках из-за существенно более высокой концентрации свободных ионов (а не электронов) ионная электропроводность является доминирующей, определяю­щей. С повышением температуры концентрация n свободных ионов возрастает экспоненциально:

n = n_oехр(-Wдис/kT), (3.7)

где n_o — число ионов в 1 м³ при T—> ∞; Wдис — энергия диссоциа­ции, эВ; kT — тепловая энергия (k — постоянная Больцмана (k = 8,617•10^-5 эВ/К; Т — температура, К).

Подвижность ионов в диэлектрике с увеличением температу­ры экспоненциально возрастает. Объясняется это тем, что в соот­ветствии с «прыжковым» механизмом электропроводности дрейфо­вая подвижность ионов осуществляется путем их перескока с ловушки на ловушку, разделенных потенциальным барьером Wnep. Ловушками называют области локализации свободных носителей заряда, которыми могут быть как электрически заряженные, так и нейтральные дефекты. «Прилипая» к ловушкам, носители заряда находятся на них тем дольше, чем выше потенциальный барьер Wпер. Поэтому транспорт носителей заряда осуществляется по мел­ким ловушкам, т.е. по ловушкам с низкими значениями Wnep. Веро­ятность тепловых перескоков носителей заряда (например, ионов) с ловушки на ловушку пропорциональна ехр(— Wпер/kT). Следователь­но, с увеличением температуры подвижность а свободных ионов растет экспоненциально:

μ = μ_oехр(-Wпер/kT), (3.8)

где μ _о — максимальная подвижность иона; Wпер — энергия переме­щения иона с ловушки на ловушку (энергия перехода иона из одного равновесного положения в другое).

Подвижность ионов зависит от их размера и величины заряда: чем меньше размер и величина заряда иона, тем выше его подвиж­ность.

Подставив значения л и о в формулу (3.6) и объединив постоян­ные n и μo одним коэффициентом А, получим

γ = А exp(-W/kT), (3.9)

где W—энергия, необходимая для образования и дрейфа иона (W=Wдис + Wпер) С увеличением температуры удель­ная электропроводность возрастает
(рис. 3.4) в результате увеличения как концентрации n, так и подвижности μ свободных ионов. При этом в случае жидких диэлектриков доминирующим является увеличение подвижности свободных ионов, а в случае твердых
диэлектриков — увеличение концентра­ции свободных ионов. Из рис. 3.4 так­ же видно, что электропроводность полярных диэлектриков больше, чем неполярных, и при нагревании возрастает более интенсивно

Рис. 3.4. Зависимость удельной электропроводности у жидких полярных (1) и неполярных (2) диэлектриков от температуры Т.

ТКр диэлектриков

Температурный коэффициент удельного сопротивления показывает относительное изменение удельного сопротивления при изменении температуры на 1 Кельвин (градус).

Он является важной характеристикой электрических свойств диэлектриков (α , К^-1):

ТКр = (1/ρ)(dρ/dT). (3.10)

Средний температурный коэффициент удельного сопротивления

ТКρ, К^-1, для заданного интервала температур можно определить из выражения:

TKρ = (l/ρl)( ρ2-ρl)/(T2- T1,). (3.11)

Комплексная удельная электропроводность Удельная электропроводность диэлектрика при переменном токе может быть вы­ражена в комплексной форме

γ = γ '+ γ", (3.12)

где γ ' — действительная часть, соответствующая активной удельной проводимости и совпадающая по фазе с напряжением γ ' = γ = U/R = ωεtgδ (см. гл. 4.2), где U — ам­плитудное значение напряжения; γ" — мнимая часть — отражает реактивный компо­нент удельной проводимости, опережающей напряжение по фазе на π/2, γ " = γ,= U/Xc.= ωεεo, где Xc — реактивная составляющая сопротивления (см. гл. 4.2) ; j — мнимая единица .

14 Пробой газообразных диэлектриков. Закон Пашена. Пробой газов в неоднородном электрическом поле.

Пробой газообразных диэлектриков имеет чисто электрическую форму. Механизм пробоя газов рассмотрим на примере пробоя воз­духа.

Воздух всегда содержит некоторое количество свободных ионов и электронов, которые, так же как и нейтральные молекулы, находятся в тепловом (хаотическом) движении. При приложении электриче­ского поля заряженные частицы приобретают на­правленное движение.

Механизм пробоя газов сводится к следую­щему. Свободный электрон под действием приложенного электрического поля, двигаясь по на­правлению к аноду, приобретает добавочную энергию W, равную для однородного поля

W = e•λ•E, (5.2)

где е — заряд электрона;

λ. — средняя длина свободного пробега электрона

Е — напряженность электрического поля