Общие понятия

По сравнению с электропроводностью проводников и полупроводников электропроводность диэлектриков имеет ряд характерных особенностей. Так же имеются особенности электрических свойств у газообразных, жидких и твердых диэлектриков.

Электропроводность газов обусловлена наличием в них некоторого количества заряженных частиц. В нормальных условиях число заряженных частиц (ионов газа или твердых и жидких примесей, находящихся во взвешенном состоянии) в 1 м³ атмосферного воздуха не превышает нескольких десятков миллионов.

Происхождение носителей заряда в газах объясняется различными факторами:

· радиоактивным излучением Земли;

· радиацией, проникающей из космического пространства;

· излучением Солнца;

· иногда тепловым движением молекул и т.п.

При поглощении энергии бомбардирующей частицы молекула газа теряет электрон и превращается в положительный ион. Высвобождаемый при этом электрон «прилипает» к нейтральной молекуле, образуя отрицательный ион.

В ряде случаев концентрация свободных носителей заряда может достигать очень больших значений. Это обычно связано с фотоионизацией молекул газа. Такая ионизация может происходить, например, при воздействии ионизирующих излучений: рентгеновских и гамма-лучей, потоков нейтронов и т.п. Заряженные ионы так же, как и окружающие их не имеющие электрического заряда молекулы газа, совершают беспорядочные тепловые движения, и вследствие диффузии происходит выравнивание концентрации ионов в газе. При встрече положительных и отрицательных ионов происходит их рекомбинация. В стационарном случае, когда число ионов не изменяется с течением времени, между процессами генерации и рекомбинации заряженных частиц устанавливается динамическое равновесие.

Удельная проводимость воздуха в слабых полях составляет около 10^-15 См/м.

При малых значениях напряженности внешнего электрического поля плотность тока в газе прямо пропорциональна напряженности приложенного поля, т.е. в этих условиях соблюдается закон Ома (рис. 9.2, участок 0А). Однако при дальнейшем возрастании напряженности приложенного поля из-за возрастания скорости дрейфа ионов вероятность их рекомбинации уменьшается, и в основном все ионы устремятся к электродам. Участок АВ называют областью тока насыщения.

Рис. 9.2. Зависимость плотности тока от электрического поля (вольт-амперная характеристика) в газе

Для воздуха при расстоянии между электродами 0,01 м насыщение достигается при напряженности поля 0,5 В/м. Плотность тока насыщения в воздухе (при обычных условиях) весьма мала и достигает 10^-14 А/м².

Участок 0АВ называют областью несамостоятельной электропроводности, так как электропроводность (концентрация свободных носителей зарядов) определяется мощностью внешних ионизаторов.

Значение удельного сопротивления воздуха () составляет порядка 10¹⁸ Ом∙м. При дальнейшем повышении напряженности поля  В/м (рис. 9.2, участок ВС) происходит значительное повышение плотности тока вследствие процессов ударной ионизации молекул электронами в сильном электрическом поле вплоть до пробоя газового промежутка. Участок ВС – называют областью самостоятельной электропроводности.

Электропроводность жидкостей

Электропроводность жидкостей обусловлена ионами, образующимися при диссоциации молекул самой жидкости или ее примесей. В связи с увеличением энергии хаотического теплового движения молекул степень ионизации и концентрации ионов растет с повышением температуры. Логарифм проводимости жидкости линейно уменьшается с увеличением обратной абсолютной температуры 1/Т (рис. 9.3), как и в собственных полупроводниках. Однако в отличие от полупроводников, для которых , ( – ширина запрещенной зоны), показатель экспоненты в жидкостях определяется энергией их диссоциации:

.

Рис. 9.3. Зависимость удельной электрической проводимости жидкости от температуры:

АВ – собственная проводимость; ВС – примесная проводимость

Удельное сопротивление жидкостей равно:

,                     (9.1)

где В – константа.

По аналогичному закону изменяется вязкость жидкостей (). Зависимость  жидкостей объясняется как изменением , так и изменением температурной диссоциации молекул .

В жидкостях (и газах) с примесями иногда наблюдается молионная электропроводность, характерная для коллоидных систем, которые представляют собой тесную смесь двух фаз веществ; причем одна фаза в виде мелких частиц (капель, зерен, пылинок и т.п.) равномерно взвешена в другой. Из коллоидных систем наиболее часто встречаются в электроизоляционной технике эмульсии (обе фазы – жидкости) и суспензии (дисперсная фаза – твердое вещество, дисперсионная среда – жидкость). Стабильность эмульсий и суспензий, т.е. способность их длительно сохраняться без оседания дисперсной фазы на дно сосуда (или всплывания ее на поверхность) вследствие различия плотностей обеих фаз, объясняется наличием на поверхности частиц дисперсной фазы электрических зарядов (при одноименном заряде частицы взаимно отталкиваются). Такие заряженные частицы дисперсной фазы и называют молионами. При наложении на коллоидную систему электрического поля молионы приходят в движение, что выражается в виде электрофореза.

