Электропроводность жидкостей

Электропроводность газов.

Электропроводность газов обусловлена перемещением электронов и ионов. Свободные заряды в газах появляются в результате действия ионизации. Ионизация – это процесс разделения одной нейтральной частицы на пару заряженных частиц – электрон и ион. Ионизация происходит за счет действия ионизирующих излучений. Электропроводность, обусловленная ионизацией от внешних энергетических воздействий, называется несамостоятельной. В сильных электрических полях, когда отдельные заряженные частицы приобретают достаточную кинетическую энергию для того, чтобы при столкновении разрушать нейтральные молекулы, начинает работать механизм ударной ионизации.

Электропроводность, обусловленная ударной ионизацией, называется самостоятельной. Деление полей на слабые и сильные довольно условно. Обычно поля, вызывающие ударную ионизацию, считают сильными, а не вызывающие ионизацию – слабыми. Напряженность поля, при которой возникает ударная ионизация, называют критической напряженностью E_кр.

При дальнейшем увеличении напряженности электрического поля до величины напряжения пробоя, происходит электрический пробой. В этом состоянии газ теряет свои электроизоляционные свойства, так как между электродами возникает плазменный газоразрядный канал проводимости. В состоянии плазмы газ имеет проводимость, соизмеримую с проводимостью металлов.

Одновременно с ионизацией протекает обратный процесс – рекомбинация, когда разноименные заряды, например положительный ион и электрон, образуют нейтральную молекулу. Рекомбинация препятствует безграничному росту концентрации заряженных частиц. Между процессами ионизации и рекомбинации устанавливается равновесие,

Ионизация

------------à

Молекула ион ⁺ и электрон

ß------------

Рекомбинация

которое может быть смещено в ту или другую сторону путем изменения интенсивности внешних воздействий, например температуры, или напряженности приложенного электрического поля в область сильных полей

В жидких диэлектриках наблюдается в основном ионная и электрофоретическая проводимости. В области сильных электрических полей к этим видам проводимости добавляется электронная составляющая.

Основным видом носителей зарядов в жидкости являются положительные и отрицательные ионы. Ионы в жидкости образуются в результате электролитической диссоциации (распада) ионогенных веществ (примесей) под действием полярных молекул среды (растворителя). Вода является сильно полярным растворителем. Полярные молекулы растворителя притягиваются ионами примеси и ориентируются возле этих ионов, рис.1.

Притягивая ионы кристаллов примеси к себе, молекулы растворителя ослабляют связь между ионами молекулы. В результате ионы отделяются от решетки и переходят в растворитель, а молекула распадается на ионы. Образовавшиеся ионы остаются связанными с полярными молекулами растворителя.

Процесс электролитической диссоциации обратим, что приводит к состоянию равновесия между недиссоциированными молекулами и ионами

АВ А⁺ + В^-

Количественной характеристикой способности вещества диссоциировать является степень электролитической диссоциации α. Степень электролитической диссоциации α – это отношение числа молекул, распавшихся на ионы, к общему числу молекул. Если α = 0, то диссоциация отсутствует, соответственно, если α = 1 (или 100%), то вещество диссоциировано полностью.

Вода – это основная из полярных примесей в диэлектриках, практически всегда присутствующая в технических диэлектриках. Вода имеет незначительную степень электролитической диссоциации. При 0^◦С α =6,09∙10^-10. При увеличении температуры до 100^◦С степень электролитической диссоциации увеличивается в 100 раз. При низких температурах вода проявляет свойства слабой щелочи, а при высоких температурах – свойства слабой кислоты.

Электролитическая диссоциация происходит в отсутствии электрического поля, а степень электролитической диссоциации зависит от следующих факторов: 1)полярности молекул примеси, 2) полярности среды (растворителя) и 3)температуры. В жидких неполярных диэлектриках ионы могут образовываться как в результате электролитической диссоциации попавших в диэлектрик примесей, а также в результате электролитической диссоциации продуктов термоокислительной деструкции (старения) самого вещества.

Электрофоретическая проводимость обусловлена движением заряженных коллоидных частиц. Коллоидные частицы в жидкости образуются при структурировании молекул диэлектрика. Из нескольких молекул диэлектрика образуются длинные цепочки, объединенные кислородными мостиками. Эти молекулярные цепочки агрегируются в клубки и образуют ядра коллоидных частиц. На поверхности ядра коллоидной частицы абсорбируются ионы одного знака, в результате чего формируется адсорбционный слой. Ядро с адсорбционным слоем представляет единый комплекс, называемый коллоидной частицей. Снаружи коллоидная частица покрыта диффузионным слоем из ионов противоположного знака. Коллоидная частица имеет значительно большие размеры, чем самые крупные молекул. В электрическом поле часть диффузионного слоя отделится, а оставшаяся часть коллоидной частицы становится крупным носителем заряда.

Электропроводность жидких неполярных диэлектриков (например, трансформаторных масел) определяется в основном только природой и концентрацией ионогенной примеси. Поэтому удельное сопротивление технически чистых жидких неполярных диэлектриков достаточно велико (ρ=10¹⁰ – 10¹⁴ Ом∙м).

В жидких полярных диэлектриках (например, полихлордифенилы) наряду с молекулами примеси могут диссоциировать и молекулы растворителя. Молекулы примеси также диссоциируют значительно сильнее в полярном растворителе. Поэтому удельное сопротивление полярных жидкостей всегда ниже (ρ=10⁸ – 10¹¹ Ом∙м), чем у неполярных диэлектриков.