Практически используемые диэлектрики содержат в своем объеме небольшое количество свободных зарядов, которые перемещаются в электрическом поле. Поэтому диэлектрики на постоянном напряжении пропускают весьма малый ток. Этот ток называют сквозным током утечки.
Удельная проводимость и удельное сопротивление. На рис. 7.1 схематически изображен участок твердой изоляции с расстоянием (h, м) между электродами 1 и 2 и сечением S=b·l (м2), по которому протекает сквозной ток утечки Iиз (А). Ток Iиз складывается из объемного тока утечки Iυ, протекающего через объем, и поверхностного тока утечки IS, протекающего по поверхности изоляции от электрода 1 к 2. Если к электродам приложено напряжение U (В), то проводимость Gиз (См) такого участка изоляции равна Gиз=Iиз/U. Величина, обратная Gиз называется сопротивлением изоляции: Rиз=1/ Gиз (Ом).
Для твердых диэлектриков ток Iυ определяет величину объемной Gυ, а ток Is – поверхностной GS проводимости изоляции, а соответственно объемное Rυ и поверхностное RS сопротивления.
|
|
Рис. 7.1. Объемный lυ и поверхностный ls токи утечки через участок изоляции. |
Поверхностный ток утечки IS протекает по участку диэлектрика длиной h от электрода 1 к 2, периметр которых равен p =2(l + b). Поэтому удельно поверхностное сопротивление равно ρS = plh (Ом), а проводимость σS (См).
Для газообразных и жидких диэлектриков поверхностное сопротивление и проводимость не определяются.
При определении ρ жидких диэлектриков используются измерительные ячейки, представляющие собой металлические сосуды, изготовленные из нержавеющей стали, меди, латуни или других материалов. В сосудах расположены необходимые для измерения электроды.
При подаче на испытуемый образец постоянного напряжения через диэлектрик протекают сквозной ток утечки и ток абсорбции. Ток абсорбции вызывается процессом установления медленных видов поляризации и спадает со временем. В большинстве диэлектриков ток абсорбции спадает за время, много меньшее 60с. Поэтому измерение сопротивления образца производят после выдержки его под напряжением в течение 1мин, фиксируя отклонение гальванометра. Если время спадания тока абсорбции в диэлектрике превышает 1 мин, то в технических условиях на порядок измерения его удельного сопротивления оговаривается время выдержки его под напряжением перед измерением величины сопротивления.
|
|
Физическая природа электропроводности диэлектриков. Удельная проводимость определяется числом носителей заряда п (м-3) в единице объема вещества, зарядом q (Кл) и подвижностью μ (м2/В·с) носителя заряда:
σ = ngμ. (7.1)
Подвижность заряда – отношение скорости υ (м/с), упорядоченного перемещения заряда в электрическом поле к напряженности Е (В/м), электрического поля: μ= υ/E.
В диэлектриках свободными зарядами, которые перемещаются в электрическом поле и обусловливают электропроводность, могут быть ионы (положительные и отрицательные), молионы (в жидких диэлектриках), электроны и электронные вакансии (дырки), поляроны. Такие свободные заряды образуются за счет нагрева диэлектрика, в результате которого происходит термическая диссоциация частиц, при воздействии на диэлектрик света или при его ионизирующем (радиационном) облучении. В сильных электрических полях возможна инжекция зарядов (электронов, дырок) в диэлектрик из металлических электродов, если вторым электродом служат вода или другая жидкость – электролиты, в которых имеются свободные положительные или отрицательные ионы; в результате ударной ионизации, когда в сильных электрических полях свободные заряды (ионы и электроны) образуются в диэлектрике, ускоряются в электрическом поле и приобретают энергию, которая достаточна, чтобы при соударении такого ускоренного электрона с молекулой или атомом вещества произошла их ионизация.
