Количественные параметры электропроводности

Электропроводность - это физическое явление, которое, как всякое явление или способность к чему-либо, можно охарактеризовать количественным параметром.

Поэтому количественной мерой электропроводности является удельная проводимость , равная заряду, протекающему в единицу времени через единичное сечение образца при единичной напряжённости электрического поля.

Согласно закону Ома, плотность тока j пропорциональна напряжённости электрического поля Е. Коэффициентом пропорциональности является удельная проводимость , т.е.

 

                                               .                                               (1)

 

С другой стороны, плотность тока равна заряду, протекающему в единицу времени через единичное сечение образца при заданной напряжённости внешнего поля, т.е.

  

                                                  ,                                             (2)

                                 

где    

q -заряд электрона,

n - концентрация носителей заряда,

v - скорость направленного движения носителей заряда в электрическом поле напряжённостью Е.

На основании (1) и (2) можно записать:

 

                                             .                                 (3)                                     

 

Величина u называется подвижностью носителей заряда. Из формулы c ледует, что она равна скорости направленного движения носителей заряда в электрическом поле единичной напряжённости.

Носителями заряда могут быть электроны (дырки), ионы и молионы -заряженные группы молекул (коллоидные частицы). В связи с этим по типу носителей заряда различают электронную, ионную и молионную электропроводности.

  Практической мерой электропроводности является не удельная проводимость, а величина ей обратная - удельное сопротивление r. Для твёрдых диэлектриков различают удельное объёмное r _v и удельное поверхностное r _s сопротивления.

В системе СИ удельное объёмное сопротивление r _v численно равно сопротивлению куба вещества с ребром 1м, если ток протекает через объём между противоположными гранями куба, и имеет размерность [ Ом × м ].

Оно рассчитывается по формуле:

 

                                                [Ом ∙м],                          (4)

              

где  

R_v - экспериментально полученное объёмное сопротивление образца,

рассчитанное по закону Ома - R=U/I [Ом];

 

S - площадь электродов, [м²];

d - толщина образца, т.е. расстояние между электродами, [м].

Удельное поверхностное сопротивление r _s численно равно сопротивлению квадрата любого размера на поверхности образца, если ток протекает между противоположными сторонами этого квадрата, и имеет размерность [Ом], [Ом/квадрат], [Ом/□]. Последняя форма записи размерности характерна для тонких проводящих и полупроводниковых плёнок, используемых в микроэлектронике.

Удельное поверхностное сопротивление образца рассчитывается по формуле:

                                                    [Ом]                          (5)          

 где 

R_s - экспериментально полученное поверхностное сопротивление образца, рассчитанное по закону Ома [Ом];

L - длина электродов, [м];

d - расстояние между электродами, [м].

 

 

1.3.3 Виды электропроводности диэлектриков и способы увеличения r _v и r _s

Электропроводность диэлектриков зависит от многих факторов и определяется:

- агрегатным состоянием образца - газообразное, жидкое, твёрдое;

- структурой вещества - атомная, ионная, молекулярная, кристаллическая, аморфная;

- природой и химическим составом - простые вещества, сложные химические соединения, органические, неорганические соединения;

- строением молекул - мономеры, полимеры, и их полярностью полярные, неполярные;

- гигроскопичностью - непоглощающие или поглощающие влагу, т.е. гидрофобные, гидрофильные вещества;

- пористостью вещества;

- наличием примесных атомов в объёме и адсорбированных атомов и загрязнений на поверхности.

В каждом отдельном случае механизм и вид электропроводности устанавливается экспериментально.

Газообразные диэлектрики в нормальных условиях обладают исключительно малой электропроводностью. Протекание тока обусловлено только наличием свободных электронов или ионов. Они появляются либо под действием внешних ионизирующих факторов, таких как рентгеновские, ультрафиолетовые, космические лучи, радиоактивное излучение или тепловое воздействие, либо за счёт ударной ионизации в сильных электрических полях.

При нормальных условиях величина удельного сопротивления газообразных диэлектриков находится в пределах r _v=10¹⁵ Ом×м.

Для жидких и твёрдых диэлектриков возможны все виды электропроводности. Однако электронная электропроводность является доминирующей в сильных электрических полях.

Ионная электропроводность наблюдается у кристаллических диэлектриков за счёт ионов самого вещества, вырванных из узлов кристаллической решётки под действием теплового движения, либо за счёт ионов примесных атомов. Однако она наиболее характерна для аморфных веществ типа стёкол, смол, лаковых плёнок и компаундов в твёрдом состоянии, а также для жидких диэлектриков.

