Электропроводность диэлектриков

У диэлектриков очень широкая запрещенная зона, поэтому свободные носители заряда практически отсутствуют. Основной причиной электропроводности явля­ется наличие в объеме и на поверхности ионов различных примесей. При высо­ких температурах проводимость также может быть обусловлена ионами самого материала. Различают объемную и поверхностную электропроводность.

Объемная электропроводность создается ионами примесей или ионами диэлект­рика, которые, находясь в состоянии первоначального закрепления и совершая тепловые колебания, способны преодолеть силы взаимодействия с другими мо­лекулами и перейти в новое положение временного закрепления. В отсутствие электрического поля направления перемещения ионов равновероятны, и ток ра­вен нулю. При наличии поля движение ионов создает ток, плотность которого равна

где N_T — концентрация диссоциированных ионов;

υ_T— средняя скорость движения ионов.

Скорость υ_T пропорциональна напряженности поля:

Здесь μ_T— подвижность ионов.

Следовательно, можно записать:

Здесь — удельная объемная проводимость диэлектрика. Величины N_T и μ_T зависят от температуры:

где N_T — концентрация диссоциированных ионов;

N — общая концентрация ионов;

μ_T - предельная подвижность ионов;

Е_Д — энергия диссоциации, необходимая для того, чтобы преодолеть действие сил молекулярного взаимодействия;

Е_пер — энергия перемещения диссоциированного иона, необходимая для переме­щения иона из одного состояния закрепления в другое.

Подставляя N_T и μ_T в формулу для σ_Д, получаем

где А — коэффициент пропорциональности, включающий в себя N_T и μ_T;

Е._а — суммарная энергия активизации (Е_а = Е,_Д + Е_ПЕР).

Так как в объеме имеются как ионы примеси, так и собственные ионы, то

(1.28)

Здесь А₁ и Е₁ характеризуют примесную ионную электропроводность, А₂ и Е₂ — собственную. При низких температурах преобладает первое слагаемое, а при вы­соких — второе. Ток, создаваемый движением ионов, называют током сквозной проводимости —I_ск.

Поверхностная электропроводность обусловлена наличием влаги, загрязнениями, различными дефектами на поверхности диэлектрика. По способности реагиро­вать на влагу различают гидрофобные и гидрофильные материалы. Гидрофобные материалы практически не смачиваются, и их удельное поверхностное сопротив­ление велико. Гидрофильные материалы смачиваются, поэтому на поверхности диэлектрика образуется непрерывный токопроводящий слой. Способность мате­риала поглощать влагу называется адсорбцией. Такой способностью обладают полярные и ионные диэлектрики. Для уменьшения поверхностной электропро­водности создают защитные гидрофобные покрытия.

Диэлектрические потери

Диэлектрическими потерями называют мощность, расходуемую электрическим полем на поляризацию диэлектрика. Эта мощность выделяется в виде тепла. По­глощение мощности диэлектриком обусловлено медленными поляризациями и электропроводностью диэлектрика.

Если между обкладками конденсатора помещен неполярный диэлектрик, то про­порционально изменению напряженности электрического поля изменяются элек­трические моменты диполей и, соответственно, электрические заряды, наводимые на обкладках конденсатора, вследствие чего в диэлектрике возникает ток смеще­ния (емкостный ток), пропорциональный скорости изменения напряженности поля:

Если напряженность поля изменяется по синусоидальному закону, то

При этом I_см опережает приложенное напряжение на угол π/2 (рис. 1.32). Если между обкладками конденсатора помещен полярный диэлектрик, то поворот не­упругих диполей запаздывает относительно изменения напряжения на величину временной релаксации τ₀ = 10^-8 с, в результате чего возникающий ток опережает напряжение на угол φ < 90°. Этот ток называется током абсорбции. Таким обра­зом, ток смещения (I_СМ) обусловлен электронной поляризацией, а ток абсорбции (I_а6) — дипольной. Кроме того, в диэлектрике существует сквозной ток 1_СK, совпа­дающий по фазе с приложенным напряжением. Следовательно, полный ток ра­вен I = I_аб + I_CМ + I_СК. Активная составляющая такого тока равна /_а = 1_СК + I_аа6, а реак­тивная – I_P = I_см + I_aa6.

Угол 8, дополняющий до 90° угол фазового сдвига между током и напряжением, называют углом диэлектрических потерь. Тангенс угла диэлектрических потерь, как это следует из векторной диаграммы, можно рассчитать по формуле

Из-за наличия тока , в диэлектрике выделяется мощность

Таким образом, потери энергии в диэлектрике определяются величиной tgδ. У ши­роко применяемых диэлектриков tg δ = (2...5) 10^-3, у высококачественных диэлек­триков tg δ = (2...5) 10^-4.

У неполярных диэлектриков при возрастании температуры tgδ увеличивается (рис. 1.33, кривая 1), так как потери растут из-за возрастания тока I_ск.

У полярных диэлектриков (рис. 1.33, кривая 2) возможности поворота молекул при низких температурах ограничены из-за сил трения между ними. Поэтому количество молекул, участвующих в процессе дипольной поляризации, и время установления поляризации т₀ невелики, вследствие чего tgδ имеет небольшую величину. По мере роста температуры облегчается поворот молекул, возрастает их количество и уменьшается время τ₀, что ведет к увеличению tgδ (участок 1). Так происходит до тех пор, пока время τ₀ не окажется равным длительности пе­риода изменения поля. При этом условии дипольная поляризация получает наи­большее развитие и tgδ достигает максимума. При еще более высоких температу­рах время τ_о становится существенно меньше периода изменения напряженности поля, поэтому запаздывание дипольной поляризации относительно изменений поля практически исчезает и tgδ уменьшается (участок 2). С повышением часто­ты максимум tgδ смещается в область более высокой температуры. При дальней­шем повышении температуры tgδ начинает увеличиваться, что связано с возрас­танием сквозного тока (участок 3).

В неполярных диэлектриках с увеличением частоты возрастает ток I_р, а ток I_а со­храняется неизменным, поэтому tgδ уменьшается (рис. 1.34, кривая 1).

В полярных диэлектриках в области низких частот ток I_а6 не велик, поэтому при повышении частоты tgδ уменьшается за счет роста тока I_СМ. Затем с ростом часто­ты возрастает число переориентации полярных молекул в единицу времени и уве­личивается ток /_аб, вследствие чего растет tgδ. На частоте f_m время установления дипольной поляризации становится равным длительности периода изменения напряженности поля и tgδ достигает максимума. При дальнейшем повышении частоты не хватает времени для переориентации полярных молекул, поэтому уве­личивается ток I_ааб, что ведет к уменьшению tgδ (рис. 1.34, кривая 2).