Кількісні параметри електропровідності

Електропровідність - це фізичне явище, що як усяке явище або здатність до чого-небудь можна охарактеризувати кількісним параметром.

Тому кількісною мірою електропровідності є питома провідність γ, рівна заряду, що протікає в одиницю часу через одиничний перетин зразка при одиничній напруженості електричного поля.

Відповідно до закону Ома, щільність струму j пропорційна напруженості електричного поля Е. Коефіцієнтом пропорційності є питома провідність γ, тобто

j= γE. (1)

З іншого боку, щільність струму дорівнює заряду, що протікає в одиницю часу через одиничний перетин зразка при заданій напруженості зовнішнього поля, тобто

j = qnγ, (2)

де q - заряд електрона; n - концентрація носіїв заряду; υ - швидкість спрямованого руху носіїв заряду в електричному полі напруженістю Е.

На підставі (1) і (2) можна записати

γ =qn υ /E=qnu. (3)

Величина u називається рухливістю носіїв заряду. З формули треба, що вона дорівнює швидкості спрямованого руху носіїв заряду в електричному полі одиничної напруженості.

Носіями заряду можуть бути електрони (дірки), іони й молионы -заряджені групи молекул (колоїдні частки). У зв'язку із цим по типі носіїв заряду розрізняють електронну, іонну й молионную електропровідності.

Практичною мірою електропровідності є не питома провідність, а зворотна їй величина - питомий опір ρ. Для твердих діелектриків розрізняють питоме об'ємне

ρ _v і питоме поверхневе ρ_s опору.

У системі СІ питомий об'ємний опір ρ _v чисельно дорівнює опору куба речовини з ребром 1 м, якщо струм протікає через обсяг між протилежними гранями куба, і має розмірність Ом -м. Воно розраховується по формулі

ρ _v=Rv/d [Ом·м], (4)

де Rv - експериментально отриманий об'ємний опір зразка, розраховане за законом Ома, Ом; S - площа електродів, м²; d - товщина зразка, тобто відстань між електродами, м.

Питомий поверхневий опір ρ _s чисельно дорівнює опору квадрата будь-якого розміру на поверхні зразка, якщо струм протікає між протилежними сторонами цього квадрата, і має розмірність Ом, Ом/квадрат, Ом/. Остання форма запису розмірності характерна для тонких провідних і напівпровідникових плівок, використовуваних у мікроелектроніці.

Питомий поверхневий опір зразка розраховується по формулі

ρ _s =Rs/d Ом, (5)

де Rs - експериментально отриманий поверхневий опір зразка, розраховане за законом Ома, Ом; L - довжина електродів, м; d - відстань між електродами, м.

3.3. Види електропровідності діелектриків і способи збільшення ρ_v й ρ _s

Електропровідність діелектриків залежить від багатьох факторів і визначається:

- агрегатним станом зразка - газоподібне, рідке, тверде;

- структурою речовини - атомна, іонна, молекулярна, кристалічна, аморфна;

- природою й хімічним складом - прості речовини, складні хімічні сполуки, органічні, неорганічні;

- будовою молекул й їхньою полярністю - мономери, полімери, полярні, неполярні;

- гигроскопичностью - непоглинаючу або поглинаючу вологу, тобто гідрофобні, гідрофільні речовини;

- пористістю речовини;

- наявністю примесных атомів в обсязі, адсорбованих атомів і забруднень на поверхні.

У кожному окремому випадку механізм і вид електропровідності встановлюються експериментально.

Газоподібні діелектрики в нормальних умовах мають винятково малу електропровідність. Протікання струму обумовлене тільки наявністю вільних електронів або іонів. Вони з'являються або під дією зовнішніх іонізуючих факторів, таких як рентгенівські, ультрафіолетові, космічні промені, радіоактивне випромінювання або тепловий вплив, або за рахунок ударної іонізації в сильних електричних полях.

При нормальних умовах величина питомого опору газоподібних діелектриків ρ _v перебуває в межах 10¹⁵ Ом-м.

Для рідких і твердих діелектриків можливі всі види електропровідності. Однак електронна електропровідність зустрічається відносно рідко, у той же час вона є домінуючою в сильних електричних полях.

Іонна електропровідність спостерігається в кристалічних діелектриків за рахунок іонів самої речовини, вирваних з вузлів кристалічних ґрат під дією теплового руху, або за рахунок іонів примесных атомів. Однак вона найбільш характерна для аморфних речовин типу стекол, смол, лакових плівок і компаундов у твердому стані, а також для рідких діелектриків.

