Параметры электропроводности диэлектриков и их зависимости

Электропроводность диэлектриков характеризуют: удельной объемной σ_v и поверхностной σ_s проводимостью, или удельным объемным ρ_v и поверхностным ρ_s сопротивлением. Принято, что удельное объемное сопротивление ρ_v численно равно сопротивлению куба R_v с ребром h=1 м, если ток проходит через две противоположные грани этого куба: ρ_v = R_V*S/h, где R_V – объемное сопротивление, Ом; S – площадь электрода (грани куба), м²; размерность ρ_v –(Ом*м), а удельной проводимости σ_v – Сименс на метр (См/м).

Удельное поверхностное сопротивление ρ_s численно равно сопротивлению квадрата R_s выделенного на поверхности материала, если ток течет через две противоположные стороны квадрата: ρ_v = R_S*d/l, где R_S – поверхностное сопротивление образца материала между параллельно поставленными электродами шириной d, отстоящими друг от друга на расстояние l. Размерность ρ_s –(Ом), а удельной проводимости σ_s – См.

Если к диэлектрику приложить постоянное напряжение, то через него потечет ток I, который представляет сумму сквозного тока утечки I_cк и тока абсорбции I_абс (тока смещения, возникающего вследствие неупругой поляризации): I=I_ут + I_абс. На рисунке 38 показан характер изменения тока в диэлектрике во времени при включении. Заметим, что токи смещения при упругой поляризации очень кратковременны и их трудно зарегистрировать. Токи смещения при различных видах неупругих поляризаций наблюдаются у многих технических диэлектриков, и протекают при постоянном напряжении только в момент включения и выключения; при переменном напряжении они имеют место в течение всего времени нахождения материала в электрическом поле.

Ток абсорбции по мере установления поляризации постепенно спадает, и через диэлектрик устанавливается мало изменяющийся во времени сквозной ток утечки I_ут, который определяется в основном электронной электропроводностью. Значение сопротивления при этом определяет сопротивление изоляции R_из и может быть определено из закона Ома: R_из=U/I_ут, причем I_ут измеряют через 1 минуту после подачи напряжения на образец, когда поляризационные токи I_aбс спадут.

Сопротивление изоляции можно определить по формуле R_из=.

Любые факторы, влияющие на концентрацию свободных носителей и их подвижность, влияют и на электропроводность диэлектриков. Основными из влияющих факторов является температура, напряженность электрического поля, время нахождения изоляции под напряжением, влажность материала.

При повышении температуры возрастает подвижность ионов и уменьшается вязкость материала. Носители заряда приобретают дополнительную энергию (энергию активации). Поэтому в слабых электрических полях удельная электрическая проводимость большинства твердых диэлектриков сильно зависит от температуры и описывается экспоненциальной зависимостью

σ_v = A*exp(-W/kT),

где: А – постоянная для данного материала, зависящая от температуры; W – энергия активации носителей заряда (собственных и примесных ионов); k – постоянная Больцмана; Т – термодинамическая температура.

Экспоненциальное повышение удельной проводимости с увеличением температуры вызывается, прежде всего, повышением концентрации свободных носителей заряда, которая также описывается экспоненциальной зависимостью. Влияние возрастания концентрации носителей заряда в твердых диэлектриках при повышении температуры может подавляться уменьшением подвижности при повышении температуры, как это наблюдается при преобладающем рассеянии на тепловых колебаниях решетки. Можно сказать, что возрастание удельной электропроводности диэлектрика с повышением температуры происходит за счет повышения концентрации свободных носителей, при некотором уменьшении σ от возможного за счет теплового рассеяния на решетке.

 

В сильных электрических полях проводимость диэлектрика перестает следовать закону Ома, рисунок 39. Зависимость а) характерна для загрязненных диэлектриков, в которых с увеличением напряженности поля Е возрастает количество носителей заряда, а также для чистых ионных кристаллов, у которых в полях высокой напряженности появляется электронная проводимость. Зависимость б) характерна для не ионных диэлектриков высокой чистоты, у которых число носителей заряда ограничено.

На электропроводность диэлектриков сильное влияние оказывает влага. Вода сама диссоциирует на ионы, в ней растворяются частицы примесей, имеющиеся в диэлектрике: соли, остатки катализаторов, кислот, щелочей. Влага с растворенными ионогенными примесями проникает в поры, микротрещины диэлектрика, впитывается капиллярами, распределяется по границам раздела в слоистых диэлектриках. Поэтому увлажнение сильно уменьшает удельное объемное электрическое сопротивление диэлектрика. Например, в пористых диэлектриках (текстолит, мрамор и другие) с увеличением относительной влажности воздуха от нуля до 70% удельное объемное сопротивление ρ_v снижается от 10¹² до 10⁶ Ом*м.

Для уменьшениявлагопоглощения и влагопроницаемости пористые изоляционные материалы пропитывают лаками или компаундами, покрывают глазурью. Пропитка уменьшает вредное влияние влаги на эксплуатационные параметры изоляции. Отметим, что процесс уменьшения ρ изоляции имеет обратимый характер: после сушки поглощенная влага удаляется, и удельное сопротивления возрастает до исходного значения.

Присутствие влаги в виде адсорбированной пленки на поверхности диэлектриков, смачиваемых водой –гидрофильных (угол смачивания у них меньше 90^о), частично растворимых в ней или имеющих пористую структуру, резко повышает поверхностную электрическую проводимость σ_s (рисунок 40, кривые 2, 3). Поверхностный сквозной ток при этом может даже превысить объемный сквозной ток, и вызвать нагрев поверхности до температуры выше 100^оС.

Не смачиваемые водой диэлектрики –гидрофобные (полистирол, фторпласт-4, парафин) и полярные смачиваемые, но нерастворимые диэлектрики (церезин, слюда, некоторые виды керамик) изменяют свое поверхностное сопротивление незначительно.

Загрязнение поверхности диэлектрика пылью, жировыми пленками облегчает конденсацию влаги на ней и уменьшает ρ_s, особенно у полярных материалов. Например, ρ_s у плавленого кварца в воздухе с относительной влажностью 70% после очистки поверхности имеет ρ_s = 10¹³Ом, а при неочищенной – ρ_s ~ 10⁸Ом.

Для защиты от действия поверхностной влаги диэлектрик покрывают специальными покровными лаками и герметиками.