Лекция 1.3.3. Электропроводность диэлектриков

Абсолютно чистый диэлектрик с идеальной структурой был бы идеальным изолятором, т.е. совсем не проводил бы электрический ток. В реальных же диэлектриках всегда содержатся примеси, их структура имеет дефекты, они подвергаются внешним воздействиям. Вследствие этого все диэлектрики содержат небольшое количество подвижных зарядов, а значит в той или иной степени проводят электрический ток. Свободными зарядами, которые перемещаются в электрическом поле и обуславливают электропроводность, могут быть ионы (положительные и отрицательные), электроны, структурные дефекты вакансии или дырки. Электропроводность определяется концентрацией этих носителей в соответствии с соотношением:

, (32)

где γ – проводимость, n – концентрация носителей , g – величина заряда носителей, µ– их подвижность.

На концентрацию подвижных зарядов оказывают влияние: состав материала, температура среды, облучение материала светом или частицами высоких энергий и другие внешние воздействия.

Концентрация подвижных носителей заряда в полярных материалах, как правило, выше, чем в неполярных. Связано это с тем, что полярные материалы труднее поддаются очистке, вследствие чего в них больше примесей. Наличие легко ионизируемых примесей, а так же дефектов кристаллического строения, увеличивают число свободных зарядов в материале и увеличивают его проводимость.

Рисунок 9 - Зависимость электрической проводимости γ от температуры T.

Нагрев вещества также приводит к росту проводимости. На рис. 9. приведена температурная зависимость электрической проводимости γ. В первом приближении она описывается экспоненциальной функцией:

, (33)

где Е_а – энергия активации электропроводности, к- постоянная Больцмана, Т – абсолютная температура, γ_о–постоянный параметр.

Рисунок 10 - Зависимость электрической проводимости γ от напряженности поля E.

Такая зависимость обусловлена увеличением концентрации заряженных частиц за счет теплового возбуждения или активации.

Электрическая проводимость диэлектриков зависит и от напряженности электрического поля. На рис.10. при­ведены два характерных графика изменения плотности тока J от напряженности поля E. На первом графике сначала величина плотности тока пропорциональна приложенной напряженности электрического поля. Это участок линейной зависимоcти тока от напряженности поля и соответствует закону Ома:

(34)

с постоянным значением проводимости γ. Далее величина тока отклоняется вверх относительно линейной зависимости, т.е. величина проводимости материала растет, и значит на данном участке происходит увеличение концентрации подвижных носителей заряда. Такой график зависимости характерен для ионных, полярных диэлектриков, и материалов содержащих примеси. При значительной напряженности электрического поля в них происходит ионизация примесных или собственных атомов, что и приводит к увеличению концентрации подвижных носителей.

На втором графике величина тока отклоняется вниз и перестает увеличиваться, наблюдается насыщение тока. Такой график зависимости характерен для неполярных диэлектриков высокой чистоты. В этих материалах число носителей заряда ничтожно. Поэтому с ростом напряженности поля ток перестает увеличиваться, когда все имеющиеся носители оказываются задействованы в процессе переноса заряда.