В жидких диэлектриках в процессе эксплуатации под действием электрического поля и теплоты происходят химические процессы, в результате которых продукты окисления образуют в жидкости твердые частицы коллоидного размера (диаметр частицы 10-6м). Такие твердые частицы попадают в жидкость и тогда, когда в ней размещены устройства с органической изоляцией и происходит постепенное разрушение изоляции; наконец, в жидкость попадают пыль и влага из воздуха. Частицы на свою поверхность адсорбируют (собирают) имеющиеся в жидкости ионы и поэтому заряжаются. Если диэлектрическая проницаемость вещества, из которого состоит частица, больше диэлектрической проницаемости жидкости, то она заряжается положительно. В противном случае на частице собираются отрицательные ионы. Такая заряженная частица называется молионом. В электрическом поле она перемещается к электродам, где обменивается с ним зарядом, нейтрализуется и оседает на электродах.
Положительно заряженные ионы называют катионами потому, что они перемещаются в электрическом поле к катоду, отрицательные - анионами, они перемещаются к аноду. Вблизи электродов происходит обмен зарядами между электродами и ионами, ионы нейтрализуются и на электродах выделяются продукты нейтрализации – металлы или газы.
Процесс электропроводности, обусловленный перемещением ионов или молионов, связан с переносом вещества – ионов, молионов. Поэтому при постоянном напряжении стечением времени концентрация таких заряженных частиц в объеме диэлектрика уменьшается, изменяются протекающий ток и удельная проводимость диэлектрика. Это явление используют для электроочистки, где нежелательные примеси в диэлектрике, диссоциирующие на ионы, удаляются из диэлектрика в результате процесса электропроводности на постоянном напряжении. Явление молионной электропроводности в жидких диэлектриках используют для получения тонких диэлектрических слоев на поверхности металлических деталей. Такие слои образуются при осаждении коллоидных заряженных частиц диэлектрика на электродах, которыми служат изолируемые детали, помещенные в жидкий диэлектрик, содержащий коллоидные частицы осаждаемого диэлектрического материала.
|
|
Электронная электропроводность может наблюдаться в газообразных, жидких и твердых диэлектриках. Она становится преобладающей в сильных электрических полях. Процесс электронной электропроводности кристаллических твердых диэлектриков объясняют на основе представлений зонной теории электропроводности твердых тел.
В диэлектриках ширина запрещенной зоны ∆Е =3-7эВ. Энергию, достаточную для перехода в зону проводимости, электроны могут приобрести за счет нагрева либо при облучении диэлектрика светом, квантами, энергия которых больше ширины запрещенной зоны, либо при помещении диэлектрика в сильное электрическое поле.
В газообразных и жидких диэлектриках электроны связываются с молекулами, образуются отрицательно заряженные комплексы, которые перемещаются в электрическом поле. В слабых электрических нолях подвижность таких носителей зарядов невелика, поэтому электронная проводимость мала.
Электропроводность газообразных диэлектриков. В слабых электрических полях удельная проводимость газов весьма мала. Например, удельное объемное сопротивление воздуха при нормальных условиях равно 1018Ом·м. Ток в этих условиях возникает в результате перемещения свободных ионов и электронов, которые образуются под действием ионизирующих излучений земной коры, космических лучей, ультрафиолетового излучения солнца, нагрева. Такие факторы ионизации называют внешними факторами. Наряду с ионизацией в газе происходит рекомбинация, возникающая вследствие объединения положительных ионов и электронов, совершающих хаотическое непрерывное тепловое движение. В результате рекомбинаций образуются молекулы газа, не имеющие заряда.
В электрическом поле часть из образовавшихся ионов уносится к электродам и там нейтрализуется. Этот процесс определяет плотность тока j, которая растет при увеличении Е по закону Ома (рис. 7.2, участок 1).
|
|
В поле Е1 все заряженные частицы, которые образуются в диэлектрике под действием внешних ионизаторов, уносятся электрическим полем к электродам, не рекомбинируя, а ток, протекающий через диэлектрик, достигает насыщения (рис. 7.2, участок 2). Ток насыщения зависит от расстояния h между электродами в конденсаторе. Например, в воздухе при нормальных условиях при h= 0,01 м напряженность Е1 = 6В/м, плотность тока jнас= 6·10-15А/м2; при h =0,1м – соответственно 6,0В/м и 6·10-14А/м2. Рабочие напряженности в диэлектрике намного больше, следовательно, газовый диэлектрик практически всегда работает в условиях насыщения.
