 |
3.3 Электропроводность твердых диэлектриков
|
|
|
|
Электропроводность твердых тел обусловлена как передвижением ионов самого диэлектрика, так и ионов случайных примесей, а у некоторых материалов может быть вызвана наличием свободных электронов.
Вид электропроводности устанавливают экспериментально, используя закон Фарадея. Ионная электропроводность сопровождается переносом вещества на электроды. При электронной электропроводности это явление не наблюдается.
В процессе прохождения электрического тока через твердый диэлектрик содержащиеся в нем ионы примесей могут частично удаляться, выделяясь на электродах; последнее с течением времени приводит к уменьшению проводимости и тока (рис. 3. 1).
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.
В диэлектриках с атомной или молекулярной решеткой электропроводность зависит от наличия примесей.
Удельная проводимость (в 
) при температуре T :
(3. 1)
Где q – заряд носителя, Кл; NT– число носителей в единице объема (концентрация), м3; 
– 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: 
– соблюдается закон Ома.
Подвижность электронов на много порядков больше, чем подвижность ионов. В двуокиси титана, например, подвижность электронов составляет около 10-4 
, тогда как подвижность ионов в алюмосиликатной керамике всего
|
|
|
10-13 – 10-4 . В диэлектрике с электронной электропроводностью концентрация электронов в 109 – 1012 раз меньше, чем концентрация носителей в диэлектрике с ионной электропроводностью при одинаковом заряде носителей и одинаковом значении удельной проводимости.
При ионной электропроводности число диссоциированных ионов находится в экспоненциальной зависимости от температуры:
,
где N – общее число ионов в 1 м3; Эд– энергия диссоциации; kT – тепловая энергия.
Подвижность иона также выражается экспоненциальной зависимостью от температуры:
,
где μ max– предельная подвижность иона; Эпер–энергия перемещения иона, определяющая переход его из одного неравновесного положения в другое.
Подставляя NТ и μ Т в формулу для удельной проводимости (3. 1) и объединяя постоянные N, q и μ max одним коэффициентом, получаем:
(3. 2)
где 
.
Формула показывает, что чем больше значения энергии диссоциации и перемещения, тем резче изменяется проводимость при изменении температуры.
Ввиду того, что обычно 
, температурная зависимость проводимости определяется главным образом изменением концентрации носителей. Величина b для твердых веществ лежит в пределах 10000 - 22000 К.
Если в диэлектрике ток обусловлен передвижением разнородных ионов, выражение (3. 2) принимает вид:
(3. 3)
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 y и p от температуры можно использовать приближенные формулы вида:
(3. 4)
Где 
– удельная объемная проводимость при 
; 
– удельное объемное сопротивление при 
– соответствующие температурные коэффициенты.
Собственная электропроводность твердых тел и изменение ее в зависимости от температуры определяются структурой вещества и его составом.
В телах кристаллического строения с ионной решеткой электропроводность связана с валентностью ионов. Кристаллы с одновалентными ионами обладают большей удельной проводимостью, чем кристаллы с многовалентными ионами. Так, для кристалла NaCL удельная проводимость значительно больше, чем для кристаллов MgO или Al2O3.
B анизотропных кристаллах удельная проводимость неодинакова по разным его осям. Например, в кварце удельная проводимость в направлении, параллельном главной оси, примерно в 1000 раз больше, чем в направлении, перпендикулярном этой оси.
В кристаллических телах с молекулярной решеткой (сера, алмаз) удельная проводимость мала и определяется в основном примесями.
У твердых пористых диэлектриков при наличии в них влаги даже в ничтожных количествах значительно увеличивается удельная проводимость. Высушивание материалов повышает их электрическое сопротивление, но при нахождении высушенных материалов во влажной среде сопротивление вновь уменьшается.
Наиболее заметное снижение удельного объемного сопротивления под влиянием влажности наблюдается у пористых материалов, которые содержат растворимые в воде примеси, создающие электролиты с высокой проводимостью. Для уменьшения влагопоглощения и влагопроницаемости пористые изоляционные материалы подвергают пропитке.
При больших напряженностях электрического поля необходимо учитывать возможность появления в твердых диэлектриках электронного тока, быстро возрастающего с увеличением напряженности поля, в результате чего наблюдается отступление от закона Ома.
|
|
|
