Механизмы электропроводности диэлектриков

Размещено на http://www.allbest.ru/

Механизмы электропроводности диэлектриков



Содержание

Введение

1. Механизмы электропроводности диэлектриков

2. Электронная электропроводность

3. Поляронная электропроводность

4. Ионная электропроводность

5. Молионная электропроводность

6. Частотная зависимость проводимости

Заключение

Список литературы



Введение

Диэлектрические материалы - это класс электротехнических материалов, оказывающих большое сопротивление электрическому току и способные поляризоваться в электрическом поле. Диэлектрические материалы, предназначенные для создания электрической изоляции токоведущих частей и проводников, находящихся под разными электрическими потенциалами, называют электроизоляционными материалами.

Электроизоляционные материалы относят к пассивным диэлектрикам. Это, прежде всего, многие виды полимеров, керамики, бумажная и слюдяная изоляция, трансформаторное масло и др. Параметрами активных диэлектриков, таких как сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, электреты можно управлять изменением напряженности электрического поля, температуры, механических напряжений. На их основе создают различные твердые схемы, нелинейные конденсаторы, преобразователи энергии, ячейки памяти ЭВМ.

В целом ряде электротехнических систем, аппаратов, машин, электрическая изоляция и ее параметры - электрические, тепловые, механические и др. играют решающую роль, и должны учитываться как на стадии проектирования, так и при эксплуатации объектов в различных условиях. В зависимости от объекта, в котором предполагается использовать диэлектрики, требования к тем или иным параметрам материалов могут быть различными.



1. Механизмы электропроводности диэлектриков

Электропроводность газов.

Газы при небольших значениях напряженности электрического поля обладают очень малой проводимостью. Ток в газах может возникнуть только при наличии в них ионов или свободных электронов. Ионизация нейтральных молекул газа возникает либо под действием внешних факторов, либо вследствие соударений ионизированных частиц самого газа, ускоренных электрическим полем, с молекулами газа (ударная ионизация).

Внешними факторами, вызывающими ионизацию газа, являются рентгеновские, ультрафиолетовые и космические лучи, радиоактивное излучение, а также термическое воздействие (сильный нагрев газа). Одновременно с процессом ионизации, при котором происходит образование положительных и отрицательных ионов или электронов, часть положительных ионов, соединяясь с отрицательными частицами, образует нейтральные молекулы. Этот процесс называют рекомбинацией.

Наличие рекомбинации препятствует безграничному росту числа ионов в газе и объясняет установление определенной концентрации ионов спустя короткое время после начала действия внешнего ионизатора. Предположим, что ионизированный газ находится между двумя плоскими параллельными электродами, к которым приложено электрическое напряжение. Ионы под влиянием напряжения перемещаются, и в цепи возникает ток. Часть ионов нейтрализуется на электродах, часть исчезает за счет рекомбинации.

На рисунке 1 показана зависимость тока от напряжения для газа. Начальный участок кривой до напряжения U_н соответствует выполнению закона Ома, когда число положительных и отрицательных ионов n можно считать не зависящим от напряжения. В газовом промежутке ток пропорционален напряжению, плотность тока пропорциональна напряженности поля.



Рисунок 1. Зависимость тока от напряжения для газов

По мере возрастания приложенного напряжения ионы уносятся к электродам, не успевая рекомбинировать, и при некотором напряжении все ионы, создаваемые в газовом промежутке, разряжаются на электродах. Дальнейшее увеличение напряжения уже не вызовет возрастания тока, что соответствует горизонтальному участку кривой рисунок 1 (ток насыщения при напряжениях от U_н до U_кр). Ток насыщения для воздуха в нормальных условиях и расстояния между электродами 1 см наблюдаются при напряженностях поля около 0,6 В/м.

Плотность тока насыщения в воздухе весьма мала и составляет около 10^-15 А/м². Поэтому воздух можно рассматривать как совершенный диэлектрик, до тех пор, пока не создадутся условия для появления ударной ионизации. Ток при увеличении напряжения остается постоянным, пока ионизация осуществляется под действием внешних факторов. При возникновении ударной ионизации (выше U_кр на рисунке 1) ток начинает быстро увеличиваться с возрастанием напряжения.

Электропроводность жидких диэлектриков.

