Лабораторная работа № 3 «Определение электрической прочности твердых диэлектриков»
Цель работы
6.1.1 Изучение физических основ явления пробоя твердых диэлектриков.
6.1.2 Экспериментальное определение электрической прочности твердых диэлектриков.
Электропроводность твердых диэлектриков
По своему назначению электроизоляционные материалы не должны под действием постоянного приложенного напряжения пропускать электрический ток (под действием переменного приложенного напряжения всякий диэлектрик пропускает переменный емкостный ток). Однако любой твердый диэлектрик (картон, бумага, лак, эмаль, компаунд, полимер, стекло, керамика), используемый в электротехнике, содержит в своем составе некоторое количество различных примесей, и, следовательно, в таком диэлектрике имеется несколько видов носителей зарядов: ионы основного вещества, ионы примесей, а иногда и свободные электроны, которые под воздействием электрического поля могут перемещаться. Поэтому твердые диэлектрики на постоянном напряжении пропускают небольшой ток, называемый сквозным током или током проводимости.
Электропроводность твердого диэлектрика чаще всего носит ионный характер. Это связано с тем, что ширина запрещенной зоны в диэлектрике W >> kT. Поэтому оторваться от своих атомов за счет теплового движения может лишь небольшое количество электронов. Ионы же оказываются слабо связанными с узлами решетки, и энергия активации W, необходимая для их срыва, сравнима с kT. И хотя подвижность ионов меньше, чем подвижность электронов, но за счет большей концентрации свободных ионов ионная электропроводность оказывается преобладающей над электронной:
|
|
|
mион·nион·qион > mэл·nэл·qэл, (9)
где m ион, mэл – подвижность ионов и электронов соответственно;
nион, nэл – концентрация ионов и электронов соответственно;
qион, qэл – заряд ионов и электронов соответственно.
Под действием света, радиации, небольшом нагреве сначала ионизируются содержащиеся в диэлектриках в небольших количествах примеси и дефекты. Такими примесями могут быть органические кислоты, щелочные оксиды, влага и другие загрязнения, молекулы которых распадаются на ионы. В этом случае ток проводимости представляет собой направленное перемещение свободных ионов, образующихся в результате диссоциации молекул примесей. Образовавшиеся таким образом ионы определяют низкотемпературную примесную область электропроводности твердого диэлектрика. При повышении температуры и при приложении к твердым диэлектрикам больших напряжений в них образуются собственные свободные ионы и электроны, которые создают ток проводимости.
|
|
|
Удельная электропроводность твердых диэлектриков с ростом температуры растет по экспоненциальному закону:
γ = n × q × m ~ exp(-W/kT). (10)
При достижении некоторой температуры удельная электропроводность резко возрастает и наступает высокотемпературная собственная электропроводность (рисунок 14).
Удельная проводимость складывается из собственной с энергией активации W соб. и примесной с энергией активации W пр.:
γ = A1exp(-W пр / kT) + A2exp(-W соб / kT) пр , (11)
где А1 и А2 – коэффициенты, объединяющие в себе подвижность μ и концентрацию n свободных собственных и свободных примесных ионов соответственно;
W соб , W пр, – ширина запрещенной зоны собственных и свободных примесных ионов;
k – постоянная Больцмана;
T – термодинамическая температура.
1 – низкотемпературная примесная область; 2 – высокотемпературная собственная область
Рисунок 14 – Зависимость удельной электропроводности твердого диэлектрика от температуры
Температура, при которой наблюдается излом зависимости log γ(1/ T ), сильно зависит от степени чистоты и совершенства кристалла. При увеличении содержания примесей и дефектов примесная удельная электропроводность растет и будет сдвигаться в сторону высоких температур.
|
|
|
Удельную электропроводность твердого диэлектрика характеризуют два параметра:
– удельная объемная электропроводность γ v ;
– удельная поверхностная электропроводность γ s .
Величина, обратная удельной проводимости, называется удельным сопротивлением ρ. Для твердых диэлектриков ρ = 107…1018 Ом×м.
Многие диэлектрики, используемые в электрической изоляции, являются гигроскопичными, и величина удельного сопротивления сильно зависит от увлажнения. Чем сильнее увлажнение, тем меньшим удельным поверхностным сопротивлением обладает твердый диэлектрик. Для уменьшения удельной проводимости поверхности гигроскопичных электроизоляционных материалов покрывают гидрофобными (не смачиваемые водой) покрытиями – лаками, эмалями. Пористые электрокерамические материалы покрываются глазурью; пористые диэлектрики пропитываются жидкими или твердеющими компонентами, которые плохо увлажняются.
Дата добавления: 2019-02-12; просмотров: 705; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!