Электропроводность диэлектриков

По своему назначению электроизоляционные материалы не должны про­пускать электрический ток. Однако, поляризационные процессы смещения свя­занных зарядов в веществе, обуславливают появление поляризационных токов или токов смещения в диэлектрике. Они протекают до момента установления равновесного состояния. При электронной и ионной поляризациях эти токи протекают практически мгновенно и приборами, как правило, не фиксируются.

Токи смещения, обусловленные различными видами релаксационных по­ляризаций, называют абсорбционными токами.

При постоянном напряжении абсорбционные токи наблюдаются только в пе­риод включения и выключения напряжения. Под воздействием переменного напряжения эти токи протекают всё время до момента отключения напряже­ния.

Учитывая, что в технических диэлектриках имеются свободные заряды, способные перемещаться под действием электрического поля, кроме абсорб­ционных токов, протекает также ток сквозной электропроводности. Общий ток в диэлектрике можно представить в виде суммы сквозного и абсорбционного токов. Этот ток называется током утечки. Зависимость тока утечки через ди-электрик от времени показана на рис.2.1.

Рис.2.1.Зависимость величины тока утечки через диэлектрик от времени.

Длительная работа твёрдых и жидких диэлектриков может привести как к увеличению, так и к уменьшению сквозного тока. Уменьшение сквозного тока объясняется тем, что электропроводность была обусловлена носителями заря­дов, содержащимися в примесях и со временем произошла электрическая очи­стка образца. Увеличение тока со временем связано с протеканием в диэлек­трике необратимых процессов старения вещества под напряжением и участи­ем в электропроводности зарядов, которые являются структурными элемента­ми самого вещества.

Электропроводность диэлектриков объясняется наличием в них свобод­ных, то есть не связанных с определёнными молекулами и способных переме­щаться под действием электрического поля ионов, молионов , электронов или дырок.

Для многих электроизоляционных материалов характерна ионная электро­проводность, связанная с переносом ионов, то есть с явлением электролиза. В ряде случаев электролизу подвергается основное вещество диэлектрика. Одна­ко, имеют место случаи ( в основном для органических диэлектриков), когда молекулы основного вещества диэлектрика не обладают способностью подвер­гаться диссоциации, но ионная электропроводность возникает благодаря при­сутствию неизбежных загрязнений - воды ,солей, кислот, щелочей и пр. Даже

незначительное содержание примесей заметно влияет на проводимость диэлек­триков.

У диэлектриков с ионным характером электропроводности соблюдается закон Фарадея: количество выделившегося при электролизе вещества пропор­ционально количеству прошедшего через вещество электричества.

Молионная электропроводность наблюдается в коллоидных системах, ко­торые представляют тесную смесь двух фаз, причём одна фаза (дисперсная) в виде мелких частиц равномерно взвешена в другой (дисперсной среде).Из кол­лоидных систем в электроизоляционной технике наиболее часто встречаются эмульсии ( обе фазы жидкости) и суспензии ( дисперсная фаза - твёрдое веще­ство, дисперсная среда - жидкость). Стабильность коллоидных систем объяс­няется наличием на поверхности частиц дисперсной фазы электрических заря­дов. При воздействии на коллоидную систему электрического поля частицы приходят в движение, что проявляется как явление электрофореза. При элек­трофорезе в отличии от электролиза не наблюдается образование новых ве­ществ, а лишь меняется относительная концентрация дисперсной фазы в раз­личных частях объёма системы.

Молионная электропроводность наблюдается в жидких лаках и компаун­дах, в увлажненных маслах и т.д.

В некоторых диэлектриках наблюдается электронная электропроводность. Так рутил , ряд титанатов и др. проявляют электронный

характер электропроводности. В сильных электрических полях возможна ин-жекция зарядов (электронов, дырок) в диэлектрик из металлических электро­дов, а также образование ионов и электронов в результате ударной ионизации.

Проводимость диэлектрика может быть определена по формуле

(2.1)

где - ток утечки, - сумма токов, вызванных замедленными механизмами поляризации, - приложенное постоянное напряжение.

Для твёрдых диэлектриков различают объёмную проводимость изоляции , численно определяющую проводимость через толщину материала, и по­верхностную проводимость , характеризующую наличие слоя повышенной электропроводности на поверхности раздела твёрдой изоляции с окружающей газообразной или жидкой средой. Этот слой создаётся вследствие неизбежных загрязнений, увлажнения и т.д. Соответственно вводятся понятия объёмного тока утечки и поверхностного тока утечки .

Для сравнительной оценки объёмной и поверхностной проводимости раз­личных материалов пользуются значениями удельного объёмного сопротивле­ния и удельного поверхностного сопротивления .

В системе СИ удельное объёмное сопротивление численно равно сопро­тивлению куба с ребром в один метр, вырезанного из исследуемого материала, если ток проходит через две противоположные грани этого куба. Размерность этого сопротивления

Для плоского образца с постоянным поперечным сечением, помещенного в однородное поле, удельное объёмное сопротивление определяется по фор­муле

(2.2)

где - объёмное сопротивление, Ом; - площадь электрода. - толщина образца, м.

Значение для сравнительно низкокачественных диэлектриков (древеси­на, бумага, асбестоцемент и т.д.) находится в пределах Ом м. Для таких материалов как полистирол, полиэтилен и т.д. значение составляет

Ом м. у неионизированных газов значение ещё выше.

Удельное поверхностное сопротивление численно равно сопротивлению квадрата (любых размеров), мысленно выделенного на поверхности материала, если ток проходит через две его противоположные стороны.

(2.3)

где - поверхностное сопротивление образца материала между параллельно расположенными электродами, Ом; -ширина электрода, м; - расстояние между электродами, м.

Размерность удельного поверхностного сопротивления Ом.

Используя значения удельного объёмного и поверхностного сопротивле­ний, можно определить удельную объёмною проводимость и соответ­ственно удельную поверхностную проводимость

Полная проводимость твёрдого образца диэлектрика равна сумме объём­ной и поверхностной проводимостей.

Рассмотрим задачу: две противоположные грани куба с ребром а = 10мм из диэлектрического материала с удельным объёмным сопротивлением

и удельным поверхностным сопротивлением по-

крыты металлическими электродами. Определить ток протекающий через эти грани при постоянном напряжении = 2 кВ. Приведем эквивалентную схему замещения данного диэлектрика

Первоначально определим объёмное и поверхностное сопротивления ди­электрика

Сопротивлениеизоляции равно

Ток, протекающий через диэлектрик, равен