При напряженностях, больших Ен, в газах начинается процесс ударной ионизации (рис. 7,2, участок 3), Образующиеся под действием внешних ионизаторов заряженные частицы ускоряются в электрическом поле и на длине свободного пробега приобретают энергию, достаточную для ионизации молекул газа. Плотность заряженных частиц увеличивается, ток растет, что приводит к пробою газового промежутка. Для воздуха при нормальных условиях процесс ударной ионизации наступает при Ен=106 В/м.
Если в газообразном диэлектрике содержатся взвешенные частицы – примеси или специально введенные малых размеров частицы смол, пластмасс, измельченных керамик, мельчайшие капельки жидких диэлектриков, то образующиеся в результате ионизации молекул газа ионы и электроны оседают на поверхности частиц, заряжают их. Заряженные частицы перемещаются в электрическом поле, и ток, протекающий через такой диэлектрик, становится большим. Такой процесс используют в технологии нанесения на различные детали и конструкции электроизолирующих слоев под действием электрического поля.
Электропроводность жидких диэлектриков. В неполярных жидких диэлектриках диссоциация молекул на ионы незначительна, поэтому число носителей заряда в единице объема невелико и проводимость мала. Источником ионов в неполярной жидкости могут быть примеси — влага, различные полярные жидкости, частицы твердых веществ, молекулы которых диссоциируют на ионы. В таких случаях проводимость жидкости называют примесной. Молекулы полярных жидкостей диссоциируют на ионы в большей степени, поэтому их проводимость большая. Если в полярной жидкости содержится даже небольшое количество полярной примеси, то ее молекулы практически все диссоциируют, возрастает и количество диссоциировавших молекул жидкости и проводимость сильно увеличивается.
Перемещение иона в жидкости происходит следующим образом. Ион совершает тепловые колебания в положении временного закрепления с частотой υ=1012-1013Гц. В результате ион преодолевает силы взаимодействия с соседними молекулами и перемещается, «перескакивает» в новое положение временного закрепления, которое отстоит на расстоянии, равном межмолекулярному расстоянию (10-10м). Силы взаимодействия иона с молекулами принято характеризовать энергией активации, потенциальным барьером, который ион преодолевает при переходе в новое положение временного закрепления. Если электрическое поле равно нулю, то такие перемещения иона равновероятны в любом из направлений. В электрическом поле перемещение становится направленным и обусловливает перенос заряда, электропроводность.
Для такого механизма перемещения иона удельная проводимость жидкого диэлектрика выражается формулой
, (7.2)
где п – число носителей заряда в единице объема диэлектрика, м-3; q – заряд иона, Кл; δ – межмолекулярное расстояние, м; υ – частота колебаний иона в положении временного закрепления, Гц; W – энергия активации процесса электропроводности, Дж/К.
Рис. 7.3. Зависимость σ и ρ от Т (а), lnσ и lnρ от 1/Т (б) для жидкого диэлектрика.
Из рис. 7.3 видно, что σ жидкого диэлектрика с ростом температуры увеличивается, а удельное сопротивление ρ=1/σуменьшается по экспоненциальному закону (рис. 7.3, а). Предэкспонента с ростом температуры изменяется намного меньше, чем экспонента ехр (-W/kT ). Потому графики зависимостей ln ρ и ln σ от обратной температуры 1/Т представляют собой прямые линии (рис. 7.3, б).
Рис. 7.4. Зависимость ρ от температуры для масел: 1 – тщательно очищенное; 2 – очищенное; 3 – промышленное; 4 – касторовое (по Г.И.Сканави). |
В состоянии поставки технически чистые трансформаторные масла содержат в 1м3 от 107 до 1011 микрочастиц с размером до 100 мкм, среди которых больше всего содержится частиц с размерами от 2 до 10мкм, т. е. частиц коллоидного размера. Такие частицы абсорбируют на свою поверхность имеющиеся в жидкости ионы, заряжаются и обусловливают перенос заряда, т, е. милионную электропроводность. В неочищенных жидких диэлектриках ρ сильно уменьшается при увеличении температуры. Для удаления частиц загрязнений из жидкости используют специальные сита с калиброванными отверстиями, а также обрабатывают жидкости адсорбентами – специальными веществами, мелкие частички которых связываются с частичками примесей, адсорбируют их, а затем удаляются из жидкости с помощью фильтров. Далее можно производить и электроочистку жидкости.
