Протекание тока в диэлектрике

Диэлектрики в электрическом поле

Все известные человечеству вещества способны проводить электрический ток в различной степени: какие-то лучше проводят ток, какие-то — хуже, другие — почти не проводят. В соответствии с этой способностью, вещества делятся на три основных класса:

Идеальный диэлектрик не содержит в себе зарядов, способных к перемещению на значительные расстояния, то есть свободных зарядов в идеальном диэлектрике нет. Однако, помещенный во внешнее электростатическое поле, диэлектрик реагирует на него. Происходит поляризация диэлектрика, то есть под действием электрического поля, заряды в диэлектрике смещаются. Это свойство, способность диэлектрика к поляризации, является главным свойством диэлектриков.

Так, поляризуемость диэлектриков включает три составляющие поляризуемости:

При поляризации происходит смещение зарядов под действием электростатического поля. В итоге, каждый атом или каждая молекула создает электрический момент P.

Заряды диполей внутри диэлектрика взаимно компенсируют друг друга, однако на наружных поверхностях, которые прилегают к электродам, служащим источником электрического поля, появляются поверхностно связанные заряды, имеющие противоположный заряду соответствующего электрода знак.

Электростатическое поле связанных зарядов E’ всегда направлено противоположно внешнему электростатическому полю E0. Получается, что внутри диэлектрика есть электрическое поле, равное E = E0 – E’.

Если тело из диэлектрика в форме параллелепипеда помещено в электростатическое поле напряженностью E0, то его электрический момент может быть вычислен по формуле: P = qL = σ’SL = σ’SlCosφ, где σ’ – поверхностная плотность связанных зарядов, а φ — угол между поверхностью грани площадью S и нормалью к ней.

Далее, зная n — концентрацию молекул в единице объема диэлектрика и P1 — электрический момент одной молекулы, можно вычислить значение вектора поляризации, то есть электрический момент единицы объема диэлектрика.

Подставив теперь объем параллелепипеда V = SlCos φ, легко вывести, что поверхностная плотность поляризационных зарядов численно равна нормальной составляющей вектора поляризации в данной точке поверхности. Логическим следствием будет то, что индуцированное в диэлектрике электростатическое поле E’ влияет лишь на нормальную составляющую напряженности приложенного внешнего электростатического поля E.

Расписав электрический момент одной молекулы через напряженность, поляризуемость и диэлектрическую проницаемость вакуума, вектор поляризации можно записать как:

Где α — поляризуемость одной молекулы данного вещества, а χ = nα — диэлектрическая восприимчивость — макроскопическая величина, характеризующая поляризацию единичного объема. Диэлектрическая восприимчивость — величина безразмерная.

Таким образом, у результирующего электростатического поля E изменяется, в сравнении с E0, лишь нормальная компонента. Тангенциальная же компонента поля (направленная по касательной к поверхности) не изменяется. В результате, в векторной форме значение напряженности результирующего поля можно записать:

Значение напряженности результирующего электростатического поля в диэлектрике равно напряженности внешнего электростатического поля, деленной на диэлектрическую проницаемость среды ε:

Диэлектрическая проницаемость среды ε = 1 + χ является главной характеристикой диэлектрика, и свидетельствует о его электрических свойствах. Физический смысл данной характеристики заключается в том, что он показывает, во сколько раз напряженность E поля внутри данной диэлектрической среды меньше, чем напряженность E0 в вакууме:

При переходе из одной среды в другую, напряженность электростатического поля меняется скачком, и график зависимости напряженности поля от радиуса диэлектрического шара, находящегося в среде с диэлектрической проницаемостью ε2, отличной от диэлектрической проницаемости шара ε1, отражает это:

1920 год явился годом открытия явления спонтанной поляризации. Группу веществ, подверженной этому явлению, назвали сегнетоэлектриками или ферроэлектриками. Явление проявляется благодаря тому, что для сегнетоэлектриков характерна анизотропия свойств, при которой сегнетоэлектрические проявления можно наблюдать лишь вдоль одной из осей кристалла. У изотропных же диэлектриков все молекулы поляризуются одинаково. У анизотропных — в разных направлениях векторы поляризации направлением отличаются.

