.Влияние температуры и частоты на поляризацию

К основным внешним факторам, влияющим на поляризацию диэлектриков, относятся температура и частота электрического поля. На рисунке 37 показаны общие закономерности влияния указанных факторов на поляризацию для групп материалов с различными механизмами поляризации. Для конкретных материалов эти зависимости могут отличаться от приведенных на рисунке 37.

П ри низких температурах подвижность частиц и молекул в диэлектриках мала, а силы молекулярного взаимодействия достаточно велики. С увеличением температуры увеличивается подвижность частиц, уменьшается энергия взаимодействия между ними и увеличивается ориентация под действием внешнего поля, поэтому с повышением температуры ε_r у большинства твердых диэлектриков увеличивается (рисунок 37,а), кроме неполярных диэлектриков: у них ε_r уменьшается. У неполярных диэлектриков количество поляризованных частиц с повышением температуры остается неизменным, а объем увеличивается. Поляризованность Р=уменьшается, что и объясняет показанную зависимость. Изменение диэлектрической проницаемости при повышении температуры характеризуется температурным коэффициентом диэлектрической проницаемости ТКε_r= ^оК^-1. Для неполярных диэлектриков его значения отрицательны. Значения ТКε_r лежат в интервале 10^-3…10^{-6 о}К^-1 и приводятся в справочниках.

Изменение направления смещения диполей в материале диэлектрика связано с изменением направления электрического поля, т.е. с частотой поля. При малых частотах питающего напряжения частицы успевают «следить» за изменением поля, смещаясь с его частотой. При упругих видах поляризации, имеющих малое время установления поляризации, ε_r практически не зависит от частоты приложенного напряжения до частот порядка 10¹²…10¹⁵ Гц (рисунок 37, б).

При неупругих, релаксационных видах поляризации, время установления поляризации относительно велико. Если время релаксации τ больше времени половины периода частоты электрического поля, то электрические моменты смещенных частиц не успевают ориентироваться в электрическом поле, и ε_r уменьшается (рисунок 37,б). С увеличением частоты сначала исчезает миграционная, затем дипольная поляризация, а при очень высоких частотах (гигагерцы) – и ионная.

Замечание: Полярность диэлектрика определяет его пригодность при использовании в различных условиях. Реально нет неполярных диэлектриков. То, что практически считаем неполярными диэлектриками, на самом деле являются слабо полярными, так как в них всегда имеются определенное количество различных примесей, и, следовательно, имеются и другие виды поляризации, и связанные с ними рассеяния энергии.

10.3. Электропроводность диэлектриков. Виды электропроводности

Электропроводность диэлектриков связана с наличием в них свободных носителей. В отличие от металлов, в диэлектриках электропроводность может быть трех видов: электронная, ионная и молионная; определяется концентрацией носителей и их подвижностью в соответствии с известным соотношением: σ =е*n*μ.

Электронная электропроводность характеризуется перемещением свободных электронов, дырок (электронных вакансий) и поляронов в диэлектрике под действием электрического поля. Свободные носители заряда образуются в диэлектрике при различных энергетических воздействиях на него: при нагревании, воздействии света, радиации, инжекции зарядов в сильных электрических полях в диэлектрик из металлических электродов, ударной ионизации и другие. Приобретаемой носителями заряда дополнительной энергии активации достаточно для преодоления запрещенной зоны и перехода в зону проводимости.

Свободные электроны в диэлектрике поляризуют небольшую область окружающего их диэлектрика. Электрон, окруженный поляризованной областью, называется поляроном. Поляроны перемещаются вместе с электронами. Отметим, что электронная составляющая электропроводности в диэлектриках мала, так как мало количество свободных носителей; при ней отсутствует перенос вещества.

Ионная электропроводность связана с перемещением собственных и примесных ионов через структурные дефекты диэлектрика: вакансии, границы зерен, микропоры. Она является основным видом электропроводности в диэлектриках, и связана с переносом вещества. И только в некоторых материалах при определенных условиях наблюдается смешанная ионно-электронная проводимость: например в слюде при t>500^оС, в титановой керамике и других.

