 |
Поверхностная электропроводность твердых диэлектриков.
|
|
|
|
Диэлектрики: электропроводность и пробой.
Идеальный диэлектрик должен иметь бесконечно большое электрическое сопротивление и не должен пропускать электрический ток. Однако диэлектрики, используемые в технике, обладают некоторой электропроводностью и их удельное сопротивление составляет величину, лежащую в пределах от 108 до 1018 Ом м.
При наложении электрического поля в диэлектрике появляется электрический ток. При включении постоянного напряжения ток в диэлектрике вначале резко возрастает, а затем постепенно снижается, асимптотически приближаясь к некоторой установившейся величине. Таким образом ток в диэлектрике складывается из трех ссоставляющих:
Поляризационные токи: ток смещения (вызываемый мгновенными видами поляризации)
ток абсорбции (вызывается замедленными видами поляризации)
Поляризационные токи убывают с течением времени.
Ток сквозной электропроводности: этот ток обусловлен наличием в них ионов примесей. При наложении электрического поля примеси начинают упорядоченное движение и в диэлектрике возникает электрический ток.
Если требуется оценить сквозную электропроводность диэлектрика необходимо измерения производить при постоянном напряжении через одну минуту после подачи напряжения на образец чтобы исключить поляризационные токи – в основном токи абсорбции.
Вольт-амперная характеристика твердого диэлектрика:
Из графика (кривая 3) видно, что при небольших напряженностях поля (до Екр ) выполняется закон Ома – зависимость линейная, при напряженностях поля близких к пробивным (выше Екр ) зависимость описывается законом Пула.
Кривые 1и2 представляют зависимость электропроводности (следовательно и уд. Сопротивления) диэлектрика от напряженности поля при разной температуре.
|
|
|
Из графика видно, что с увеличением температуры электропроводность диэлектрика увеличивается, это связано с тем, что примеси, содержащиеся в диэлектрике выходят из закрепленных состояний и начинают участвовать в электропроводности.
От напряженности поля при небольших напряженностях поля удельное сопротивление не зависит.
Поверхностная электропроводность твердых диэлектриков.
Удельная поверхностная электропроводность у, твердых диэлектриков обусловлена наличием на их поверхности влаги или других загрязнений ионогенной природы, которые, диссоциируя, увеличивают проводимость.
Удельное поверхностное сопротивление измеряется в омах.
Наиболее высокое поверхностное сопротивление, не зависящее от влажности, имеют неполярные диэлектрики. Это связано с тем, что поверхность нейтральных диэлектриков не имеет локальных зарядов и дипольная молекула воды не притягивается к поверхности диэлектрика. Такие материалы обладают гидрофобными свойствами.
Наименьшее поверхностное сопротивление имеют волокнистые и пористые диэлектрики.
Для того чтобы оценить поверхностную электропроводность диэлектрика применяют систему трёх электродов (см. рисунок ниже). Также с помощью системы трех электродов измерить отдельно объемные токи, определить объемное сопротивление.
Пробой диэлектриков.
Пробоем диэлектрика называют такое его состояние, когда диэлектрик при некотором значении напряженности электрического поля утрачивает свои электроизоляционные свойства. В диэлектрике образуется канал проводимости.
Напряженность поля при достижении которой происходит пробой диэлектрика называется электрической прочностью. Епр . Электрическая прочность определяется как отношение пробивного напряжения к толщине диэлектрика в месте пробоя, следовательно имеет размерность В/м.
|
|
|
Самую низкую электрическую прочность в нормальных условиях имеют газы, самую высокую – однородные твердые диэлектрики.
В газообразных диэлектриках пробой наступает как следствие развития ударной и фотоионизации.
Ударная ионизация:
В упрощенном виде 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 = Eeλ, где е — заряд электрона; λ — средняя длина свободного пробега электрона (участок пути, пройденный электроном от столкновения с одной молекулой до столкновения с другой молекулой); Е — напряженность электрического поля. Если в момент столкновения электрона с нейтральной молекулой его энергия W будет равна или больше энергии ионизации данной молекулы, то произойдет ее расщепление на положительный ион и электрон, т.е. произойдет ударная ионизация.
Зависимость Епр от давления представлена на рисунке. Изменение эл. Прочности с изменением давления связано с изменением длины свободного пробега электрона. Повышение электрической прочности при низких давлениях (близких к вакууму) объясняется малой вероятностью столкновения электрона с молекулой или атомом.
В технических жидкостях обычно наблюдается электро-тепловой механизм пробоя. (см.описание лабор работы №3). Здесь увеличение электрической прочности с повышением давления связано с увеличением температуры кипения жидкости.
В твердых диэлектриках можно выделить три формы пробоя:
Электрический механизм пробоя:
На практике электрический пробой твердых диэлектриков обычно происходит при попадании в электроустановку грозового разряда (молнии) или в результате коммутационных перенапряжений. Эта форма пробоя не обусловлена ни тепловыми процессами, ни электрическим старением. Происходит при импульсном воздействии и хорошем теплоотводе.
Электротепловой механизм пробоя:
Электротепловой пробой твердых диэлектриков на практике встречается чаще, чем другие формы пробоя. Возникает он вследствие нарушения в диэлектрике теплового равновесия между процессами тепловыделения и теплоотдачи и проявляется в тепловом разрушении материала (расплавлении, прожиге и т.п.) в месте наибольших диэлектрических потерь.
|
|
|
Электрохимический механизм пробоя:
Этот вид пробоя тесно связан со старением диэлектрика. Он наблюдается при повышенных температурах, повышенной влажности, постоянном или низкочастотном напряжении.
|
|
|
