Vitasvet-energo.ru

Витасвет Энерго
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Протекание тока в диэлектрике

Что такое проводники, полупроводники и диэлектрики

Диэлектрики имеют полностью заполненную валентную зону и большую ширину запрещенной зоны. Электроны валентной зоны, даже при сильном возбуждении атомов (нагрев, облучение и т.д.), не способны преодолеть запрещенную зону и перейти в зону проводимости.

К диэлектрикам относятся твердые вещества с ковалентной (алмаз, кварц) или ионным типом связи (оксиды MgO, Al2 O3 , TiO2 , соли NaCl, CaF2 и т.д.). Для ионных кристаллов ширина запрещенной зоны превышает DE> 6 эВ. В молекулярных кристаллах энергетические уровни локализованы в пределах молекул и энергетические зоны не возникают, поэтому такие вещества — диэлектрики.

Физические свойства диэлектриков

При удельном сопротивлении материала равном меньше 10-5 Ом*м их можно отнести к проводникам. Если больше 108 Ом*м — к диэлектрикам. Возможны случаи, когда удельное сопротивление будет в разы больше сопротивления проводника. В интервале 10-5-108 Ом*м находится полупроводник. Металлический материал — отличный проводник электрического тока.

Из всей таблицы Менделеева только 25 элементов относятся к неметаллам, причём 12 из них, возможно, будут со свойствами полупроводника. Но, разумеется, кроме веществ таблицы, существует ещё множество сплавов, композиций или химических соединений со свойством проводника, полупроводника или диэлектрика. Исходя из этого, трудно провести определённую грань значений различных веществ с их сопротивлениями. Для примера, при пониженном температурном факторе полупроводник станет вести себя подобно диэлектрику.

Проводники и диэлектрики

Некоторые делят мир на черное и белое, а мы — на проводники и диэлектрики.

Медь, железо, алюминий, олово, свинец, золото, серебро, хром, никель, вольфрам

Воздух, дистиллированная вода, поливинилхлорид, янтарь, стекло, резина, полиэтилен, полипропилен, полиамид, сухое дерево, каучук

То, что диэлектрик не проводит электрический ток, не значит, что он не может накапливать заряд. Накопление заряда не зависит от возможности его передавать.

РАДИАЦИОННО-НАВЕДЕННЫЕ СИГНАЛЫ ПРИ СОВМЕСТНОМ ДЕЙСТВИИ СТОРОННИХ ЗАРЯДОВ И ТОКОВ ПРОВОДИМОСТИ

При отсутствии электретных эффектов и внешних электрических источников в начале облучения сторонние заряды и электрическое поле в диэлектрике отсутствуют, и токи проводимости равны нулю. Регистрируемый сигнал определяется токами смещения за счет образования стороннего заряда при переносе вторичных высокоэнергетических электронов.

Накопление объемного заряда приводит к формированию электрического поля, при этом появляются и возрастают токи проводимости. Регистрируемый сигнал уже определяется совместным действием токов смещения и токов проводимости. По мере дальнейшего облучения наступает состояние квазистатического равновесия, когда приток заряда внутрь любого произвольно выбранного объема внутри диэлектрика за счет переноса высокоэнергетических электронов становится равным оттоку заряда из этого объема за счет токов проводимости.

Дальнейший рост объемного заряда прекращается, и регистрируемый сигнал определяется только токами проводимости. Таким образом, при малых временах облучения t (предельный случай t → 0) регистрируемый сигнал определяется токами смещения Jсм, а при достаточно продолжительном облучении (предельный случай t → ∞) сигнал определяется токами проводимости Jпр.

Радиационно-наведенные сигналы измерены в плоском двухслойном конденсаторе (рис. 6), внешние электроды (1, 5) которого были выполнены из медных пластин толщиной 180 мг · см –2 и заземлены, а измерительный электрод 3 представлен диэлектрическим цилиндром Фарадея без охранного электрода (4 на рис. 2). Между электродами устанавливались пластины из полиэтилена (I, II, рис. 6) переменной толщины d. Облучение проводилось на источнике 60 Со γ-излучения при постоянной мощности дозы Рγ в диапазоне 10 –4 –10 –3 Гр · с –1 . Конденсаторами и резисторами на рис. 6 обозначены механизмы передачи заряда от произвольного слоя dx диэлектрика на измерительный электрод 3 при формировании соответственно токов смещения (Jсм при t → 0) и токов проводимости (Jпр при t → ∞). С учетом измеренных приграничных распределений φд(x), φз(х) выражения для Jсм, Jпр в отмеченных предельных случаях имеют вид [4]:

Читать еще:  Проходная тв розетка принцип работы

Полупроводники

Это особая группа веществ, которая проводит электрический ток при создании определенных условий. В кристаллической решетке полупроводников наблюдается крайне ограниченное наличие свободных носителей зарядов. Но при создании соответствующих условий, например, при воздействии света, понижении или повышении температуры, или каких-либо специфических факторов количество освобожденных носителей возрастает.