Сегнетоэлектрики отличаются высокими значениями диэлектрической проницаемости ε в определенном интервале температур:

При этом значение ε зависит как от приложенного к образцу внешнего электростатического поля E, так и от предыстории образца. Диэлектрическая проницаемость и электрический момент здесь нелинейно зависят от напряженности E, поэтому сегнетоэлектрики относятся к нелинейным диэлектрикам.

Сегнетоэлектрикам свойственна точка Кюри, то есть начиная от определенной температуры и выше, сегнетоэлектрический эффект пропадает. При этом происходит фазовый переход второго рода, например для титаната бария температурой точки Кюри является +133°C, для сегнетовой соли от -18°C до +24°C, для ниобата лития +1210°C .

Поскольку диэлектрики поляризуются нелинейно, здесь имеет место диэлектрический гистерезис. В точке «а» на графике происходит насыщение. Ec – коэрцитивная сила, Pc – остаточная поляризация. Кривая поляризации называется петлей гистерезиса.

Из-за стремления к минимуму потенциальной энергии, а также из-за дефектов, свойственных их структуре, сегнетоэлектрики разбиты внутри на домены. Домены имеют различное направление поляризации, и в отсутствие внешнего поля их суммарный дипольный момент почти равен нулю.

Под действием же внешнего поля E, границы доменов смещаются, и часть доменов, поляризованных против поля помогает поляризации доменов по направлению поля E.

Ярким примером такой структуры является тетрагональная модификация BaTiO3.

В достаточно сильном поле E кристалл становится однодоменным, а после выключения внешнего поля, поляризация остается (это и есть остаточная поляризация Pc).

Для уравнивания объемов доменов противоположного знака, необходимо приложить к образцу внешнее электростатическое поле Eс, коэрцитивное поле, в противоположном направлении.

Встречаются среди диэлектриков и электрические аналоги постоянных магнитов — электреты. Это такие особые диэлектрики, которые способны сохранять поляризацию продолжительно даже после отключения внешнего электрического поля.

Есть в природе диэлектрики, поляризуемые при механическом воздействии на них. От механической деформации кристалл поляризуется. Это явление известно как пьезоэлектрический эффект. Он был открыт в 1880 году братьями Жаком и Пьером Кюри.

Суть в следующем. На наложенных на грани кристалла пьезоэлектрика металлических электродах, возникнет разность потенциалов в момент осуществления деформации кристалла. Если электроды будут замкнуты проводником, то в цепи возникнет электрический ток.

Обратный пьезоэлектрический эффект также возможен — поляризация кристалла приводит к его деформации. При подаче напряжения на электроды, приложенные к пьезокристаллу, возникнет механическая деформация кристалла, она будет пропорциональна напряженности приложенного поля E0. На данный момент науке известно более 1800 видов пьезоэлектриков. Все сегнетоэлектрики в полярной фазе проявляют пьезоэлектрические свойства.

Некоторые диэлектрические кристаллы поляризуются при нагревании или при охлаждении, это явление известно как пироэлектричество. Например, один конец пироэлектрического образца при нагревании заряжается отрицательно, а другой — положительно. А при охлаждении, тот конец, который стал отрицательно заряженным при нагревании, станет положительно заряженным при охлаждении. Очевидно, это явление связано с изменением исходной поляризации вещества с изменением его температуры.

Каждый пироэлектрик обладает пьезоэлектрическими свойствами, но далеко не каждый пьезоэлектрик является пироэлектриком. Некоторые из пироэлектриков обладают сегнетоэлектрическими свойствами, то есть способны к спонтанной поляризации.

На границе двух сред с различными значениями диэлектрической проницаемости, напряженность электростатического поля E изменяется скачком в месте резкого изменения ε.

Для упрощения расчетов в электростатике, был введен вектор электрического смещения или электрическая индукции D.

Поскольку E1ε1 = E2ε2, то и E1ε1ε0 = E2ε2ε0, значит:

То есть, при переходе из одной среды в другую остается неизменным вектор электрического смещения, то есть электрическая индукция. Это наглядно иллюстрирует рисунок:

Для точечного заряда в вакууме вектор электрического смещения равен:

Подобно магнитному потоку для магнитных полей, в электростатике используется поток вектора электрического смещения.

Так, для однородного электростатического поля, при пересечении линиями вектора электрического смещения D площадки площадью S под углом α к нормали, можно записать:

Теорема Остроградского—Гаусса для вектора E позволяет получить соответствующую теорему для вектора D.

Итак, теорема Остроградского-Гаусса для вектора электрического смещения D звучит так:

Поток вектора D через любую замкнутую поверхность определяется только свободными зарядами, а не всеми зарядами внутри объема, ограниченного данной поверхностью.

Для примера можно рассмотреть задачу с двумя бесконечно протяженными диэлектриками с различными ε, и имеющими границу раздела двух сред, пронизываемыми внешним полем E.

Если ε2 > ε1, то с учетом того, что E1n/E2n = ε2/ε1, и E1т = E2т, поскольку изменяется только нормальная составляющая вектора E, меняется лишь направление вектора E.

Мы получили закон преломления напряженности вектора E.

Закон преломления для вектора D аналогичен, поскольку D = εε0E, и это иллюстрирует рисунок:

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Токи в диэлектриках

Виды электропроводности

Электропроводность диэлектриков – это состояние вещества, имеющего в наличие заряженные частицы, находящиеся в электрическом поле. Существует три основных вида электропроводности.

Электронная или металлическая электропроводность. Характерна для металлов и большинства твёрдых диэлектриков, носители зарядов – электроны.

Ионная или электролитическая электропроводность. Носители зарядов – ионы, характерный процесс – электролиз, в результате которого получаются новые вещества.

Молионная или электрофоретическая электропроводность. Носители зарядов группы молекул – молионы. Характерна для коллоидных растворов и суспензий. Результатом характерного процесса является изменение концентраций относительных слоёв жидкости.

В момент включения и выключения постоянного электрического поля через диэлектрик электрического конденсатора протекает обусловленный быстрыми видами поляризаций ток смещения I_см за время около 10 — 15 с. В неполярных однородных диэлектриках затем устанавливается ток сквозной проводимости — I_скв. В начальный момент времени и при выключении постоянного поля через полярные и неоднородные диэлектрики протекает также ток абсорбции — I_абс, причиной которого являются замедленные (релаксационные) поляризации. Во многих диэлектриках, используемых в качестве электрической изоляции, I_скв устанавливается за время меньшее 1 мин. В переменном электрическом поле через диэлектрик протекают все, характерные для него виды токов.

Сквозной ток — I_скв (ток утечки) обусловлен наличием в диэлектриках указанных в таблице свободных носителей заряда различной природы.

В постоянном электрическом поле токи абсорбции могут устанавливаться в течение длительного времени в зависимости от типа диэлектрика и механизма поляризации. Уменьшение тока I_абс может наблюдаться в течение минут или даже часов. После исчезновения тока абсорбции через диэлектрик будет протекать только ток I_скв. При расчете сопротивления изоляции на постоянном напряжении необходимо расчет вести по току сквозной проводимости I_скв, исключая токи абсорбции.

Основными характеристиками электроизоляционных материалов являются удельная объёмная проводимость g_v и удельная поверхностная проводимость g_s. Для их сравнительной оценки пользуются значениями удельного объемного сопротивления r_v и удельного поверхностного сопротивления r_s.

Удельное объемное сопротивления r_v равно объемному сопротивлению куба с ребром в 1 м, мысленно выделенного из исследуемого материала, если ток проходит сквозь куб от одной его грани к противоположной (рис.1.13).

, [Ом·м].

Удельное поверхностное сопротивление r_s равно сопротивлению прямоугольника, мысленно выделенного из поверхности материала, если ток проходит через него от одной его стороны к противоположной.

, [Ом],

где b – расстояние между электродами, a – ширина электродов.

R_s – поверхностное сопротивление образца материала между параллельно поставленными электродами шириной a, отстоящих друг от друга на расстояние b.

; .

Полное сопротивление диэлектрика составит .

Удельная объёмная проводимость .

Удельная поверхностная проводимость .

Электропроводность зависит от состояния вещества (твёрдое, жидкое, газообразное), а также от влажности и температуры окружающей среды, наличия ионизирующего излучения.

Поверхностный ток – ток, обтекающий поверхность образца i_s. Он зависит от чистоты поверхности диэлектрика – загрязнения, влажности, коррозии.

.

Объемный ток – ток, протекающий внутри диэлектрика по всему объёму i_v. Он зависит от свойств самого диэлектрика.

.

Что такое диэлектрики и где они используются

Диэлектрики — это вещества, которые не проводят электрический ток, до определенной поры. При определенных условиях проводимость в них зарождается. Этими условиями выступают механические, тепловые — в общем, энергетические виды воздействий. Кроме диэлектриков, вещества также классифицируются на проводники и полупроводники.

Чем отличаются диэлектрики от проводников и полупроводников

Теоретическую разницу между этими тремя видами материалов можно представить, и я это сделаю, на рисунке ниже:

Рисунок красивый, знакомый со школьной скамьи, но что-то практическое из него не особо вытянешь. Однако, в этом графическом шедевре четко определена разница между проводником, полупроводником и диэлектриком.

И отличие это в величине энергетического барьера между валентной зоной и зоной проводимости.

В проводниках электроны находятся в валентной зоне, но не все, так как валентная зона — это самая внешняя граница. Точно, это как с мигрантами. Зона проводимости пуста, но рада гостям, так как у неё полно для них свободных рабочих мест в виде свободных энергетических зон. При воздействии внешнего электрического поля, крайние электроны приобретают энергию и перемещаются в свободные уровни зоны проводимости. Это движение мы еще называем электрическим током.

В диэлектриках и проводниках всё аналогично, за исключением того, что имеется “забор” — запрещенная зона. Эта зона расположена между валентной и зоной проводимости. Чем больше эта зона, тем больше энергии требуется для преодоления электронами этого расстояния. У диэлектриков величина зоны больше, чем у полупроводников. Этому есть даже условие: если дЭ>3Эв (электронвольт) — то это диэлектрик, в обратном случае дЭ

Главными электрическими свойствами диэлектриков являются поляризация (смещение зарядов) и электропроводность (способность проводить электрический ток) Смещение связанных зарядов диэлектрика или их ориентация в электрическом поле называется поляризацией. Это свойство диэлектрических материалов характеризуется относительной диэлектрической проницаемостью ε. При поляризации на поверхности диэлектрика образуются связанные электрические заряды.

В зависимости от типа диэлектрика поляризация может быть: электронной, ионной, дипольно-релаксационной, спонтанной. Более подробно про их свойства на инфографике ниже.

Под электропроводностью понимают способность диэлектрика проводить электрический ток. Ток, протекающий в диэлектрике называется током утечки. Ток утечки состоит из двух составляющих — тока абсорбционного и тока сквозного. Сквозные токи обусловлены наличием свободных зарядов в диэлектрике, абсорбционный ток — поляризационными процессами до момента установления равновесия в системе.

Величина электропроводности зависит от температуры, влажности и количества свободных носителей заряда.

При увеличении температуры электропроводность диэлектриков увеличивается, а сопротивление падает.

Зависимость от влажности вновь возвращает нас к классификации диэлектриков. Ведь, неполярные диэлектрики не смачиваются водой и на изменение влажности им нет дела. А у полярных диэлектриков при увеличении влажности повышается содержание ионов, и электропроводность увеличивается.

Проводимость диэлектрика состоит из поверхностной и объемной проводимостей. Известно понятие удельной объемной проводимости, обозначается буквой сигма σ. А обратная величина называется удельное объемной сопротивление и обозначается буквой ро ρ.

Резкое увеличение проводимости в диэлектрике при возрастании напряжения может привести к электрическому пробою. И аналогично, если сопротивление изоляции падает, значит изоляция не справляется со своей задачей и необходимо применять меры. Сопротивление изоляции состоит из поверхностного и объемного сопротивлений.

Под диэлектрическими потерями в диэлектриках понимают потери тока внутри диэлектрика, которые рассеиваются в виде тепла. Для определения этой величины вводят параметр тангенс дельта tgδ. δ — угол, дополняющий до 90 градусов, угол между током и напряжением в цепи с емкостью.

Диэлектрические потери бывают: резонансные, ионизационные, на электропроводность, релаксационные. Теперь подробнее поговорим про каждый тип.

Электрическая прочность это отношение пробивного напряжения к расстоянию между электродами (или толщина диэлектрика). Эта величина определяется минимальной величиной напряженности электрического поля, при которой произойдет пробой.

Пробой может быть электрическим (ударная ионизация, фотоионизация), тепловым (большие диэлектрические потери, следовательно много тепла, и обугливание с оплавлением может произойти) и электрохимическим (в результате образования подвижных ионов).

И в конце таблица диэлектриков, как же без нее.

В таблице выше приведены данные по электрической прочности, удельному объемному сопротивлению и относительной диэлектрической проницаемостью для различных веществ. Также тангенс угла диэлектрических потерь не обошли стороной.

Электропроводность диэлектриков

Электроизоляционные материалы, применяемые в технике, не являются идеальными диэлектриками в связи с присущей им небольшой электропроводностью.

Поляризационные процессы смещения связанных зарядов в диэлектрике протекают во времени до момента установления равновесия и создают токи смещения (токи поляризации). В случае электронной и ионной поляризаций эти токи практически не удается зафиксировать приборами. Токи смещения различных видов замедленной поляризации, наблюдаемые в большинстве технических диэлектриков, называют токами абсорбции. При приложении постоянного напряжения они наблюдаются только при включении и выключении, меняя свое направление

Наличие в технических диэлектриках небольшого числа свободных зарядов приводит к возникновению малых по величине сквозных токов.

Следовательно, в диэлектрике протекают абсорбционный ток (i_абс), обусловленный смещением связанных зарядов, и сквозной ток (i_скв) за счет направленного перемещения свободных носителей зарядов. Ток, протекающий в диэлектрике под действием внешнего электрического поля, называется током утечки (i_ут).

Плотность тока утечки в диэлектриках определяется суммой сквозного тока и тока абсорбции (А/м 2 ):

(9)

На рис.14 приведена зависимость изменения тока утечки в диэлектрике после приложения к нему постоянного напряжения.

Рис. 14. Зависимость тока через диэлектрик от времени

Как следует из рис.14, ток абсорбции изменяется c течением времени (t) по закону затухающей экспоненты. После окончания процессов поляризации через диэлектрик протекает только сквозной ток.

Сопротивление диэлектрика, называемое сопротивлением изоляции R_из, определяется только величиной сквозного тока и определяется по формуле:

(10)

где U – приложенное постоянное напряжение.

Следовательно, для оценки состояния изоляции необходимо измерять ток утечки спустя некоторое время после приложения напряжения, когда закончатся поляризационные процессы и ток абсорбции спадет до нуля. На практике измерение тока утечки производят через одну минуты после приложения к диэлектрику постоянного напряжения, считая, что процессы замедленной поляризации закончились. Следует иметь в виду, что при приложении к диэлектрику переменного электрического поля поляризация будет продолжаться до снятия поля.

Особенностью электропроводности диэлектриков является ее ионный характер (ионы переносят с собой часть вещества).

Для твердых электроизоляционных материалов различают объемную и поверхностную электропроводности и соответственно объемное и поверхностное сопротивления. Объемная электро-проводность обусловлена свойствами самого диэлектрика. Поверхностная же электропроводность обусловлена присутствием на поверхности диэлектрика влаги и различных загрязнений. Поскольку вода отличается значительной электропроводностью, то даже тончайший слой влаги на поверхности диэлектрика приводит к появлению заметной проводимости, определяемой в основном толщиной увлажненного слоя.

Поскольку толщина адсорбированного слоя влаги и его сопротивление связаны с природой материала, на поверхности которого находится этот слой, то поверхностную электропроводность обычно рассматривают как свойство самого диэлектрика. Поверхностная электропроводность тем ниже, чем меньше полярность вещества, чем чище поверхность диэлектрика и чем лучше она отполирована. Наиболее высокими значениями поверхностного сопротивления обладают неполярные диэлектрики, поверхность которых не смачивается водой. Пониженное значение поверхностного сопротивления можно наблюдать у полярных диэлектриков, частично растворимых в воде, у которых на поверхности образуется пленка электролита. Кроме того, к поверхности полярных диэлектриков притягиваются и оседают на ней различные загрязнения.

Адсорбция влаги на поверхности диэлектрика находится в тесной зависимости от относительной влажности окружающего воздуха. Особенно резкое увеличение поверхностной проводимости наблюдается при относительной влажности воздуха, превышающей 70–80% (рис. 15).

Рис. 15. Зависимость удельного поверхностного сопротивления твердого диэлектрика от относительной влажности воздуха: 1 – неполярный; 2 — полярный; 3 – частично растворимый полярный диэлектрик

Для сравнительной оценки различных материалов по их объемной и поверхностной электропроводности, пользуются значениями удельного объемного сопротивления ρ и удельного поверхностного сопротивления ρ_S.

В системе СИ удельное объемное сопротивление ρ численно равно сопротивлению куба с ребром в 1 м, вырезанного реально или мысленно из исследуемого материала, если ток проходит сквозь куб от одной его грани к противоположной. Единица измерения удельного объемного сопротивления Ом·м. Если для измерения берется не куб, а плоский образец материала, то при однородном поле удельное объемное сопротивление рассчитывается по формуле:

(11)

где R — объемное сопротивление образца, Ом; S — площадь электрода, м 2 ; h — толщина образца, м.

Объемное сопротивление образца будет равно:

(12)

Удельное поверхностное сопротивление численно равно сопротивлению квадрата любых размеров, мысленно или реально выделенного на поверхности исследуемого материала, если ток проходит через квадрат от одной его стороны к противоположной. Единица измерения удельного поверхностного сопротивления Ом. Если для измерения берется не квадрат, а прямоугольник, то удельное поверхностное сопротивление в Ом рассчитывается по формуле:

(13)

где R_s — поверхностное сопротивление образца материала, Ом,

d – ширина электродов, l – расстояние между электродами.

Поверхностное сопротивление будет равно:

(14)

По удельному объемному сопротивлению можно определить удельную объемную проводимость:

(15)

Удельная поверхностная проводимость определяется аналогично:

(16)

Удельная поверхностная проводимость измеряется в сименсах (См), а удельная объемная проводимость – См·м -1 .

При длительной работе диэлектрика под напряжением сквозной ток через жидкие и твердые диэлектрики может уменьшаться или увеличиваться. Уменьшение сквозного тока характеризует увеличение сопротивления изоляции за счет электрической очистки образца. Слабо закрепленные ионы примесей даже в слабых электрических полях ионизируются и постепенно осаждаются на электродах.

Увеличение сквозного тока происходит вследствие старения материала, под которым понимают необратимое ухудшение изоляционных свойств (уменьшение сопротивления изоляции), что в конечном итоге, может привести к пробою диэлектрика.

Дата добавления: 2017-01-08 ; просмотров: 4486 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