Электропроводность газообразных диэлектриков

Газы при небольших значениях напряженности электрического поля обладают исключительно малой проводимостью. Ток в газах может возникнуть только при наличии в них ионов или свободных электронов. Ионизация нейтральных молекул газа возникает либо под действием внешних факторов, либо вследствие соударений заряженных частиц с молекулами. В зависимости от причин, вызывающих ионизацию молекул газа, различают электропроводность несамостоятельную и самостоятельную.

Для начала выясним, что такое Ионизация, – это процесс, когда под действием ионизирующего излучения (рентгеновских, космических или солнечных лучей, радиоактивного облучения и т.п.) или сильного электрического поля молекула газа теряет электрон и превращается в положительный ион. Высвобождаемый электрон может «прилипнуть» к нейтральной молекуле, образуя отрицательный ион. При этом суммарный положительный заряд равен суммарному отрицательному заряду.

Несамостоятельная электропроводность осуществляется за счет ионов и электронов, образующихся в результате ионизации, вызванной внешним энергетическим воздействием, таким, как космические и солнечные лучи.

Самостоятельная электропроводность обусловлена ионами и электронами, образующимися в сильных электрических полях (Е ) в результате электронной ударной ионизации (соударения заряженных частиц). Ударная ионизация возникает в газе, если если кинетическая энергия заряженных частиц, приобретаемая под действием электрического поля, достигает достаточно больших значений.

Поля, вызывающие ионизацию газов, считают сильными, а не вызывающие ионизацию – слабыми. Напряженность, разделяющую слабые и сильные поля, называют критической напряженностью Е_кр.

Одновременно с процессом ионизации протекает обратный процесс – рекомбинация, когда разноименные заряды образуют нейтральную молекулу. Рекомбинация препятствует безграничному росту концентрации ионов и электронов. Между процессами ионизации и рекомбинации устанавливается равновесие, которое может быть смещено в ту или иную сторону путем изменения интенсивности внешнего энергетического воздействия или напряженности приложенного электрического поля.

ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ЖИДКИХ ДИЭЛЕКТРИКОВ

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

Ионная проводимость

Ионная проводимость обусловлена дрейфом — направленным движением положительных и отрицательных ионов под действием приложенного электрического поля и разряжением их на электродах. Ионы образуются в результате электролитической диссоциации (распада) ионогенных веществ (ионной примеси) под действием полярных молекул среды (растворителя). Ионогенная примесь между атомами (ионами) имеет химическую связь: ионную (например, NaCl) или ковалентную, сильно полярную (например, Н₂О).

Если примесь имеет ионную связь (например, NaCl), то механизм электролитической диссоциации выглядит так, как показано на рис. 3.6. Полярные молекулы растворителя (внешней среды) притягиваются ионами, находящимися в узлах кристаллической решетки, ориентируются возле этих ионов и, в свою очередь, притягивают их к себе. Притягивая ионы решетки к себе, молекулы растворителя ослабляют связь между ними, в результате чего ионы отделяются от решетки и переходят в растворитель. Переходящие в растворитель ионы остаются связанными с его полярными молекулами.

Рис. 3.6. Механизм электролитической диссоциации примеси с ионной связью

Если примесь состоит из полярных молекул, то полярные молекулы растворителя (среды) ориентируются вокруг диссоциируемой молекулы и ослабляют ковалентную связь между ее атомами (рис. 3.7). В результате молекула распадается на ионы, которые остаются связанными с полярными молекулами растворителя.

Рис. 3.7. Механизм электролитической диссоциации примеси, состоящей из свободных полярных молекул

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

Электролитическая диссоциация происходит в отсутствие электрического поля, а ее величина - степень диссоциации - зависит от следующих факторов:

1) полярности ( ) диссоциируемой молекулы,

2) полярности ( ) среды,

3) температуры.

Чем больше полярность диссоциируемых молекул, полярность среды и чем выше температура, тем больше степень электролитической диссоциации и, следовательно, выше концентрация ионов и ниже удельное сопротивление диэлектрика.

В жидких неполярных диэлектриках ионы могут образовываться двумя путями: в результате электролитической диссоциации ионогенной примеси (например, воды), попавшей в диэлектрик при его получении и эксплуатации, а также в результате электролитической диссоциации свободных органических кислот и воды - продуктов термоокислительной деструкции (старения) самого вещества. В жидких полярных диэлектриках ионы, кроме того, образуются еще за счет диссоциации собственных полярных молекул.

Электропроводность диэлектриков

Электропроводность – явление, обусловленное наличием свободных и слабо связанных носителей заряда в диэлектрике. Эти заряды под действием постоянного приложенного напряжения приобретают направленное движение, вызывая тем самым электрический ток.

Идеальный диэлектрик должен иметь бесконечно большое электрическое сопротивление и не должен пропускать электрический ток. Однако реальные диэлектрики обладают некоторой электропроводностью (током утечки), и их удельное сопротивление составляет величину, лежащую в пределах от 10⁶ (практически 10⁹) до 10¹⁷ Ом·м и выше. Поэтому, в диэлектрике при подведении к нему электрического поля наряду с поляризационными процессами, возникает также явление электропроводности.

Поляризационные процессы смещения связанных зарядов в веществе до момента установления равновесного состояния протекают во времени, создавая токи смещения, в диэлектриках. Токи смещения упругосвязанных зарядов при электронной и ионной поляризациях столь кратковременны, что их обычно не удается зафиксировать прибором. Токи смещения различных видов замедленной поляризации, наблюдаемые у большого числа технических диэлектриков, называют абсорбционными токами. При постоянном напряжении абсорбционные токи, меняя свое направление, протекают только в моменты включения и выключения напряжения; при переменном напряжении они протекают в течение всего времени нахождения материала в электрическом поле.

Наличие в технических диэлектриках небольшого числа свободных зарядов приводит к возникновению слабых по величине сквозных токов. Ток утечки в техническом диэлектрике представляет собой сумму сквозного тока и тока абсорбции. Для плотностей токов можно записать:

+ .

Плотность тока смещения определяется скоростью изменения вектора электрического смещенияD:

= ,

обусловленного мгновенными (электронными, ионными) и замедленными смещениями зарядов.

Как видно из рисунка 3.3., после завершения процессов поляризации через диэлектрик протекает только сквозной ток. Токи смещения необходимо принимать во внимание при измерениях проводимости диэлектриков ввиду того, что при небольшой выдержке образца диэлектрика под напряжением обычно регистрируется не только сквозной ток, но и сопровождающий его ток абсорбции, вследствие чего может быть формироваться неправильное представление о проводимости.

Проводимость диэлектрика при постоянном напряжении определяется по сквозному току, сопровождающемуся выделением и нейтрализацией зарядов на электродах. При переменном напряжении активная проводимость определяется не только сквозным током, но и активными составляющими абсорбционных токов.

Истинной сопротивление изоляции, определяющее сквозной ток, моет быть вычислено по следующей формуле:

.

Поскольку при определении абсорбционных токов даже замедленных видов поляризации возникают некоторые трудности, сопротивление диэлектрика рассчитывают обычно как частное от деления напряжения на ток, измеренный через одну минуту после включения напряжения и принимаемый за сквозной ток.