Примеры практического использования электрофореза – покрытие металлических предметов каучуком и смолами из их суспензий, обезвоживание различных материалов в электрическом поле и др. В отличие от электролиза при электрофорезе не наблюдается образования новых веществ, а лишь меняется относительная концентрация дисперсной фазы в различных частях объема вещества. Молионная электропроводность присуща жидким лакам и компаундам, увлажненным маслам и т.п. Ее вклад в проводимость, как и вклад ионной электропроводности, зависит от вязкости жидкости.

Электропроводность твердых диэлектриков

Электропроводность диэлектриков в отличие от электропроводности полупроводников чаще всего носит не электронный, а ионный характер. Это связано с тем, что ширина запрещенной зоны в диэлектриках . Лишь ничтожное количество электронов может отрываться от своих атомов за счет теплового движения. Ионы же часто оказываются слабо связанными в узлах решетки, и энергия (W), необходимая для их срыва, сравнима с kT. Например, в кристалле NaCl  эВ, а энергия отрыва иона натрия  эВ. Поэтому, несмотря на меньшую подвижность ионов () по сравнению с подвижностью электронов (), ионная проводимость оказывается больше электронной за счет значительно большей концентрации свободных ионов:

.          (9.2)

Носителями заряда в диэлектриках обычно оказываются ионы малых размеров, подвижность которых выше:

· протоны в водородсодержащих соединениях (в полимерах, кристаллах типа KH₂PO₄ и других с водородными связями);

· ионы натрия (в NaCl и в содержащем натрий стекле) и т.д.

Удельная электрическая проводимость твердыхдиэлектриков, как и полупроводников, растет с ростом температуры по экспоненциальному за­кону. Однако зависимость  часто обусловлена не только экспоненциальным ростом концентрации носителей, но и ростом подвижности.

Обычно в диэлектрике имеется несколько видов носителей заряда. Например, кроме ионов основного вещества могут быть слабо связанные ионы примесей

В широком диапазоне температур зависимость логарифма удельной проводимости (γ) от обратной величины абсолютной температуры (Т) должна состоять из двух прямолинейных участков с различными значениями угла наклона к оси абсцисс (рис. 9.4). При температуре выше точки излома А электропроводность определяется в основном собственными дефектами – это область высокотемпературной, или собственной электропроводности. При температуре ниже излома, в области низкотемпературной, или примесной электропроводности, зависимость более пологая.

Рис. 9.4. Зависимость удельной электрической проводимости диэлектрика от температуры

В отличие от трудно воспроизводимой низкотемпературной области электропроводности, определяемой в основном природой и концентрацией примесей, значение собственной удельной проводимости не зависит от удельной проводимости и не зависит от примесей, хорошо воспроизводимо и является физическим параметром данного соединения.

Температура, при которой наблюдается излом зависимости , сильно зависит от степени чистоты и совершенства материала. При увеличении содержания примесей и дефектов примесная удельная проводимость растет и оказывается существенной при более высоких температурах (рис. 9.4). По наклонам участков прямых зависимости  можно определить энергию активации носителей заряда и их природу.

Рис. 9.5. Изменение сопротивления увлажненного диэлектрика

Ионная электропроводность сопровождается переносом вещества: положительные ионы движутся к катоду, а отрицательные к аноду. Электролиз особенно ярко выражен при повышенных температурах, когда ρ мало, и при приложении высоких постоянных напряжений. По выделившемуся на электродах веществу можно определить характер носителей заряда. У диэлектриков с чисто ионным характером электропроводности строго выполняется закон Фарадея – закон пропорциональности между количеством пропущенного электричества и количеством выделившихся веществ.

Некоторые диэлектрики (например,  и другие титансодержащие керамические материалы) обладают электронной или дырочной электропроводностью. Однако носителями часто являются электроны не основного вещества, а примесей и дефектов. В титансодержащей керамике при высокотемпературном синтезе появляются в значительном количестве кислородные вакансии, отдающие слабо связанные электроны или дырки. От них и зависит наблюдаемая электропроводность.

Твердые пористые диэлектрики при наличии в них влаги даже в ничтожных количествах резко увеличивают свою электропроводность (рис 9.5). На участке кривой АВ значение сопротивления снижается в результате изменения степени диссоциации молекул воды и молекул диэлектрика в водном растворе на ионы. Участок ВС обусловлен процессами сушки, а на участке СД происходит диссоциация молекул диэлектрика на ионы.

Мы рассматривали электропроводимость твердых диэлектриков при относительно невысоких значениях напряженности электрического поля. При достаточно больших напряженностях электрического поля в диэлектриках появляется электронная составляющая электропроводности, быстро возрастающая с увеличением напряженности электрического поля, в связи с чем наблюдается нарушение закона Ома.