Электропроводность жидких диэлектриков тесно связана со строением молекул жидкости. В неполярных жидкостях электропроводность определяется наличием диссоциированных примесей, в том числе влаги. В полярных жидкостях электропроводность зависит не только от примесей; иногда она вызывается диссоциацией молекул самой жидкости. Ток в жидкости может быть обусловлен как передвижением ионов, так и перемещением относительно крупных заряженных коллоидных частиц. Невозможность полного удаления способных к диссоциации примесей из жидкого диэлектрика затрудняет получение электроизоляционных жидкостей с малой удельной проводимостью. Полярные жидкости по сравнению с неполярными всегда имеют повышенную удельную проводимость, причем возрастание диэлектрической проницаемости приводит к росту проводимости. Сильнополярные жидкости отличаются настолько высокой удельной проводимостью, что рассматриваются уже не как жидкие диэлектрики, а как проводники с ионной электропроводностью.

Очистка жидких диэлектриков от содержащихся в них примесей дает заметное повышение их удельного объемного сопротивления. Удельная проводимость любой жидкости в значительной степени зависит от температуры. С увеличением температуры в результате уменьшения вязкости возрастает подвижность ионов и может увеличиваться степень тепловой диссоциации. Эти факторы влияют на увеличение удельной проводимости:

г = А*exp(-a/T),

где А и а - постоянные, характеризующие материал.

Электропроводность твёрдых 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. 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 См?м^-1 ) при температуре Т:

г = q*N_T*м_T, (1)

где q - заряд носителя. Кл;

N_T - число носителей в единице объёма (концентрация). м³;

м_T - подвижность. м²/В*с.

При относительно невысоких напряженностях электрического поля концентрация носителей заряда и подвижность м не зависят от Е, т. е. скорость их перемещения х пропорциональна напряженности поля: х = м*E - соблюдается закон Ома.

2. Электронная электропроводность

Подвижность электронов на много порядков больше, чем подвижность ионов. В двуокиси титана, например, подвижность электронов составляет около 10^-4 м²/В*с, тогда как подвижность ионов в алюмосиликатной керамике всего 10^-13 - 10^-16 м²/В*с. 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:



N_T = N*exp(-Э_Д/kT), (2)

где N - общее число ионов в 1 м³;

Э_д - энергия диссоциации;

kT - тепловая энергия.

Подвижность иона также выражается экспоненциальной зависимостью от температуры:

м_T = м_max*exp(-Э_пер/kT), (3)

где м_max - предельная подвижность иона;

Э_пер - энергия перемещения иона, определяющая переход его из одного неравновесного положения в другое.

Подставляя N_T и м_T в формулу для удельной проводимости (1) и объединяя постоянные N, q и м_max одним коэффициентом A, получаем:

г = A*exp (-b/T), (4)

b = (Э_Д+Э_пер)/k.

Формула показывает, что чем больше значения энергии диссоциации и перемещения, тем резче изменяется проводимость при изменении температуры. Если в диэлектрике ток обусловлен передвижением разнородных ионов, выражение (4) принимает вид:

г = УA_i*exp(-Э_i/kT).

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. 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.



3. Поляронная электропроводность

Если носители заряда достаточно сильно связаны с кристаллической решеткой, то возникает, так называемая поляронная проводимость. Образование полярона связано с искажением (поляризацией) близ лежащей области кристаллической решетки носителем заряда. Носитель локализуется в этой области и движется вместе с ней, что значительно уменьшает его подвижность. При слабом взаимодействии носителя с решеткой образуется полярон большого радиуса, характеризующийся слабым искажением решетки, и следовательно, слабым влиянием на подвижность носителя. При сильном взаимодействии электрона или дырки с кристаллической решеткой может образоваться полярон малого радиуса (~ постоянной решетки). В этом случае искажения решетки очень сильны. Такой полярон очень стабилен и движется даже за счет тепловых флуктуаций в кристалле прыжками.

Под действием электрического поля электрон перемещается вместе с поляризованной областью, т. е. имеет место движение полярона. Поляронная проводимость характерна для ионных кристаллов, где кулоновское взаимодействие между электронами и ионами, образующими кристаллическую структуру, особенно велико. Поскольку в этом случае электроны проводимости оказываются в связанном состоянии, их эффективная масса в тысячи раз превышает значение m^*, характерные для металлов и полупроводников. Соответственно подвижность носителей в диэлектриках в тысячи раз меньше подвижности в металлах и полупроводниках.