В сильных электрических полях начиная с критической напряженности, которая обычно равна (1-5)·107В/м, в жидкости переход иона из положения временного закрепления в другое происходит не только в результате тепловых колебаний частиц, а и под влиянием электрического поля. Поэтому растет подвижность μ иона и начиная с некоторого значения плотности тока j0, плотность тока j увеличивается по закону
j=j0ехр(а E), (7.3)
где j0 – плотность тока при критической напряженности; а – эмпирический коэффициент.
Кроме того, возможен рост числа носителей зарядов за счет увеличения количества диссоциировавших молекул. В сильном поле деформация молекул становится настолько большой, что они распадаются на ионы. В этом случае ток изменяется с ростом напряженности: j=j0exp(6 ).
Наконец, в сильных полях возможно увеличение концентрации носителей заряда за счет инжекции электронов с металла электродов и ударной ионизации ускоренными электронами. Нелинейный рост плотности тока с ростом напряженности выражается формулой j=kE2exp(-р/E), где k и р – постоянные, характерные для данного жидкого диэлектрика.
Электропроводность твердых диэлектриков. В используемых в технике твердых диэлектриках – бумагах, картонах, лаках, эмалях, компаундах, пленках, полимерах, керамиках и стеклах, слюдах и многих других – характерной является ионная электропроводность. При нагреве или освещении, действии радиации, света, сильного электрического поля сначала ионизируются содержащиеся в таких диэлектриках дефекты и примеси. Образовавшиеся таким образом ионы определяют низкотемпературную примесную область электропроводности твердого диэлектрика. Как и в жидком диэлектрике, ионы занимают места временного закрепления и относительно слабо связаны с окружающими частицами. В результате тепловых колебаний они преодолевают потенциальный барьер W, который составляет обычно 0,5-1,0 эВ, и скачком перемещаются в другое положение. В электрическом поле такие перемещения ионов становятся направленными и они перемещаются по полю.
При большем нагреве или при более сильных других воздействиях ионизируются основные частицы, из которых построен твердый диэлектрик. Удельная проводимость изменяется с ростом температуры с большей скоростью, так как число основных ионов намного больше числа ионов, образовавшихся при ионизации дефектов или примесей. Потенциальный барьер W и энергия активации процесса электропроводности для основных ионов больше, чем для ионов и примесей. Эта область электропроводности называется высокотемпературной собственной.
Зависимость удельной проводимости твердого диэлектрика с ионной электропроводностью от температуры такая же, как и для жидкого диэлектрика. Поэтому (7.2) справедлива и для твердых диэлектриков. Если в твердом диэлектрике наблюдается примесная и собственная ионная электропроводность, то зависимость проводимости от температуры выражается формулой
,
где A1, W1 и A2, W2 характеризуют примесную и собственную электропроводности соответственно.
В процессе ионной электропроводности катионы и анионы обмениваются зарядами с электродами и таким образом нейтрализуются, на электродах осаждается металл, выделяются газы, собираются частички примесей. Может наблюдаться также постепенное разрушение металлического электрода и металл диффундирует в диэлектрик. В результате близ электродов могут образовываться длинные ветвистые тончайшие металлические нити, которые называют дендритами, диаметр их равен нескольким микрометрам. При больших температурах рост дендритов интенсифицируется и они могут прорасти через весь образец и замкнуть электроды накоротко.
Во многих диэлектриках, используемых в электрической изоляции, величина ρυ сильно зависит от их увлажнения. Даже малое количество влаги, поглощенное гигроскопическим образом, может существенно уменьшить его сопротивление. Молекулы воды хорошо диссоциируют на ионы, в воде растворяются частицы примесей, обычно содержащихся в технических диэлектриках: солей, остатков катализаторов, кислот, щелочей и других трудно устранимых из материала ионогенных веществ. Влага с растворенными ионогенными примесями проникает в поры и микротрещины, впитывается капиллярами, распределяется по границам раздела в многокомпонентном диэлектрике. Количество поглощенной изоляцией влаги зависит от влажности окружающего воздуха и времени выдержки образца во влажной атмосфере или в воде, если изоляция работает в контакте с водой. Процесс уменьшения ρυ изоляции имеет обратимый характер. При высушивании поглощенная влага удаляется и ρυ возрастает. Для предотвращения увлажнения изоляции поверхность гигроскопичных материалов защищается не смачиваемыми водой, водостойкими материалами, препятствующими проникновению влаги. Например, пористые электрокерамические материалы покрываются глазурью; пористые диэлектрики пропитываются жидкими или твердеющими компонентами, которые плохо увлажняются.