Молионная электропроводность представляет движение заряженных коллоидных частиц вещества, называемых молионами. Наблюдается в коллоидных системах: лаках, эмалях, суспензиях, эмульсиях, происходит без электролитической диссоциации и не связана с образованием новых веществ.

Электропроводность твердых диэлектриков обуславливается движением носителей как через объем диэлектрика – называется объемной электропроводностью σ_v, так и по поверхности – поверхностная электропроводностью σ_s. Поверхностная электропроводность твердых тел при прочих равных условиях обусловлена присутствием влаги на поверхности диэлектрика.

Вода обладает значительной удельной проводимостью: ρ_v = 10³…10⁵ Ом*м и большой ε_r =80. При тончайшем слое влаги на поверхности диэлектрика обнаруживается его заметная проводимость, зависящие от толщины слоя влаги. Но адсорбция влаги на поверхности связана с природой материала диэлектрика, состоянием его поверхности. Поэтому удельное поверхностное сопротивление рассматривают как свойство самого диэлектрика. Заметное влияние на удельное поверхностное сопротивление ρ_s диэлектрика обнаруживается при относительной влажности воздуха, превышающей 50…60%. Удельное поверхностное сопротивление тем выше, чем меньше полярность вещества и чем чище поверхность диэлектрика.

Параметры электропроводности диэлектриков и их зависимости.

Электропроводность диэлектриков характеризуют: удельной объемной σ_v и поверхностной σ_s проводимостью, или удельным объемным ρ_v и поверхностным ρ_s сопротивлением. Принято, что удельное объемное сопротивление ρ_v численно равно сопротивлению куба R_v с ребром h=1 м, если ток проходит через две противоположные грани этого куба: ρ_v=R_V*S/h, где R_V – объемное сопротивление, Ом; S – площадь электрода (грани куба), м²; размерность ρ_v –(Ом*м), а удельной проводимости σ_v – См/м.

Удельное поверхностное сопротивление ρ_s численно равно сопротивлению квадрата R_s выделенного на поверхности материала, если ток течет через две противоположные стороны квадрата: ρ_v=R_S*d/l, где R_S – поверхностное сопротивление образца материала между параллельно поставленными электродами шириной d, отстоящими друг от друга на расстояние l. Размерность ρ_s –(Ом), а удельной проводимости σ_s –См.

Если к диэлектрику приложить постоянное напряжение, то через него потечет ток I, который представляет сумму сквозного тока утечки I_cк и тока абсорбции I_абс (тока смещения, возникающего вследствие неупругой поляризации): I=I_ут + I_абс. На рисунке 38 показан характер изменения тока в диэлектрике во времени при включении. Заметим, что токи смещения при упругой поляризации очень кратковременны и их трудно зарегистрировать. Токи смещения при различных видах неупругих поляризаций наблюдаются у многих технических диэлектриков, и протекают при постоянном напряжении только в момент включения и выключения; при переменном напряжении они имеют место в течение всего времени нахождения материала в электрическом поле.

Ток абсорбции по мере установления поляризации постепенно спадает, и через диэлектрик устанавливается мало изменяющийся во времени сквозной ток утечки I_ут, который определяется в основном электронной электропроводностью. Значение сопротивления при этом определяет сопротивление изоляции R_из и может быть определено из закона Ома: R_из=U/I_ут, причем I_ут измеряют через 1 минуту после подачи напряжения на образец, когда поляризационные токи I_aбс спадут.

Сопротивление изоляции можно определить по формуле R_из=.

Любые факторы, влияющие на концентрацию свободных носителей и их подвижность, влияют и на электропроводность диэлектриков. Основными из влияющих факторов является температура, напряженность электрического поля, время нахождения изоляции под напряжением, влажность материала.