В зависимости от силы электрон-фононного взаимодействия могут образоваться поляроны большого радиуса (ПБР) или поляроны малого радиуса (ПМР). Если область искажения вокруг электрона значительно больше параметра элементарной ячейки а, то говорят о поляроне большого радиуса. ПБР образуется в том случае, когда электрон-фононное взаимодействие слабое. Искажения решётки при этом невелики, и условия перемещения электронов (дырок) не очень сильно отличается от условий движения свободных носителей. Однако при движении электрона вместе с ним движутся и вся искажённая область. Это привод к значительному - в десятки раз - уменьшению подвижности.

При сильном электрон-фононном взаимодействии область искажения может быть соизмерима с параметром а. Этот случай соответствует образованию полярона малого радиуса. Из-за сильного взаимодействия электрона с решёткой ПМР оказывается очень стабильным. За счёт тепловых флуктуаций ПМР перемещается в кристалле «прыжками», из одного положения в другое. Если к диэлектрику приложено электрическое поле, то прыжки ПМР становятся направленными, т. е. возникает прыжковая проводимость. Её зависимость от температуры описывается выражением:

, (5)

где е - заряд электрона;

а - постоянная решётки;

щ₀ - частота оптических фононов;

?E - энергия активации «прыжка».

Если к диэлектрику приложены слабые электрические поля, то они не могут изменить ни концентрации, ни подвижности заряда. Значения величин n и м, таким образом, остаются весьма низкими, и вклад электронной проводимости незначителен. В сильных электрических полях ситуация резко меняется. Энергии электрического поля может быть достаточно для освобождения полем электронов (или дырок) из связанного состояния. Вследствие этого возрастает подвижность носителей заряда. Кроме того, из-за ударной ионизации резко увеличивается и концентрация освобождённых электронов в зоне проводимости (или дырок в валентной зоне). Всё это приводит к росту электронной проводимости.



4. Ионная электропроводность

В постоянном электрическом поле в случае направленного движения ионов переносится не только электрический заряд, но и часть вещества диэлектрика. По этой причине величина ионного тока должна зависеть от времени, так как концентрация носителей заряда в объёме диэлектрика постепенно уменьшается. Носители отрицательного заряда - анионы - осаждаются и разряжаются в области анода, а носители положительного заряда - катионы - осаждаются в области катода. Определяя количество перенесенного ионами вещества, можно установить, какие именно ионы участвуют в процессе электропроводности в тех или иных диэлектриках.

На рисунке 2 приведена принципиальная схема эксперимента Тубандта, который является прямым доказательством наличия в веществе ионной проводимости. Исследуемый образец твёрдого диэлектрика предварительно распиливается на три части, которые плотно пришлифовываются друг к другу. Перед включением в измерительную схему с высокой точностью определяется масса каждой из трёх частей образца, причём первая и третья части взвешиваются, вместе с металлическими электродами. Затем длительное время и, обычно, при повышенной температуре (когда проводимость больше) через образец пропускают электрический ток и регистрируют количество прошедшего электричества. Взвешивание после эксперимента показывает, насколько изменилась масса первой и третьей частей образец.

Масса второй (контрольной) части измениться не должна. В случае катионной проводимости увеличивается масса прикатодной части образца за счёт уменьшения массы анодной части, в случае анионной проводимости - наоборот. В современной постановке эксперимент Тубандта значительно усложнился, но его основной принцип остался тем же.



Рисунок 2. Принципиальная схема эксперимента Тубандта по определению чисел переноса в случае ионной проводимости твёрдых диэлектриков

Ионный ток в твёрдых и жидких диэлектриках переносится слабосвязанными заряженными частицами, которые можно рассматривать как примеси. Предположим, что объёмная концентрация таких частиц равна n₀. Для того чтобы перемещаться в диэлектрике, ионы должны преодолевать потенциальный барьер, т. е. преодолевать силы, связывающие их с соседними частицами. Вероятность того, что при тепловом хаотическом движении частица сможет преодолеть энергетический барьер U и перемещаться в диэлектрике, определяется классической статистикой, т. е. вероятность пропорциональная exp(-U/kT).

В сущности оба механизма (ионной поляризации и ионной проводимости) обусловлены направляемой электрическим полем диффузией ионов, только величина потенциального барьера, который должен преодолевать ион при участии в электропроводности, почти на порядок выше, чем энергия активации тепловой ионной поляризации.