Вещества, которые проводят электрический ток и относятся к группе полупроводников обладают одной особенностью – под воздействием внешних факторов связанные электроны покидают свое место, и образуют т.н. «дырку». Она имеет положительный заряд. При создании электрического поля электроны и «дырки» двигаются навстречу друг другу, образуя электрический ток. Такая особенность называется электронно-дырочной проводимостью. Наиболее распространенными полупроводниками считаются кремний, германий, селен, галлий, теллур и т.д.

Диэлектрики

Если среда содержит очень мало свободных зарядов (или не содержит их вообще), такая среда не может проводить электрический ток и является непроводником (диэлектриком, изолятором).

В отличие от кристаллов проводников, кристаллы диэлектрика имеют такую пространственную структуру, что внешние электроны не могут далеко удалиться от ионов. В результате даже при приложении достаточно большого внешнего электрического поля ток в диэлектрике не возникает. Типичными примерами непроводников является стекло или пластмассы.

Жидкости-диэлектрики – это жидкости, в которых нет растворенных примесей, а молекулы этих жидкостей сами по себе ионами не являются, например, дистиллированная вода.

Газы в нормальных условиях, как уже было сказано выше, содержат очень мало заряженных частиц, и являются хорошими изоляторами. Примером может являться обычный воздух.

Граница между проводниками и непроводниками достаточно условна. Кроме того, существуют вещества, занимающие промежуточное положение, они называются полупроводниками. В таких веществах количество свободных зарядов не так велико, как в металлах, однако, значительно больше, чем в диэлектриках. К типичным полупроводникам относится кремний.

Зависимости e и tgδ от температуры и природы диэлектрика

Твердые диэлектрики молекулярного строения неполярные

Эти диэлектрики (парафин и др.) обладают только электронной поляризацией e невелика (e = 2,0 ÷ 2,5).

При повышении температуры относительная диэлектрическая проницаемость диэлектриков уменьшается (рис. 1.2а), причем, при температурах плавления Тпл и кипения Ткип – скачкообразно. Уменьшение e при увеличении температуры объясняется изменением числа поляризуемых молекул (n) в единице объема вещества вследствие его температурного расширения.

Рис. 1.1. Векторная диаграмма токов (а) и параллельная эквивалентная схема замещения (б) диэлектрика:

Читать еще:  Где разместить розетку для встраиваемого холодильника

J – полный ток, Jа – активный ток, Jр – реактивный ток, Jабс – ток абсорбции, Jаа – активный ток абсорбции, Jар– реактивный ток абсорбции, Jс– емкостной ток, Jск – ток сквозной проводимости, R — активое сопротивление, Xс— реактивное сопротивление, U – напряжение, φ – угол сдвига фаз, δ – угол диэлектрических потерь

Диэлектрические потери небольшие (tgδ ≈ 10 -4 ) и обусловлены только током сквозной проводимости. При нагревании tgδ незначительно нелинейно увеличивается в связи с увеличением концентрации свободных зарядов (рис. 1.2б).

Твердые диэлектрики молекулярного строения полярные

Диэлектрики этой группы (канифоль и др.) наряду с электронной поляризацией обладают и дипольно-релаксационной. Поэтому диэлектрическая проницаемость у этих диэлектриков имеет более высокие значения, чем у неполярных диэлектриков (e = 3 ÷ 20 и более).

Рис. 1.2. Влияние температуры на относительную диэлектрическую проницаемость (а) и tgδ (б) неполярных диэлектриков молекулярного строения: 1 – потери на электропроводность

Зависимость e(Т) для этой группы диэлектриков приведена на рис.3а. С повышением температуры в результате ослабления межмолекулярных связей увеличивается ориентация диполей в направлении электрического поля, поэтому ε возрастает (рис. 1.3а, участок ab). Однако с повышением температуры возрастает и энергия теплового хаотического движения диполей и выше температуры Тm дезориентирующее действие теплового движения начинает преобладать над ориентирующим действием электрического поля. Поэтому при дальнейшем нагревании (при Т > Тm) ε уменьшается (участок bc).

Диэлектрические потери обусловлены током сквозной проводимости и дипольно-релаксационной поляризацией.

Зависимость изменения tgd от температуры приведена на рис. 1.3б. При увеличении температуры до Т΄m дипольно-релаксационные потери возрастают в результате ослабления межмолекулярных связей и увеличения ориентация диполей в направлении электрического поля. При этом увеличивается энергия электрического поля, потребляемая на ориентацию диполей, которая расходуется на трение и переходит в тепло (рис. 1.3б, кривая аb). При дальнейшем нагревании в результате роста энергии теплового хаотического движения полярных молекул дипольно-релаксационная поляризация уменьшается; уменьшаются и релаксационные потери (рис. 1.3б, кривая bс).

Дальнейшее увеличение tgd при повышении температуры (рис. 1.3б, участок cd) происходит за счет роста электропроводности диэлектрика.