Рис. 7.5. Зависимость lnρυ от 1/Т для диэлектрика с примесной электронной электропроводностью. |
В случае электронной электропроводности сопротивление твердых диэлектриков с увеличением давления уменьшается. Такой эффект используют как косвенное подтверждение существования в диэлектрике электронной электропроводности.
Изменение электропроводности при облучении. Электротехническое оборудование и диэлектрики, применяемые в нем, при эксплуатации на атомных электростанциях подвергаются воздействию проникающего излучения (радиации). В нормальных условиях эксплуатации действуют γ-излучения (γ-кванты различной энергии) и нейтроны. В аварийном режиме действуют γ -излучения и β-излучения (быстрые электроны, скорость которых сравнима со скоростью света). В других условиях эксплуатации возможно облучение заряженными частицами: позитронами, протонами, различными ионами и др. Проникающие излучения, передавая свою энергию (полностью или частично) частицам, из которых построен диэлектрик, могут вызывать их ионизацию. Поэтому такие излучения называют ионизирующими излучениями (ИИ). Результат воздействия ИИ на диэлектрик зависит от поглощенной дозы ИИ и ее мощности. Поглощенной дозой Д называется энергия, сообщаемая ИИ веществу. Ее единицей является грэй: 1Гр =Дж/кг. Мощность поглощенной дозы Р выражается в грэях в секунду (Гр/с).
Если в результате взаимодействия ИИ с веществом произошла ионизация, то образовавшаяся пара из электрона и иона участвует в процессе электропроводности, увеличивая проводимость диэлектрика. Подвижность электрона намного превышает подвижность положительного заряженного иона, поэтому увеличение проводимости в основном определяется концентрацией образовавшихся при ионизации свободных электронов.
Удельная объемная проводимость диэлектрика складывается из собственной проводимости σс (См/м), которая характерна для диэлектрика без облучения (ее называют темновой), и радиационной удельной объемной проводимости σр (См/м): σ=σс+σр.
Радиационная проводимость определяется строением диэлектрика и мощностью поглощенной дозы и при изотермических условиях равна
σр=АР∆,
где А – радиационная постоянная, которая определяется свойствами диэлектрика, См·м-1; ∆ - показатель, изменяющийся для различных диэлектриков от 0,5 до 1,0.
Величина σр много больше σс.
На рис. 7.6 приведены зависимости ρσ и συ от мощности дозы излучения для электротехнического фарфора. Их изменение определяется изменением радиационной составляющей проводимости.
Часть из образовавшихся в процессе ионизации электронов захватывается ловушками и не участвует в процессе электропроводности. Если температура диэлектрика в процессе облучения повышается, то происходит ионизация ловушек, захваченные электроны освобождаются, концентрация носителей заряда возрастает и радиационная проводимость увеличивается. Ее рост описывается формулой
σр=B exp[-Ep/(kT)],
где В – предэкспонента, которая слабо зависит от температуры, См/м; Ep – энергия активации радиационного тока, эВ; k – постоянная Больцмана.
В табл. 7.1 приведены значения А и ∆для некоторых диэлектриков.
