Электропроводность аморфных диэлектриков в слабых полях

В твердых аморфных диэлектриках при нормальной температуре преобладает ионная электропроводность. Этот вид электропроводности характерен для смол, лаковых пленок, компаундов, стекол и т. п. У керамических материалов, содержащих наряду с кристаллической фазой также и аморфную (стекловидную) фазу, электропроводность в основном определяется последней и тоже имеет ионный характер.

Рис. 5‑7 Зависимость удельного объемного сопротивления ρ двухкомпонентных стекол систем SiO2—Na2O и SiO2—K2O от состава (по Фульда). По оси абсцисс отложено весовое содержание щелочного окисла в весовых процентах; остальное — SiO2

Диэлектрики, у которых имеет место ионная электропроводность, должны подвергаться электролизу, но он выражен в них менее заметно, чем в электролитах, из-за высокого удельного сопротивления материала; электролиз в диэлектриках более отчетливо может наблюдаться при повышенных температурах, когда удельное сопротивление вещества понижено. Например, в стекле, нагретом для уменьшения вязкости и повышения проводимости, у катода образуются характерные отложения (дендриты), входящих в состав стекла металлов, чаще всего натрия. Образование дендритов наблюдается также и в щелочно-галоидных кристаллах (например, в LiF) при длительном пропускании постоянного тока при повышенных температурах.

Электропроводность стекла зависит от его химического состава. Чистое кварцевое стекло (содержание SiO₂ 100%) обладает высоким удельным сопротивлением ρ порядка 10¹⁶ ом×см при 200°С. Наличие других окислов ухудшает электроизоляционные свойства силикатного стекла; особо резко сказывается на уменьшении ρ введение окислов щелочных металлов, что отчасти объясняется малым размером ионов щелочных металлов и соответственно их высокой подвижностью. Из двух практически наиболее важных щелочных металлов ион натрия, имеющий меньший размер, более подвижен, чем ион калия; поэтому с точки зрения уменьшения удельного сопротивления присутствие в составе силикатного стекла натрия более вредно, чем калия (Рис. 5‑7). Введение в состав щелочного стекла тяжелых окислов (например, ВаО, РЬО) повышает ρ стекла.

При одновременном присутствии двух различных щелочных окислов в составе стекла электроизоляционные свойства его могут быть значительно выше, чем при наличии только одного щелочного окисла в количестве, равном суммарному содержанию двух окислов (явление, названное Г. И. Сканави нейтрализационным эффектом). Более того, иногда оказывается возможным улучшить электроизоляционные свойства щелочного стекла добавлением другого щелочного окисла, даже и не уменьшая содержания ранее имевшегося в стекле щелочного окисла (эффект подавления). Нейтрализационный эффект повышения удельного сопротивления у K-Li-стекол выражен значительно более сильно, чем у K-Na- или Na-Li-стекол (Рис. 5‑8). При подборе оптимальных составов возможно получение стекол с высокими электроизоляционными свойствами, несмотря на значительное содержание щелочных окислов; такие стекла технологически более удобны, так как у них температура размягчения относительно невысока, а зависимость вязкости от температуры сравнительно пологая.

Рис. 5‑8 Зависимость удельного объемного сопротивления ρ при температуре + 150°С от доли содержания К2О по отношению к суммарному содержанию обоих щелочных окислов для трехкомпонентных стекол систем: SiO2—Na2O —К2О (а) и SiO2—Li2O—K2O (б) (по О.В. Мазурину и Е.С. Борисовскому). Числа при графиках — суммарное содержание в стекле щелочных окислов, в молекулярных процентах.

Еще чаще случаи, когда молекулы основного вещества диэлектрика не обладают способностью легко ионизироваться, но ионная электропроводность имеет место за счет практически неизбежно присутствующих в диэлектрике загрязнений — примесей влаги, солей, щелочей, кислот и т.п. Даже весьма малые, иногда с трудом обнаруживаемые химическим анализом примеси способны заметно влиять на проводимость вещества.

Рис. 5‑9 Зависимости тока утечки через изоляцию тягового электродвигателя от температуры при различных значениях испытательного напряжения постоянного тока (по Одоку и Сулейману)

С ростом температуры электропроводность аморфных диэлектриков увеличивается по показательному закону. Поэтому сопротивление изоляции при повышении температуры падает, а ток утечки возрастает (Рис. 5‑9).

Рис. 5‑10 Зависимость удельного объемного сопротивления ρ бентонитовой пленки от температуры при нагревании и охлаждении образца (по Б. М. Тарееву)

Все диэлектрики в большей или меньшей степени гигроскопичны, т.е. обладают способностью поглощать (впитывать) влагу при смачивании их водой или же при нахождении в воздухе, содержащем водные пары. Присутствие даже малых количеств воды способно значительно уменьшить ρ диэлектрика. Это объясняется тем, что имеющиеся в воде примеси диссоциируют на ионы, или же присутствие воды, обладающей высокой диэлектрической проницаемостью, может способствовать диссоциации молекул самого диэлектрика.

Таким образом, условия работы электрической изоляции ухудшаются при увлажнении.

Рис. 5‑11 Температурная зависимость электропроводности монокристалла КВг при 18oC и при — 25oС. (Измерения проводились в вакууме; по Б. Н. Мацонашвили)

Весьма сильно увлажнение влияет на изменение ρ волокнистых и некоторых других материалов, в которых влага может образовывать сплошные пленки на поверхности волокон — «мостики», пронизывающие весь диэлектрик от одного электрода до другого.

При сушке электрической изоляции сопротивление ее растет вследствие удаления влаги. Поэтому при нагревании ρ увлажненного материала сперва может расти и только после удаления значительной части влаги начнется снижение ρ.

При быстром снятии обратного хода кривой, когда высушенный материал не успевает впитывать влагу, получаем значительно более высокие значения ρ при низких температурах (Рис. 5‑10).

Если к образцу диэлектрика приложить постоянное напряжение, можно заметить постепенное спадание тока с течением времени; ток будет асимптотически приближаться к некоторой установившейся величине. Таким образом, проводимость диэлектрика со временем будет уменьшаться. На Рис. 5‑11 показано спадание проводимости γ для кристалла бромистого калия при двух различных температурах; как видно, при более низкой температуре спадание более быстрое. Изменение проводимости от времени связано с влиянием образования объемных зарядов, с процессами электролиза в диэлектрике и другими причинами.

На величину удельного сопротивления оказывают влияние геометрические размеры образца, если эти размеры изменяются в широких пределах. Так, тонкие пленки (или нити) по свойствам существенно отличаются от тех же материалов в толстых, массивных образцах.