Прохождение ионных токов сопровождается переносом вещества с образованием вблизи электродов новых химических веществ. Это явление называется электролизом и используется в технике при нанесении различных покрытий.

Молионная электропроводность по своей физической сущности достаточно близка к ионной и наблюдается у жидких лаков и компаундов, увлажняющих масел, в коллоидных системах, представляющих собой смесь двух веществ (фаз), одно из которых в виде макроскопических частиц находится во взвешенном состоянии в другом веществе. Из коллоидных систем наиболее часто используются в электроизоляционной технике эмульсии (обе фазы - жидкости) и суспензии (одна фаза твёрдое вещество, другая - жидкость). При наложении внешнего электрического поля молионы приходят в движение, и процесс сопровождается явлением электрофореза, который отличается от электролиза тем, что не происходит образование новых веществ, а лишь изменяется концентрация одной фазы в другой за счёт осаждения молионов на электродах. Примером практического использования электрофореза является покрытие металлических предметов каучуком и смолами из их суспензий.

Независимо от типа электропроводности величина удельного сопротивления жидких диэлектрических материалов, используемых в технике, находится в пределах r _v = 10¹²... 10¹⁵ Ом×м.

Особенностью электропроводности твёрдых диэлектриков является наличие в них как объёмных, так и поверхностных токов. Поэтому их полная электропроводность складывается из объёмной и поверхностной и характеризуется сопротивлением изоляции R _{и з} . Оно определяется как частное от деления приложенного напряжения на величину полного тока, измеренную через 1 мин. после включения напряжения. Это время необходимо, чтобы закончились поляризационные процессы, и значит ток абдсорбции стал равным нулю и не влиял на величину измеряемого полного тока в диэлектрике и на значение R_из. Сопротивление изоляции является важным параметром для электроизоляционных материалов, используемых в конденсаторах, проводах и кабелях.

Оно зависит от длины изделия и определяется из соотношения:

 

                                                ,                                               (6)

 

где                                                

R _из - сопротивление изоляции всей длины изделия;

R_l - сопротивление одного метра изделия;

L - длина изделия.

Согласно приведённой формуле (6), чем больше длина изделия, тем меньше сопротивление изоляции.

Для органических полимерных электроизоляционных материалов величина удельного объёмного сопротивления находится в пределах         = 10¹⁴...10¹⁶ Ом×м, а сопротивление изоляции изделий, использующих эти материалы изменяется от гигаом до терраом, т.е. R _из=10⁹... 10¹² Ом.

Электропроводность твёрдых диэлектриков обычно характеризуется как удельным объёмным r_v, так и удельным поверхностным r_s сопротивлением.

Как уже отмечалось, r _v зависит от многих факторов и для получения требуемого значения r _v необходимо подбирать соответствующий материал. Для пористых материалов повышение r _v достигается путём просушивания и пропитки лаками, смолами, фтор- и кремнийорганическими жидкостями.

Диапазон значений r _v для различных твёрдых диэлектрических материалов достаточно широк и составляет величину от r _v = 10⁶... 10⁹ Ом×м для слоистых пластиков и некоторых типов стёкол до r _v = 10^ll...10¹⁵ Ом×м для слюдяных и керамических материалов.

Величина r _s в значительной степени определяется поверхностными загрязнениями и влажностью. Достаточно тончайшего слоя влаги на поверхности диэлектрика, чтобы появилась заметная проводимость поверхностная. Чем больше относительная влажность окружающей среды, тем больше влаги адсорбируется на поверхности диэлектрика и тем выше поверхностная проводимость. Резкое увеличение поверхностной проводимости наблюдается при относительной влажности порядка 60%.

Неполярные диэлектрики (гидрофобные) слабо адсорбируют влагу, поэтому для них величина r _s мало зависит от влажности окружающей среды.

Полярные диэлектрики (гидрофильные) значительно поглощают влагу, поэтому величина r _s для них сильно зависит от влажности окружающей среды.

Ионные диэлектрики, керамика, стёкла хорошо смачиваются водой, поэтому во влажной среде r _s для них невелико.

Для одного и того же диэлектрика значения r _s во влажной и сухой среде могут отличаться на 3 - 4 порядка и имеют величину в пределах 10⁶... 10⁷ Ом и 10¹⁰...10¹¹ Ом соответственно.

Для повышения величины поверхностного сопротивления применяют различные способы очистки поверхности - промывку спиртом, кипячение в дистиллированной воде с последующей просушкой, чем достигается очистка поверхности изделий от загрязнений. Изделия из керамики и стёкол прокаливают при температуре 600...700 ⁰С и покрывают плёнками кремнийорганических лаков.