Ответы - final (Ответы на экзамен 1), страница 4

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 (положительным ион принимает электрон(ы) из катода, а отрицательный ион отдает 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 (см. гл. 5). 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 (подробнее см. гл. 5.4.3). При достаточном времени прохождения тока дендриты могут прорасти сквозь всю толщину ди­электрика от катода к аноду и образовать проводящий канал.

6. Зависимость электропроводности диэлектриков от температуры, концентрации носителей зарядов и их подвижности. ТКρ 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 = (ph)/S = h/(γS).

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

γ = nqa. (3.6)

Подвижность носителя заряда а — отношение его дрейфовой скорости V к напряженности электрического поля Е, вызывающе­го эту скорость, т.е. а = V/E [(м/с)/(В/м)] = м²/(В*с). Для воздуха при нормальных условиях в слабых полях подвижность отрица­тельных ионов а_ = 1,87*10⁻⁴⁶ м²/(В*с), положительных ионов — a₊ =1,37*10⁻⁴ м²/(В*с); подвижность электронов вследствие их ма­лой массы больше, чем подвижность ионов, и составляет порядка 3700*10⁻⁴ м²/(В*с), т.е. в ~ 1000 раз выше, чем у ионов. В жидких ди­электриках при 1,18 К а_ = 7*10⁻⁶ м²/(В*с), a+ = 9*10⁻⁶ м²/(В*с). В твер­дых диэлектриках подвижность ионов еще ниже. Например, в алюмосиликатной керамике она составляет лишь 10⁻¹³—10⁻¹⁶ м²/(В*с), а у электронов ~ 10⁻⁴м² /(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= 6 эВ, 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 п свободных ионов возрастает экспоненциально:

(3.7)

где n_o — число ионов в 1 м³при Т → ∞; Wдис — энергия диссоциа­ции, эВ; kT — тепловая энергия (k — постоянная Больцмана (k= 8,617*10^-5 эВ/К; Т— температура, К).

Подвижность а 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 Wпер. 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 Wnep. Поэтому транспорт носителей заряда осуществляется по мел­ким ловушкам, т.е. по ловушкам с низкими значениями Wпер. Веро­ятность тепловых перескоков носителей заряда (например, ионов) с ловушки на ловушку пропорциональна ехр(— Wnep/kT). Следователь­но, с увеличением температуры подвижность а свободных ионов растет экспоненциально:

(3.8)

где а_о — максимальная подвижность иона; Wnep — 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 n и а в формулу (3.6) и объединив постоян­ные n_o и a_o одним коэффициентом А, получим

(3.9)

где W — энергия, необходимая для образования и дрейфа иона

(W= W_дис + W_пер )

Рис. 3.4. Зависимость удельной электропроводности γ жидких полярных (I) и неполярных (2) диэлектриков от температуры T

С увеличением температуры удель­ная электропроводность возрастает (рис. 3.4) в результате увеличения как концентрации n, так и подвижности а свободных ионов. При этом в случае жидких диэлектриков доминирующим является увеличение подвижности а свободных ионов, а в случае твердых диэлектриков — увеличение концентра­ции n свободных ионов. Из рис. 3.4 так­же видно, что электропроводность по­лярных диэлектриков больше, чем неполярных, и при нагревании возрас­тает более интенсивно.

3.1.4. ТКр диэлектриков

Важной характеристикой электрических свойств диэлектриков является температурный коэффициент удельного сопротивления ТКр (или αр, К^-1):

(3.10)

Средний температурный коэффициент удельного сопротивления

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

(3.11)

Комплексная удельная электропроводность

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

γπ = γ^/+jγ^//, (3.12)

где γ' — действительная часть, соответствующая активной удельной проводимости и совпадающая по фазе с напряжением γ' = γr = U/R = ωεε_otgδ (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" = γr = U/Xc= UωC= ωε_oε, где Xс — реактивная составляющая сопротивления (см. гл. 4.2) ;j — мнимая единица, (j = √−1)

Особенности электропроводности газообразных, жидких и твер­дых диэлектриков в зависимости от их природы, напряженности электрического поля рассматриваются ниже.

7. Потери в диэлектриках. Угол диэлектрических потерь δ. Эквивалентные схемы диэлектрика с потерями. Требования, предъявляемые к изоляционным материалам.

Диэлектрическими потерями Р (Вт) называют ту часть энергии приложенного электрического поля, которая рассеивается в диэлек­трике за единицу времени. Эта энергия переходит в тепло, и диэлек­трик нагревается.

При недопустимо высоких диэлектрических потерях электроизо­ляционная конструкция может нагреться до температуры теплового разрушения, т.е. наступит электротепловой пробой (см. гл. 5.3.1 и 5.4.2).

Диэлектрические потери электроизоляционных материалов и кон­струкций часто характеризуют тангенсом угла диэлектрических по­терь tgδ, где δ— угол, дополняющий до 90° угол сдвига фаз между то­ком и напряжением (угол φ) в емкостной цепи (рис. 4.1):

δ= 90°-φ. (4.1)

Величина tgδ является важной характеристикой диэлектриков. Она определяет диэлектрические потери в материале: чем больше tgδ, тем более высокие (при прочих равных условиях) диэлектриче­ские потери. Для наиболее широко применяемых диэлектриков tgδ имеет значение в пределах от 0,0001 до 0,03. О величине диэлектри­ческих потерь участка изоляции и некоторых радиодеталей (конден­саторов, катушек индуктивности и т.п.) можно судить также по зна­чению их добротности Q:

Q=-1/tgδ = ctgδ = tg φ. (4.2)

Диэлектрические потери могут быть как при постоянном, так и при переменном на­пряжении. При постоянном напряжении потери обусловлены только током сквозной проводимости, и величина диэлектриче­ских потерь в данном случае зависит (об­ратно пропорционально) от значений удельных объемного и поверхностного со­противлений. При переменном напряже­нии диэлектрические потери возникают под действием как тока сквозной проводи­мости, так и релаксационных видов поля­ ризации.

Рис 4.1. Векторная диаграмма диэлектрика с потерями.

В сильных электрических полях (в постоянном и переменном) дополнительно