Электропроводность твердых диэлектриков.

В большинстве случаев электропроводность диэлектриков ион­ная, реже — электронная. Сопротивление диэлектрика, заключенного между двумя элек­тродами, при постоянном напряжении, т. е. сопротивление изоляции R_из, можно вычислить по формуле

(2.46)

В твердых изоляционных материалах различают объемную электропроводность и поверхностную электропроводность . Для сравнительной оценки объемной и поверхностной электро­проводности разных материаловиспользуют также удельное объ­емное сопротивление r_v и удельное поверхностное сопротивление r_s .

Удельное объемное сопротивление r_v численно равно сопротив­лению куба с ребром в 1 м, мысленно вырезанного из исследуе­мого материала, если ток проходит через две противоположные грани этого куба; r_v выражается в Ом-м.

В случае плоского образца материала при однородном поле удельное объемное сопротивле­ние рассчитывают по формуле

 

, (2.47)

 

где R — объемное сопротивление, Ом; S—площадь электрода, м²; h—толщина образца, м.

Удельное поверхностное со­противление r_s численно равно сопротивлению квадрата (любых размеров), мысленно выделенно­го на поверхности материала, если ток проходит через две про­тивоположные стороны этого квадрата; измеряется в омах. Удельное поверхностное сопро­тивление

 

, (2.48)

 

где R_s—поверхностное сопротивление образца материала между параллельно поставленными электродами шириной d, отстоящими друг от друга на расстоянии l. (рис. 2.20) По удельному объемному сопротивлению можно определить удельную объемную проводимость g=1/r_v [См • м^-1] и соответственно удельную поверхностную проводимостьg=1/r_S [См].

Полная проводимость твердого диэлектрика, соответствующая его сопротивлению R_из , складывается из объемной и поверхност­ной проводимостей. Соответственно, полное сопротивление твердого диэлектрика, измеряемое в Омах, складывается из параллельно включенного объемного и поверхностного сопротивления, определяемого по формуле

 

(2.49)

 

Произведение, состоящее из сопротивления изоляции диэлек­трика конденсатора на его емкость, называют постоянной времени конденсатора:

 

t_О = R_из, с . (2.50)

 

Физическая сущность объемной электропроводности твердых диэлектриков.Электропроводность твердых тел обуславливается как перемещением ионов самого диэлектрика, так и ионов случайных примесей, а у некоторых материалов может быть вызвана наличием свободных электронов.

Вид электропроводности устанавливают экспериментально, используя закон Фарадея. Ионная электропроводность сопровождается переносом вещества на электроды. При электронной электропроводности это явление не наблюдается.

В твердых диэлектриках ионного строения электропроводность обусловлена главным образом перемещением ионов, которые вырываются из решетки под влиянием флюктуаций теплового движения. При низких температурах передвигаются слабо закрепленные ионы, в частности ионы примесей. При высоких температурах двигаются ионы кристаллической решетки.

В диэлектриках с атомными или молекулярными решетками электропроводность зависит от наличия примесей. В каждом частном случае при решении вопроса о механизме электропроводности используют данные об энергии активации носителей зарядов.

Собственная электропроводность твердых тел и изменение ее в зависимости от температуры определяются структурой вещества и его составом. В телах кристаллического строения с ионными решетками электропроводность связана с валентностью ионов. Кристаллы с одновалентными ионами имеют большую удельную проводимость, чем кристаллы с многовалентными ионами.

В анизотропных кристаллах удельная проводимость неодинакова по разным его осям. Например, в кварце удельная проводимость в направлении, параллельном главной оси, приблизительно в 1 000 раз больше, чем в направлении, перпендикулярном этой оси.

Величина удельной проводимости аморфных тел связана, прежде всего, с их составом. Высокомолекулярные органические полимеры имеют удельную проводимость, которая зависит в значительной степени от ряда факторов: от химического состава и наличия примесей; от степени полимеризации. Органические неполярные аморфные диэлектрики, как, например, полистирол, отличаются очень малой удельной проводимостью.

Большую группу аморфных тел составляют неорганические стекла. Удельная проводимость стекол зависит главным образом от химического состава; это дает возможность в ряде случаев получать заранее заданную величину удельной проводимости.

У твердых пористых диэлектриков при наличии в них влаги, даже в очень малых количествах, значительно увеличивается удельная проводимость.