Проходження іонних струмів супроводжується переносом речовини з утворенням поблизу електродів нових хімічних речовин. Це явище називається електролізом і використається в техніку при нанесенні різних покриттів.

Молионная електропровідність по своїй фізичній сутності досить близька до іонного й спостерігається в рідких лаків і компаундов, що воложать масел, у колоїдних системах, що представляють собою суміш двох речовин (фаз), одне йз яких у вигляді макроскопічних часток перебуває у зваженому стані в іншій речовині. З колоїдних систем найбільше часто використаються в електроізоляційній техніці емульсії (обидві фази -рідини) і суспензії (одна фаза - тверда речовина, інша - рідина). При накладенні зовнішнього електричного поля молионы починають рухатися, і процес супроводжується явищем электрофореза, що відрізняється від електролізу тим, що не відбувається утворення нових речовин, а лише змінюється концентрація однієї фази в іншій за рахунок осадження молионов на електродах. Прикладом практичного використання электрофореза є покриття металевих предметів каучуком і смолами з їхніх суспензій.

Незалежно від типу електропровідності величина питомого опору рідких діелектричних матеріалів, використовуваних у техніку, ρ _v перебуває в межах 10¹²...10¹⁵ Ом-м.

Особливістю електропровідності твердих діелектриків є наявність у них як об'ємних, так і поверхневих струмів. Тому їхня повна електропровідність складається з об'ємн і поверхневої й характеризується опором ізоляції Rиз. Воно визначається як частка від розподілу напруги на величину повного струму, обмірювану через 1 хв послу включення напруги. Це час необхідно, щоб закінчилися поляризаційні процеси й значить струм адсорбції став рівним нулю й не впливав на величину вимірюваного повного струму в діелектрику й на значення Rиз. Опір ізоляції є важливим параметром для електроізоляційних матеріалів, використовуваних у конденсаторах, проводах і кабелях. Воно залежить від довжини виробу й визначається зі співвідношення:

Rиз=R_l/L, (6)

де Rm - опір ізоляції всієї довжини виробу; R_l - опір одного метра виробу; L - довжина виробу.

Відповідно до наведеної формули (6), чим більше довжина виробу, тим менше опір ізоляції.

Для органічних полімерних електроізоляційних матеріалів величина питомого об'ємного опору ρ _v перебуває в межах 10¹⁴... 10¹⁶ Ом-м, а опір ізоляції виробів, що використають ці матеріали, змінюється від гигаом до терраом, тобто Rиз =10⁹... 10¹² Ом.

Електропровідність твердих діелектриків звичайно характеризується як питомим об'ємним ρ v, так і питомим поверхневим ρ _s опором. Як ми вже відзначали, ρ _v залежить від багатьох факторів, і для одержання необхідного значення ρ _v необхідно підбирати відповідний матеріал. Для пористих матеріалів підвищення ρ _v досягається шляхом просушування й просочення лаками, смолами, фтор- і кремнийорганическими рідинами.

Діапазон значень ρ _v для різних твердих діелектричних матеріалів досить широкий і становить величину від (10⁶... 10⁹) Ом-м для шаруватих пластиков і деяких типів стекол до (10¹¹..10¹⁵) Ом-м для слюдяних і керамічних матеріалів.

Величина ρ _s у значній мірі визначається поверхневими забрудненнями й вологістю. Досить найтоншого шару вологи на поверхні діелектрика, щоб з'явилася помітна провідність. Чим більше відносна вологість навколишнього середовища, тим більше вологи адсорбируется на поверхні діелектрика й тем вище поверхнева провідність. Різке збільшення поверхневої провідності спостерігається при відносній вологості порядку 60%.

Неполярні діелектрики (гідрофобні) слабко адсорбируют вологу, тому для них величина ρ _s мало залежить від вологості навколишнього середовища. Полярні діелектрики (гідрофільні) значно поглинають вологу, тому величина ρ _s для них сильно залежить від вологості навколишнього середовища. Іонні діелектрики, кераміка, скла добре змочуються водою, тому у вологому середовищі? ρ _s для них невелико.

Для того самого діелектрика значення?s у вологому й сухому середовищі можуть відрізнятися на 3-4 порядку й мають величину відповідно 10⁶... 10⁷Ом й 10¹⁰... 10¹¹Ом.

Для підвищення величини поверхневого опору застосовують різні способи очищення поверхні - промивання спиртом, кип'ятіння в дистильованій воді з наступною просушкою, чим досягається очищення поверхні виробів від забруднень. Виробу з кераміки й стекол прожарюють при температурі 600...700 °С и покривають плівками кремнийорганических лаків.