 |
Электропроводность объемная и поверхностная
|
|
|
|
Электропроводность диэлектриков
Электропроводность – явление, обусловленное наличием свободных и слабо связанных носителей заряда в диэлектрике. Эти заряды под действием постоянного приложенного напряжения приобретают направленное движение, вызывая тем самым электрический ток.
Идеальный диэлектрик должен иметь бесконечно большое электрическое сопротивление и не должен пропускать электрический ток. Однако реальные диэлектрики обладают некоторой электропроводностью (током утечки), и их удельное сопротивление составляет величину, лежащую в пределах от 106 (практически 109) до 1017 Ом·м и выше. Поэтому, в диэлектрике при подведении к нему электрического поля наряду с поляризационными процессами, возникает также явление электропроводности.
Поляризационные процессы смещения связанных зарядов в веществе до момента установления равновесного состояния протекают во времени, создавая токи смещения, в диэлектриках. Токи смещения упругосвязанных зарядов при электронной и ионной поляризациях столь кратковременны, что их обычно не удается зафиксировать прибором. Токи смещения различных видов замедленной поляризации, наблюдаемые у большого числа технических диэлектриков, называют абсорбционными токами. При постоянном напряжении абсорбционные токи, меняя свое направление, протекают только в моменты включения и выключения напряжения; при переменном напряжении они протекают в течение всего времени нахождения материала в электрическом поле.
Наличие в технических диэлектриках небольшого числа свободных зарядов приводит к возникновению слабых по величине сквозных токов. Ток утечки в техническом диэлектрике представляет собой сумму сквозного тока и тока абсорбции. Для плотностей токов можно записать:
|
|
|
+ 
.
Плотность тока смещения определяется скоростью изменения вектора электрического смещенияD:
= 
,
обусловленного мгновенными (электронными, ионными) и замедленными смещениями зарядов.
Как видно из рисунка 3.3., после завершения процессов поляризации через диэлектрик протекает только сквозной ток. Токи смещения необходимо принимать во внимание при измерениях проводимости диэлектриков ввиду того, что при небольшой выдержке образца диэлектрика под напряжением обычно регистрируется не только сквозной ток, но и сопровождающий его ток абсорбции, вследствие чего может быть формироваться неправильное представление о проводимости.
Проводимость диэлектрика при постоянном напряжении определяется по сквозному току, сопровождающемуся выделением и нейтрализацией зарядов на электродах. При переменном напряжении активная проводимость определяется не только сквозным током, но и активными составляющими абсорбционных токов.
Истинной сопротивление изоляции, определяющее сквозной ток, моет быть вычислено по следующей формуле:
.
Поскольку при определении абсорбционных токов даже замедленных видов поляризации возникают некоторые трудности, сопротивление диэлектрика рассчитывают обычно как частное от деления напряжения на ток, измеренный через одну минуту после включения напряжения и принимаемый за сквозной ток.
Электропроводность объемная и поверхностная
Электропроводность диэлектриков имеет две характерные особенности.
1. При приложении к образцу твердого или жидкого диэлектрика постоянного напряжение через него протекает ток сквозной проводимости (ток утечки) I, который складывается из 2 составляющих: тока объемной проводимости IU и тока поверхностной проводимости IS.
Для сравнительной оценки величин токов объемной и поверхностной проводимостей пользуются значениями удельного объемного сопротивления 
и удельного поверхностного сопротивления 
или удельной объемной проводимости 
и удельной поверхностной проводимости 
.
|
|
|
Для плоского образца, находящегося в однородном электрическом поле при постоянном напряжении U, удельное объемное и удельное поверхностное сопротивления определяются соответственно по формулам:
где R – объемное сопротивление образца, Ом 
;
- поверхностное сопротивление образца, Ом 
;
– площадь измерительного электрода, м2;
толщина образца, м.
Удельная объемная , См/м (Ом-1м) и удельная поверхностная .См (Ом-1), проводимости являются величинами, обратными соответствующим удельным сопротивлениям:
, 
.
2. Второй характерной особенностью электропроводности диэлектриков – спадание тока со временем после приложения постоянного напряжения.
При включении постоянного напряжения ток в диэлектрике вначале резко возрастает, а затем постепенно снижается, асимптотически приближаясь к некоторой установившейся величине (рис. 3.3). Резкое возрастание тока вначале и последующее его снижение вызваны током смещения 
в диэлектрике. Плотность тока смещения 
определяется скоростью изменения вектора электрического смещения D (или вектора напряженности E, поскольку 
):
Ток смещения вызван как
1. мгновенными (деформационными) видами поляризации,
Из-за кратковременности установления ионной и электронной поляризаций не удается зафиксировать с помощью измерительного прибора. Ток смещения, обусловленный деформационными видами поляризации, имеет важное значение в работе p-n-перехода полупроводниковых приборов и
2. так и замедленными(релаксационными);
В данном случае ток смещения наблюдается в технических диэлектриках от нескольких минут до нескольких десятков минутпосле приложения напряжения и называется током абсорбции 
.
Ток абсорбции .вызван релаксационными видами поляризации перераспределением свободных зарядов в объеме диэлектрика. Последнее приводит к накоплению носителей заряда в местах наибольшей концентрации ловушек (уровней захвата) – дефектов решетки, неоднородностей, границ раздела и т.п., и вносит свой вклад в поляризацию диэлектрика.
|
|
|
3. а также перераспределением свободных зарядов – их дрейфом, но без разряжения на электродах.
Ток абсорбции при постоянном напряжении наблюдается только в момент включения и выключения, при переменном напряжении – в каждый полупериод изменения электрического поля, т.е. практически в течение всего времени приложения переменного напряжения.
Составляющая тока, которая не изменяется со временем приложения постоянного напряжения, представляет собой стационарный поток электрически заряженных частиц, разрежающихся на электродах, и называется током сквозной проводимости 
( сквозным током, током утечки или остаточным током).
Ток сквозной проводимости обусловлен направленным движением свободных зарядов с обязательным их разряжением на электродах. Он измеряет только тогда, когда после приложения к образцу постоянного напряжения ток абсорбции спадет практически до нуля. Это время, как отмечалось выше, составляет от нескольких десятков минут и определяется экспериментально.
При длительной работе под напряжением ток через твердые и жидкие диэлектрики с течением времени может увеличиваться или уменьшаться. Уменьшение тока со временем говорит о том, что электропроводность материала была обусловлена ионами посторонних примесей и уменьшалась за счет электрической очистке образца. Увеличение тока со временем говорит об участии в нем зарядов, являющимися структурными элементами самого материала, и о протекающем в нем под напряжением необратимом процессе старения, способном со временем постепенно привести к разрушению – пробою образца.
|
|
|
