Презентация "электропроводность диэлектриков" по физике – проект, доклад

Электропроводность диэлектриков

Электропроводность – способность материала проводить электрический ток. Электрический ток – направленное движение заряженных частиц. В диэлектриках возможно присутствие: свободных зарядов; связанных зарядов. Направленное перемещение связанных зарядов называется током смещения (iсм) или абсорбцион-ным током (iаб). Направленное движение свободных зарядов называется сквозным током (iскв).

Наличие абсорбционного тока в диэлектрике обусловлено происходящими в нем поляризационными процессами: либо мгновенно протекающими ( ≈10-13÷10-15с), либо замедленно ( релаксационные виды поляризации). iсм=iаб=iмгн+iр

При приложении к диэлектрику электрического поля постоянного напряжения абсорбционный ток протекает только в момент приложения и снятия напряжения. При переменном напряжении iаб протекает постоянно.

Ток , протекающий в диэлектрике, называется током утечки (iут). Ток утечки представляет собой сумму сквозного тока и тока абсорбции: iут=iскв+iаб

Электропроводность диэлектриков носит, в основном, ионный характер. Ионы переносят с собой часть вещества. Сопротивление изоляции определяется величиной сквозного тока: Ток, измеренный через 1 минуту после приложения к диэлектрику постоянного напряжения, принимается за сквозной ток.

Для твердых диэлектриков различают объемную и поверхностную проводимость. Для количественной оценки способности материала проводить электрический ток используются: удельное объемное сопротивление (ρ) или удельная объемная проводимость (γ); R – объемное сопротивление образца, Ом; S – площадь электрода, м2; h – площадь образца, м.

В процессе эксплуатации диэлектрика сквозной ток через него либо увеличивается, либо уменьшается. Увеличение сквозного тока говорит об участии в электропроводности зарядов, являющихся структур-ными элементами самого материала, т. е. об изменении химического состава материала – старении изоляции (необратимом ухудшении изоляционных свойств). Уменьшение сквозного тока говорит об электри-ческой очистке материала за счет удаления примесей (ионы примесей переносят с собой часть вещества) . Электропроводность диэлектриков зависит от : агрегатного состояния вещества; влажности; температуры.

Электропроводность газов

Электропроводность газов очень мала при небольших значениях напряженности электрического поля. Ток в газах возникает при появлении в них ионов или свободных электронов за счет ионизации молекул. Ионизация молекулы – это распад молекулы на электрон и положительно заряженный ион.

Ионизация нейтральных молекул газа возникает: Под действием внешних факторов: рентгеновские лучи, ультрафиолетовое излучение, нагрев, радиоактивные излучения и т. п. Вследствие соударения разогнанных электри-ческим полем заряженных частиц с молекулами.

Электропроводность газов, обусловленная воздействием внешних факторов, называется несамостоятельной. В 1 см3 газа при нормальных условиях ежесекундно образуется от 3 до 5 пар заряженных частиц. Часть из них исчезает – рекомбинирует ( положительно заряженный ион и свободный электрон при столкновении образуют нейтральную молекулу). Электропроводность газов, обусловленная ионизацией молекул под действием электрического поля, называется самостоятельной. Самостоятельная электропроводность проявляется только в сильных электрических полях.

Виды ионизации молекул

Ударная ионизация – распад молекулы при соударении с электроном, если энергия приобретенная им под действием электрического поля достаточна для ионизации молекулы. Фотонная ионизация – ионизация молекулы за счет захвата фотонов. За счет захвата молекулой электрона при их столкновении образуются отрицательные ионы (только для электроотрицательных газов).

Зависимость тока в газах от напряжения

Пояснение графика зависимости тока от напряжения I участок кривой ( до напряжения насыщения - Uн) выполняется закон Ома – ток пропорционален напряжению; II участок (горизонтальный): при напряжении Uн скорость дрейфа ионов настолько возрастает, что вероятность их рекомбинации уменьшается, и, в основном, все ионы устремляются к электродам. Плотность тока насыщения ~ 10-15 А/м2, достигается ток насыщения в воздухе при h=10 мм и E=0,6 В/м. III участок: при напряжении, большем напряжения ионизации (Uи) возникает ударная ионизация и проявляется самостоятельная электропроводность. Для воздуха Еи=105÷106В/м.