Рис.1.3. Влияние температуры на относительную диэлектрическую проницаемость и tgδ полярных диэлектриков молекулярного строения: 1 – электронная поляризация, 2 – n(T), 3 – дипольно-релаксационная поляризация, 4 – потери на электропроводность, 5 – дипольно-релаксационные потери

Твердые диэлектрики ионного строения с плотной упаковкой решетки ионами

Для таких диэлектриков (корундовая керамика Al2О3, слюда, кварц SiО2 и др.) характерны электронная и ионная поляризации. Значение ε изменяется в пределах 3 ÷ 10. При нагревании ε возрастает линейно (ТК ε > 0) (рис. 1.4а). Это связано с ослаблением межионных сил и увеличением смещения ионов относительно друг друга под действием электрического поля.

Диэлектрические потери обусловлены только током сквозной проводимости и имеют небольшие значения (tgδ ≈ 10 -4 ). При повышении температуры потери незначительно возрастают, так как возрастает ток сквозной проводимости ввиду увеличения степени диссоциации примесей и ионизации материала диэлектрика (рис. 1.5, кривая II).

Читать еще:  Вилка под русские розетки

Рис.1.4. Влияние температуры на относительную диэлектрическую проницаемость диэлектриков c плотной (а) и с неплотной (б) упаковкой решетки ионами; составляющие поляризации: 1 – электронная,

2 – ионная, 3 –n(T),4 – ионно-релаксационная поляризация

Твердые диэлектрики ионного строения аморфные и с неплотной упаковкой решетки ионами

Диэлектрическая проницаемость таких диэлектриков (неорганические стекла, электротехнический фарфор, асбест и др.) увеличивается нелинейно при увеличении температуры за счет увеличения интенсивности ионной и, главным образом, ионно-релаксационной поляризаций (рис. 1.4б). Значение ε изменяется в пределах 4 ÷ 20. По сравнению с диэлектриками с плотной упаковкой решетки ТК ε для этих диэлектриков имеет более высокие значения.

Диэлектрические потери в этом случае обусловлены током сквозной проводимости и ионно-релаксационной поляризацией (см. рис. 1.5, кривая I). Потери в этих диэлектриках выше, чем в диэлектриках кристаллических с плотной упаковкой решетки ионами (tgδ ≈ 10 -2 ) и сильно зависят от температуры: при нагревании tgδ существенно возрастает.

Рис. 1.5. Зависимости tgδ от температуры диэлектриков ионного строения аморфных или кристаллических с неплотной (I) и с плотной (II) упаковкой решетки: 1 – потери, обусловленные током проводимости; 2 — потери, обусловленные ионно-релаксационной поляризацией

Неполярные полимеры

Для полимерных неполярных диэлектриков (полиэтилен, полистирол, полипропилен и др.) при Т

Рис.1.6. Зависимость диэлектрической проницаемости ε неполярного (а)

и полярного (б) полимера от температуры; составляющие поляризации: 1 – электронная, 2 –n(T), 3 – дипольно-сегментальная поляризация,

4 – дипольно-групповая поляризация

При Т > Тс имеет место дипольно-сегментальная и электронная поляризации. Здесь при нагревании полимера до Tm ε возрастает в результате ослабления межмолекулярных связей и увеличения степени ориентация сегментов макромолекул в направлении электрического поля. Однако с повышением температуры возрастает и энергия теплового хаотического движения сегментов и выше температуры tm дезориентирующее действие теплового движения начинает преобладать над ориентирующим действием электрического поля. Поэтому при дальнейшем нагревании (при T > Tm) ε уменьшается.

Диэлектрические потери при Т -4 ÷ 10 -3 ) и очень слабо зависят от температуры (рис. 1.7а). При нагревании (при Т Тс возрастает и проходит через максимум, обусловленный дипольно-сегментальной поляризацией. С дальнейшим увеличением температуры tgδ растет вследствие увеличения тока сквозной проводимости.

Рис. 1.7. Зависимость tgd неполярного (а) и полярного полимеров от температуры: 1 – потери, обусловленные током проводимости, 2 — дипольно-сегментальной поляризацией, 3 — дипольно-групповой поляризацией

Полярные полимеры

Для полимерных полярных диэлектриков (полиэтилентерефталат, поливинилхлорид, фторопласт – 3, полиимиды и др.) при Т Тс — электронная и дипольно-сегментальная (рис. 1.6б). Поэтому ε полярных полимеров больше (ε = 3 ÷ 6 и более), чем у неполярных. При нагревании ε походит через два максимума, один — при Т Тс , обусловленный дипольно-сегментальной поляризацией.

Полярные полимеры имеют большие значения tgδ, чем неполярные (tgδ = 10 -3 ÷ 10 -2 и выше). С увеличением температуры tgδ проходит два максимума, обусловленные соответственно дипольно-групповой (при Т Тс) поляризациями и далее возрастает вследствие увеличения тока сквозной проводимости (рис. 1.7б).

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector