5. 1. 3. Электретный эффект

Если, например, полярный диэлектрик поместить в электрическое постоянное поле и одновременно нагреть, то диполи максимально развернуться вдоль силовых линий поля. Если затем в поле охладить диэлектрик до комнатной температуры, то на его поверхности после снятия поля может довольно длительно сохраняться электрический заряд рис. 5. 8.

Рис. 5. 8

Такой диэлектрик называется электретом и может служить источником статического электричества.

Вопросы для самопроверки

1. На какие группы делятся все материалы по отношению к электрическому полю?

2. Приведите основные особенности поведения каждой группы материалов в электрическом поле.

3. Какими основными параметрами характеризуются диэлектрики?

4. Что собой представляет явление поляризации в электрическом поле?

5. Какими параметрами характеризуется поляризация?

6. Какие Вы знаете виды поляризации и в каких диэлектриках они проявляются?

7. Приведите особенности каждого из трех типов поляризации.

8. В каких элементах, устройствах проявляется и используется явление поляризации?

9. В чем заключается электретный эффект в диэлектриках?

5. 2. Электропроводность диэлектриков

Электропроводность материала – это способность пропускать через себя электрический ток за счет свободных или почти свободных заряженных частиц. Электропроводность определяется электрическим сопротивлением (ρ) и является его обратной величиной. В твердых диэлектриках ток может проходить как по их объему, так и по поверхности, поэтому различают удельную объемную проводимость γ_V и удельную поверхностную проводимость γ_S, а следовательно объемное удельное сопротивление ρ_V и поверхностное удельное сопротивление ρ_S, причем их соотношения:

; . (5. 9)

За удельное объемное сопротивление материала принимается сопротивление (R_V) куба этого материала со стороной, равной метру, когда к противоположным граням его приложено напряжение (рис. 5. 9)

Ом·м, (5. 10)

где S – площадь электрода, к которому приложено напряжение;

l – расстояние между электродами.

Рис. 5. 9

За удельное поверхностное сопротивление диэлектрика принимается сопротивление (R_S) квадрата его поверхности с любой стороной, когда к противоположным сторонам его приложено напряжение (рис. 5. 10)

Ом, (5. 11)

где b – длина одного электрода, соприкасающегося с поверхностью;

l – расстояние между электродами.

Рис. 5. 10

Полное сопротивление диэлектрика складывается из его объемного и поверхностного сопротивлений, соединенных параллельно

Ом. (5. 12)

Рассмотрим электропроводность как количество заряженных частиц, способных к перемещению. Для любого материала, к которому приложено электрическое напряжение, удельная электропроводность зависит от наличия заряженных частиц (электронов, ионов), от их количества, от их способности к перемещению, т. е. подвижности.

Обозначим заряд частицы через q, Кл; количество заряженных частиц, приходящихся на 1 м , через N, 1/м³ ; подвижность частиц - u через их скорость v, м/с, а поле, напряженностью 1 В/м, т.е. , тогда по­лучим формулу для электропроводности:

(5. 13)

Подставим единицы измерения для каждого члена формулы:

(5. 14)

Для диэлектриков удельное сопротивление очень велико (ρ ≈ 10³..10¹⁶ Ом·м), и электропроводность, а следовательно и токи утечки — малы. Поэтому диэлектрики служат для изоляции, для накопления за­ряда (конденсаторы) и для других подобных целей.

Различают несколько видов электропроводности в зависимости, от вида заряженных частиц, осуществляющих её:

а) электронная – носители электроны;

б) ионная (или электролитическая) – носители ионы;

в) молионная (или электрофоретическая) – носители группы молекул;

г) смешанная – носители разные (электроны, ионы, молионы).

Рассмотрим энергетическую диаграмму диэлектриков, чтобы проследить какие внешние воздействия влияют на электропроводность (рис. 5. 11).

Рис. 5. 11

Внизу находится валентная зона (ВЗ), заполненная валентными электронами, выше разположена зона запрещенных энергий, где нет энергетических уровней (ЗЗ), её величина - Wg (в эВ); вверху находится зона проводимости (ЗП). Если в эту зону попадает электрон, он становится свободным и может участвовать в переносе заряда.

Ширина запрещенной зоны у диэлектриков велика, т.е. Wg ≥ 3 эВ, поэто­му диэлектрики имеют большое сопротивление. Если же диэлектрик имеет в своем составе легкопроводящние примеси (ионы), то сопротивление за их счет снижается, возрастают токи утечки. Когда диэлектрик нагревается, возможность перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости возрастает, увеличивается диссоциация ионов, несколько растет и подвижность заряженных частиц. Поэтому электропроводность, увеличивается, это увеличение идет по закону экспоненты (рис. 5. 12) Формула для электропроводности при температуре Т:

(5. 15)

где А – постоянная для данного диэлектрика, Ом^-1;

е – основание натурального логарифма: ,

k – постоянная Больцмана, 1,38·10^-23 Вт/град;

Т - абсолютная температура, К;

W_t - термическая энергия активации, эВ.

Рис. 5. 12 Рис. 5. 13

Поверхностная электропроводность γ_S сильно зависит от влажности и от способности диэлектрика смачиваться или не смачиваться влагой. Гидрофобные диэлектрики (несмачиваюшиеся) слабо изменяют γ_S от влажности среды, а гидрофильные (смачиваемые) довольно сильно. На рис. 5.13 приведены зависимости γ_S от процентного содержания влаги в окружающей среде для фторопласта -4 (1) – гидрофобного, и плавленного кварца (2) – гидрофильного.

В слабом электрическом поле для диэлектриков соблюдается закон Ома, т.е. их электропроводность постоянна (γ₀). Но в сильных полях ( > 10⁶ В/м) перестает действовать закон Ома и действует (рис. 5.14) закон Пуля (зависимость построена в полулогарифмическом натуральном масштабе)

, (5. 16)

где γ₀ – электропроводность в слабом поле;

α – коэффициент материала (обычно 1 <α <2);

Е – напряженность в области сильных полей.

Рис. 5. 14

Обычно в справочных таблицах приводится два удельных сопротивления диэлектрика – объёмное p_v и поверхностное p_s.

Для газов р – велико, но при достижении поля выше ионизационного потенциала сопротивление резко падает. Воздух имеет р ≈ 10¹⁶ Ом·м при нормальных условиях.

Сопротивление жидкостей зависит от присутствия в них примесей, воды. Чистое трансформаторное масло имеет – p ≈ 10¹²…10¹³ Ом·м; вода (дистиллированная) — р ≈ 10⁴... 10⁵ Ом·м (вода сильно полярный диэлектрик). Твердые нейтральные диэлектрики, например, полистирол имеет р ≈ 10¹⁴...10¹⁶Ом·м; полярные – оргстекло, винипласт р ≈ 10¹²... 10¹³ Ом·м.

Вопросы для самоконтроля

1. Что такое электропроводность материала?

2. Какие необходимы условия, чтобы в диэлектрике возник ток?

3. Приведите основные формулы для удельного объёмного и поверх­ностного сопротивлений.

4. От каких факторов зависит электропроводность диэлектриков?

5. Какие виды носителей заряда и какие виды электропроводности диэлектриков Вы знаете?

6. Каким образом зависит электропроводность от температуры диэлектрика?

7. Как ведет себя электропроводность в слабых и в сильных электрических полях?

8. Как ведет себя поверхностная электропроводность гидрофобных и гидрофильных диэлектриков от процентного содержания в них влаги?