Электропроводность жидкостей

Характер электропроводности зависит от строения жидкого диэлектрика: В неполярных – электропроводность обусловлена наличием примесей, особенно влаги: В полярных – наличием примесей и диссоциацией молекул самой жидкости

Возрастание диэлектрической проницаемости приводит к росту проводимости жидких диэлектриков (↑Ɛ→γ↑→ρ↓). Сильнополярные жидкости отличаются настолько высокой проводимостью, что являются уже не диэлектриками, а проводниками с ионной электропроводностью. Очистка жидких диэлектриков от содержащихся в них примесей значительно повышает их ρ. При длительном протекании тока через неполярный жидкий диэлектрик возможно увеличение сопротивления за счет переноса свободных ионов примесей к электродам (электрическая очистка).

При повышении температуры проводимость жидких диэлектриков увеличивается по экспоненте: γ=γ0 exp αt, где - проводимость жидкого диэлектрика при 0 градусов Цельсия; a – постоянная ; t – температура нагрева диэлек-трика. Зависимость тока от приложенного напряжения для жидких диэлектриков

Коллоидные системы

Эмульсии (оба компонента - жидкости); Суспензии (твердые частицы в жидкости); Аэрозоли (твердые и жидкие частицы в газе). В коллоидных системах частицы одного из компонентов очень малы и распылены в объеме основного элемента. Частицы распыленного компонента спонтанно приобретают заряд и ведут себя как свободные носители заряда – молионы. Направленное перемещение молионов называется молионной или электрофоретической электро-проводностью.

Электропроводность твердых диэлектриков

Электропроводность твердых диэлектриков обусловлена: Перемещением ионов самого диэлектрика; Перемещением ионов примесей; Перемещением свободных электронов – электронная электропроводность проявляется только в сильных электрических полях. Ионная электропроводность сопровождается переносом вещества. В процессе прохождения тока через твердый диэлектрик содержащиеся в нем ионы примеси могут частично удаляться, оседая на электродах.

Электропроводность твердых диэлектриков зависит от их строения: В диэлектриках ионной структуры электропроводность обусловлена перемещением ионов, которые освобождаются в результате теплового движения: при низких температурах передвигаются слабо закрепленные ионы примесей; при высоких температурах освобождаются ионы из узлов кристаллической решетки – электрохимическое старение вещества. В диэлектриках атомарной или молекулярной структуры электропроводность обусловлена только наличием примесей (примесная электропроводность)

Особенности электропроводности твердых диэлектриков

Проводимость аморфных твердых диэлектриков одинакова во всех направлениях (парафин, полистирол, ФФС – фенолформальдегидная смола); Проводимость твердых диэлектриков неодинакова по разным осям кристалла (для кварца различается более, чем в 1000 раз); Наличие влаги в пористых диэлектриках приводит к резкому увеличению проводимости.

Зависимость тока в твердых диэлектриках от напряженности поля

I участок – соблюдается закон Ома; II участок – проявляется электронная электропровод-ность (Екр=10÷100 мВ/м)

Поверхностная электропроводность твердых диэлектриков

Поверхностная электропроводность обусловлена наличием влаги или загрязнением диэлектрика. Адсорбция влаги на поверхности диэлектрика зависит от относительной влажности воздуха и структуры материала.

Выводы по теме «Электропроводность»

Диэлектрики, используемые в качестве изоляционных материалов, обладают высокими значениями ρ, т. е. практически не проводят электрический ток. Малые токи, протекающие в диэлектрике, называются токами утечки. Электропроводность в диэлектриках носит преимущественно ионный характер и только в сильных электрических полях становится электронной. В слабых электрических полях в диэлектриках проявляется несобственная (примесная) электро-проводность.

В сильных электрических полях при U>Uи проявляется собственная электропроводность, обусловленная развитием ударной и фотонной ионизацией. Электропроводность диэлектриков зависит от их строения и агрегатного состояния. В жидких диэлектриках, представляющих собой коллоидные системы (лаки, компаунды, увлажненное масло), проявляется молионная или электрофорети-ческая электропроводность Свободные ионы переносят с собой часть вещества Для твердых диэлектриков характерна поверхностная проводимость, зависящая от строения диэлектрика и условий его эксплуатации

γ зависит от температуры: с увеличением t проводимость возрастает по экспоненциальному закону, т. к. увеличивается число свободных носителей зарядов Закон Ома справедлив для жидких и твердых диэлектриков только в слабых электрических полях, а для газов – в очень слабых Сквозной ток характеризует состояние изоляции (ее сопротивление) Увеличение iскв «говорит» об уменьшении Rиз

Уменьшение iскв «говорит» об увеличении Rиз за счет электрической очистки диэлектрика Необратимое уменьшение Rиз является признаком старения изоляции (необратимого ухудшения ее изоляционных свойств)