Среднее число слабосвязанных заряженных частиц, находящихся в единице объёма диэлектрика и преодолевающих за секунду потенциальный барьер U, при движении в любом произвольно выбранном направлении:

n = n₀/6*н*exp (-U/kT),



где н - частота колебаний ионов в решётке.

В том случае, когда к диэлектрику приложено электрическое поле, вероятность преодоления частицей потенциального барьера изменится на величину exp (ДU/kT), где ДU = 1/2*q*д*E, причём q - заряд иона, д - длина свободного пробега, Е - напряжённость электрического поля. Величина 2ДU представляет собой работу, совершаемую электрическим полем на пути перемещения иона д. После приложения электрического поля некоторое количество Дn заряженных слабосвязанных ионов (из их общего количества n₀ в единице объёма) за единицу времени преодолевают потенциальный барьер и таким образом фактически участвуют в процессе электропроводности. Средняя скорость такого направленного перемещения:

х = Дn/n₀*д.

5. Молионная электропроводность

В жидких диэлектриках электропроводность может быть не только ионной или электронной, но и молионной. В этом случае носителями являются макроскопические частицы - молионы, которые адсорбируют из жидкого диэлектрика свободные ионы и электроны. Молионы образуются в суспензиях (смесях, в которых частицы твёрдого вещества взвешены в жидкости) или эмульсиях (когда капельки одной жидкости взвешены в другой). Если диэлектрическая проницаемость дисперсной фазы больше, чем основной, то молионы заряжаются положительно и при включении электрического напряжения перемещаются к катоду.

Это явление называют катафорезом. В противоположном случае молионы заряжаются отрицательно, что приводит к анафорезу. В процессе электрофореза молионы переносят электрические заряды и осаждаются на электродах, при этом жидкий диэлектрик очищается от заряженных примесей и его электропроводность резко снижается. Это явление широко используется в технике. В загрязнённом в процессе эксплуатации жидком диэлектрике, например в увлажнённом трансформаторном масле, взмучивается тонкодисперсный порошок. Он адсорбирует примесь воды и других веществ и под действием электрического напряжения уносит их в приэлектродную область (электроочистка). При электрофорезе существенно повышается адгезия диэлектриков к металлу.

Этот физический эффект находит применение в технике для покрытия тугоплавких металлов термостойкими диэлектриками и в других технологических процессах. Основные закономерности молионной электропроводности такие же, как и для ионной. Температурная зависимость молионной проводимости, как и других механизмов переноса электрического тока в диэлектриках, имеет экспоненциальный характер. Как и для ионной проводимости, при переносе электрического тока молионами справедлив закон Вальдена: чем больше вязкость жидкости з, тем меньше её проводимость, причём произведение у*з = const.

6. Частотная зависимость проводимости

В соответствии с физической природой носителей заряда, а также в зависимости от свойств того или иного диэлектрика величина у может с ростом частоты как увеличиваться, так и понижаться. Повышение у (щ) обусловлено запаздыванием медленных механизмов поляризации. На рисунке 3 приводятся частотные зависимости в широком (10^-4 … 10⁸ Гц) интервале частот для диэлектриков самой различной кристаллической структуры и химического состава.

Общим для всех них является степенной закон изменения у(щ), установленный А. Иончером:



у ~ щⁿ, 0,7 < n < 1. (6)

Такая зависимость свойственна многим механизмам перемещения заряженных частиц в электрическом поле. Ионы и поляроны при своём «прыжковом» движении между состояниями автолокализации, диполи в процессе вращательных качаний между равновесными положениями, разделёнными потенциальными барьерами, а так же другие заряженные частицы и комплексы, которые под воздействием электрического поля обусловливают проводимость, частотный ход которой описывается формулой (6).

Тепловые движения заряженных частиц, локализация которых определяется набором потенциальных минимумов и барьеров, во внешнем электрическом поле приводят в диэлектрике, как и к проводимости, так и к поляризации.