При повышении температуры возрастает подвижность ионов и уменьшается вязкость материала. Носители заряда приобретают дополнительную энергию (энергию активации). Поэтому в слабых электрических полях удельная электрическая проводимость большинства твердых диэлектриков сильно зависит от температуры и описывается экспоненциальной зависимостью

σ_v = A*exp(-W/kT),

где А – постоянная для данного материала, зависящая от температуры; W – энергия активации носителей заряда (собственных и примесных ионов); k – постоянная Больцмана; Т – термодинамическая температура.

Экспоненциальное повышение удельной проводимости с увеличением температуры вызывается, прежде всего, повышением концентрации свободных носителей заряда, которая также описывается экспоненциальной зависимостью. Влияние возрастания концентрации носителей заряда в твердых диэлектриках при повышении температуры может подавляться уменьшением подвижности при повышении температуры, как это наблюдается при преобладающем рассеянии на тепловых колебаниях решетки. Можно сказать, что возрастание удельной электропроводности диэлектрика с повышением температуры происходит за счет повышения концентрации свободных носителей, при некотором уменьшении σ от возможного за счет теплового рассеяния на решетке.

В сильных электрических полях проводимость диэлектрика перестает следовать закону Ома, рисунок 39. Зависимость а) характерна для загрязненных диэлектриков, в которых с увеличением напряженности поля Е возрастает количество носителей заряда, а также для чистых ионных кристаллов, у которых в полях высокой напряженности появляется электронная проводимость. Зависимость б) характерна для не ионных диэлектриков высокой чистоты, у которых число носителей заряда ограничено.

На электропроводность диэлектриков сильное влияние оказывает влага. Вода сама диссоциирует на ионы, в ней растворяются частицы примесей, имеющиеся в диэлектрике: соли, остатки катализаторов, кислот, щелочей и т. п. Влага с растворенными ионогенными примесями проникает в поры микротрещины, впитывается капиллярами, распределяется по границам раздела в слоистых диэлектриках. Поэтому увлажнение сильно уменьшает удельное объемное электрическое сопротивление диэлектрика. Например, в пористых диэлектриках (текстолит, мрамор и другие.) с увеличением относительной влажности воздуха от нуля до 70% удельное объемное сопротивление ρ_v снижается от 10¹² до 10⁶ Ом*м.

Для уменьшения влагопоглощения и влагопроницаемости пористые изоляционные материалы пропитывают лаками или компаундами, покрывают глазурью. Пропитка уменьшает вредное влияние влаги на эксплуатационные параметры изоляции. Отметим, что процесс уменьшения ρ изоляции имеет обратимый характер: после сушки поглощенная влага удаляется, и удельное сопротивления возрастает до исходного значения.

Присутствие влаги в виде адсорбированной пленки на поверхности диэлектриков, смачиваемых водой –гидрофильных (угол смачивания у них меньше 90^о), частично растворимых в ней или имеющих пористую структуру, резко повышает поверхностную электрическую проводимость σ_s (рисунок 40, кривые 2, 3). Поверхностный сквозной ток при этом может даже превысить объемный сквозной ток, и вызвать нагрев поверхности до температуры выше 100^оС.

Не смачиваемые водой диэлектрики –гидрофобные (полистирол, фторпласт-4, парафин) и полярные смачиваемые, но нерастворимые диэлектрики (церезин, слюда, некоторые виды керамик) изменяют свое поверхностное сопротивление незначительно.

Загрязнение поверхности диэлектрика пылью, жировыми пленками облегчает конденсацию влаги на ней и уменьшает ρ_s, особенно у полярных веществ. Например, ρ_s у плавленого кварца в воздухе с относительной влажностью 70% после очистки поверхности имеет ρ_s = 10¹³ Ом, а при неочищенной – ρ_s ~ 10⁸ Ом.

Для защиты от действия поверхностной влаги диэлектрик покрывают специальными покровными лаками и герметиками.