Таблица 7.1
Изменения значений А и ∆ диэлектриков от вида облучения
Материал | Вид облучения | А, См·м-1 | Δ |
Фторопласт-4 Полиметилметакрилат Полиимидные пленки ПК-1, ПК-2, ПК-3 Герметик виксинт У-4-21 Герметик ППК-21 | Непрерывное Непрерывное Импульсное Непрерывное γ-излучение Импульсное γ-излучение Непрерывное γ-излучение Импульсное γ-излучение | 3,1·10-16 3,3·10-16 (0,6-2,8) ·10-14 4,9·10-16 2,2·10-15 1,7·10-16 4,3·10-17 | 1,0 0,8 - 0,5 0,8 0,6 1,0 |
Рис. 7.6. Зависимость συ и ρυ электротехни- Рис. 7.7. Зависимость lnσυ фто-
ческого фарфора от мощности дозы Р об- пласта-4 от 1/Т без облучения и
чения (по В.В.Маслову и П.С.Костюкову. при облучении.
На рис. 7.7 показано, как изменяется проводимость фторопласта-4 с ростом температуры без облучения и при облучении.
После прекращения облучения свободные электрические заряды рекомбинируют. Нагрев увеличивает скорость рекомбинации. Радиационная составляющая проводимости σр уменьшается до нуля и проводимость диэлектрика становится равной темновой проводимости, если под действием излучения в диэлектрике не образовались необратимые дефекты. Если при облучении поглощенная доза Д (Гр) была большая, то в диэлектрике образуются необратимые дефекты, которые приводят и к увеличению, и к уменьшению его темновой проводимости.
Важной радиационной характеристикой диэлектрика является время установления величины σр и ее уменьшения до нуля после окончания облучения. Для неорганических диэлектриков это время при 293К (20°С) составляет единицы-десятки, для органических – тысячи – десятки тысяч секунд.
Поверхностная электропроводность твердых диэлектриков. Поверхностная электропроводность определяется способностью поверхности диэлектрика адсорбировать загрязняющие компоненты.
В первую очередь поверхность увлажняется за счет влаги, содержащейся в окружающей атмосфере. Хорошо увлажняются полярные диэлектрики (резина, изделия на основе фенолформальдегидных смол и др.), диэлектрики с ионным строением (керамики), стекла. Их называют гидрофильными веществами в отличие от гидрофобных, которые не смачиваются водой. Гидрофобными являются неполярные диэлектрики (парафины, полиэтилен, фторопласт-4), диэлектрики на основе кремнийорганических соединений и др. На поверхности смачиваемого диэлектрика адсорбированная влага распределяется тонким непрерывным слоем, на поверхности не смачиваемых диэлектриков влага распределяется отдельными островками. Тонкий слой влаги на поверхности снижает поверхностное сопротивление диэлектрика и особенно сильно, если относительная влажность превышает 70-80 %. Капельки воды могут содержать растворенные газы и частички твердых веществ, распределенных в атмосфере.
Поверхность адсорбирует пыль, газы и другие вещества, образующиеся в результате протекающих в ходе эксплуатации изоляции физико-химических процессов в окружающей диэлектрик среде. Сильно загрязняется поверхность электроизоляционных конструкций (высоковольтных вводов, изоляторов и др.); работающих в загрязненной атмосфере промышленных и приморских районов. Образовавшийся на поверхности слой загрязнений имеет здесь такое небольшое электрическое сопротивление, что значение поверхностного тока утечки достаточно для нагрева поверхности до температур, больших 373К (100°С). При таком нагреве происходит вскипание воды на поверхности. Если этот процесс происходит в условиях увлажнения дождем, то перепады температур приводят к образованию микротрещин и механическому разрушению приповерхностного слоя изоляции. Не исключена и возможность воздействия различных агрессивных продуктов на приборы радиоэлектроники и автоматики при их использовании для регулирования работы электрических машин и аппаратов в устройствах энергетики, наземного, воздушного и водного транспорта. Поэтому в конструкциях приборов предусматриваются герметизация узлов с развитой поверхностью электроизоляционных промежутков, защита их поверхности специальными несмачиваемыми, незагрязняющими герметиками. Настройка и ремонт приборов, требующие разгерметизации, должны выполняться при условии, когда исключено всякое загрязнение и увлажнение электроизоляционных деталей. Электрокерамические электроизоляционные конструкции покрываются специальными грязестойкими глазурями, широко используется защита их поверхности гидрофобными кремнийорганическими лаками и герметиками. Покрытие из кремнийорганических соединений применяют для защиты поверхности электроизоляционных конструкций, изготовленных из стекла.