Рисунок 3. 1 - ковалентный кристалл кремния при 4,2 К, проводимость которого обусловлена «прыжками» электронов; 2 - ионный кристалл в - Al₂U₃, 77 К; 3 - молекулярный кристалл антрацена, 300 К; 4 - фосфатное стекло P₂O₆-FeO-CaO, 300 К; 5 - моноокись кремния, 300 К; 6 - тонкие плёнки стеариновой кислоты, 300 К; 7 - аморфный селен, 300 К; 8 - аморфный As₂S₃, 300 К



Частотная зависимость проводимости некоторых диэлектриков при разных механизмах проводимости и температурах:

В области низких частот (щ > 0) преобладают процессы поляризации, потому что пространственное движение заряженных частиц в почти постоянном поле ограниченно потенциальными барьерами, дефектами структуры и границами раздела, которые препятствуют полному переносу электрических зарядов от электрода к электроду. По мере повышения частоты сначала один, а затем другие заряженные частицы не успевают за время четверти периода приложенного напряжения достигнуть мест локализации и, непрерывно следуя за изменением электрического поля, дают вклад уже в проводимость. При этом вклад от их движения в поляризацию «выключается», вследствие чего происходит дисперсия е. Большое различие в величине потенциальных барьеров и длины свободного пробега, заряженных частиц объясняет непрерывный рост проводимости в очень широком частотном интервале (рисунок 3).

В быстропеременном электрическом поле начинает сказываться инерционность носителей заряда, перемещение которых при достаточно высокой частоте поля становится уже невозможным. Малоподвижные молионы не успевают сместиться в электрическом поле уже на звуковых частотах, вследствие чего электрофорез обычно исследуют и используют при постоянном электрическом напряжении. Ионная проводимость в твёрдых и жидких диэлектриках практически не может быть обнаружена в диапазоне сверхвысоких частот. Наименее инерционной оказывается электронная проводимость, но в диэлектриках она часто носит поляронный характер и «запаздывает» при более низкой частоте, чем в полупроводниках.

Уравнение движения электронов проводимости в быстропеременном электрическом поле должно учитывать их инерацию (масса m_n) и силу «трения» - отношение импульса m_n? к времени свободного пробега ф:



m_n?+m_nx/ф = -eE₀exp(iщt).

С учётом электрического поля, возникающего при смещении n₀ электронов, относительно положительно заряженных ионных остовов (-n₀xe/е), получим уравнение плазменных колебаний:

? + ?/ ф + щ²_плх=0, (7)

где щ²_пл = n₀e²/m_nе - частота колебаний.

В металлах электронный газ высокой концентрации проявляет свою инерцию на частотах 10¹⁵ … 10¹⁷ Гц и при более высоких частотах уже не успевает следовать за изменением электромагнитного поля.



Заключение

В зависимости от физической природы носителей заряда электропроводность диэлектриков бывает электронной, ионной, поляронной и молионной. Механизм переноса заряда во внешнем поле можно разделить на дрейфовый (электроны, поляроны большого радиуса), прыжковый (поляроны малого радиуса, ионы) и диффузионный (электроны, поляроны, ионы).

Величина проводимости диэлектриков зависит как от концентрации, так и от подвижности носителей заряда. Высокая поляризуемость некоторых диэлектриков, с одной стороны, снижает величину проводимости, так как уменьшает подвижность носителей вследствие автолокализации этих носителей, которые «обрастают» связывающими их движение молекулами и частицами (газы, жидкости) или упругими смещениями и кристаллической решётки (твёрдые тела). С другой стороны, большая поляризуемость и высокая диэлектрическая проницаемость ослабляют силы кулоновского взаимодействия заряженных частиц и тем самым повышают вероятность генерации носителей заряда, т. е. приводят к возрастанию их концентрации, а, следовательно, к росту проводимости.

Проводимость диэлектриков экспоненциально возрастает с повышением температуры. В сильных электрических полях она растёт при увеличении напряжённости поля и вследствие инерционности носителей заряда на высоких частотах понижается с ростом частоты. В области низких частот вклад в проводимость даёт запаздывающая поляризация, вследствие чего у с возрастанием частоты может повышаться.



Список литературы

проводник диэлектрик ион изоляция

1. Тареев Б.М. Физика диэлектрических материалов. - М.: Энергоиздат, 1982. - 320 с.

2. Павлов П.В., Хохлов А.Ф. Физика твердого тела. - М.: Высшая школа, 2000. - 494 с.

3. Сканави Г.И. Физика диэлектриков. Область слабых полей. Часть 1. М.: ГТТИ, 1949. -500 с.

4. Борисова М.Э., Койков С.Н. Физика диэлектриков. - Л.: Изд-во Ленинградского ун-та, 1979. - 240 с.

5. Губкин А.Н. Физика диэлектриков. - М.: Высшая школа, 1971. - 272 с.

Размещено на Allbest.ru

...