Przewodność elektryczna dielektryków jest ważną właściwością fizyczną. Informacje o nim pozwalają zidentyfikować obszary zastosowania materiałów.
Warunki
Zgodnie z przewodnością prądu elektrycznego substancje dzielą się na grupy:
- dielektryki;
- półprzewodniki;
- przewodniki.
Metale są doskonałymi przewodnikami prądu - ich przewodność elektryczna sięga 106-108 (Ohm·m)-1.
A materiały dielektryczne nie są w stanie przewodzić elektryczności, dlatego są używane jako izolatory. Nie posiadają wolnych nośników ładunku, różnią się budową dipolową cząsteczek.
Półprzewodniki to materiały stałe o pośrednich wartościach przewodnictwa.
Klasyfikacja
Wszystkie materiały dielektryczne są podzielone na typy polarne i niepolarne. W izolatorach polarnych centra ładunków dodatnich i ujemnych znajdują się poza środkiem. Cząsteczki takich substancji są podobne pod względem parametrów elektrycznych do sztywnego dipola, który ma swój własny moment dipolowy. Woda może być używana jako dielektryki polarne.amoniak, chlorowodór.
Dielektryki niepolarne wyróżniają się zbieżnością centrów ładunków dodatnich i ujemnych. Są one podobne pod względem właściwości elektrycznych do elastycznego dipola. Przykładami takich izolatorów są wodór, tlen, czterochlorek węgla.
Przewodność elektryczna
Przewodnictwo elektryczne dielektryków tłumaczy się obecnością niewielkiej liczby wolnych elektronów w ich cząsteczkach. Wraz z przemieszczaniem ładunków wewnątrz substancji przez pewien czas obserwuje się stopniowe ustalanie pozycji równowagi, co jest przyczyną pojawienia się prądu. Przewodność elektryczna dielektryków istnieje w momencie wyłączenia i włączenia napięcia. Próbki techniczne izolatorów mają maksymalną liczbę wolnych ładunków, dlatego pojawiają się w nich nieznaczne prądy skrośne.
Przewodność elektryczna dielektryków w przypadku stałej wartości napięcia jest obliczana na podstawie prądu przepływającego. Proces ten polega na uwolnieniu i neutralizacji istniejących ładunków na elektrodach. W przypadku napięcia przemiennego na wartość przewodności czynnej wpływa nie tylko prąd skrośny, ale również składowe czynne prądów polaryzacyjnych.
Właściwości elektryczne dielektryków zależą od gęstości prądu, rezystancji materiału.
Stałe dielektryki
Przewodność elektryczna dielektryków stałych dzieli się na masę i powierzchnię. Aby porównać te parametry dla różnych materiałów, stosuje się wartości objętości właściwej i powierzchni.odporność.
Pełna przewodność jest sumą tych dwóch wartości, jej wartość zależy od wilgotności otoczenia i temperatury otoczenia. W przypadku ciągłej pracy pod napięciem następuje spadek prądu przepływającego przez izolatory płynne i stałe.
A w przypadku wzrostu prądu po pewnym czasie możemy mówić o tym, że wewnątrz substancji zachodzą nieodwracalne procesy, prowadzące do zniszczenia (rozpadu dielektryka).
Cechy stanu gazowego
Dielektryki gazowe mają znikomą przewodność elektryczną, jeśli natężenie pola przybiera wartości minimalne. Wystąpienie prądu w substancjach gazowych jest możliwe tylko wtedy, gdy zawierają one wolne elektrony lub naładowane jony.
Dielektryki gazowe są wysokiej jakości izolatorami, dlatego są stosowane w nowoczesnej elektronice w dużych ilościach. Jonizacja w takich substancjach jest spowodowana czynnikami zewnętrznymi.
Ze względu na zderzenia jonów gazu, a także pod wpływem ekspozycji termicznej, ultrafioletowej lub rentgenowskiej obserwuje się również proces powstawania obojętnych cząsteczek (rekombinacji). Dzięki temu procesowi ogranicza się wzrost liczby jonów w gazie, w krótkim czasie po ekspozycji na zewnętrzne źródło jonizacji ustala się pewna koncentracja naładowanych cząstek.
W procesie zwiększania napięcia przyłożonego do gazu, ruch jonów do elektrod wzrasta. Oni nie sąmają czas na rekombinację, więc są rozładowywane na elektrodach. Przy kolejnym wzroście napięcia prąd nie wzrasta, nazywa się to prądem nasycenia.
Biorąc pod uwagę niepolarne dielektryki, zauważamy, że powietrze jest doskonałym izolatorem.
Płynne dielektryki
Przewodnictwo elektryczne ciekłych dielektryków jest wyjaśnione przez specyfikę struktury cząsteczek cieczy. Rozpuszczalniki niepolarne zawierają zdysocjowane zanieczyszczenia, w tym wilgoć. W molekułach polarnych przewodnictwo prądu elektrycznego tłumaczy się również procesem rozpadu na jony samej cieczy.
W tym stanie agregacji prąd jest również powodowany przez ruch cząstek koloidalnych. Ze względu na niemożność całkowitego usunięcia zanieczyszczeń z takiego dielektryka pojawiają się problemy z otrzymaniem cieczy o niskiej przewodności prądowej.
Wszystkie rodzaje izolacji wiążą się z poszukiwaniem opcji zmniejszenia przewodności właściwej dielektryków. Na przykład zanieczyszczenia są usuwane, wskaźnik temperatury jest regulowany. Wzrost temperatury powoduje spadek lepkości, wzrost ruchliwości jonów oraz wzrost stopnia dysocjacji termicznej. Czynniki te wpływają na przewodnictwo materiałów dielektrycznych.
Przewodność elektryczna ciał stałych
Wyjaśnia to ruch nie tylko jonów samego izolatora, ale także naładowanych cząstek zanieczyszczeń zawartych w materiale stałym. Podczas przechodzenia przez stały izolator następuje częściowe usuwanie zanieczyszczeń, które stopniowowpływa na przewodnictwo. Biorąc pod uwagę cechy strukturalne sieci krystalicznej, ruch naładowanych cząstek wynika z fluktuacji ruchu termicznego.
W niskich temperaturach poruszają się dodatnie i ujemne jony zanieczyszczeń. Tego typu izolacje są typowe dla substancji o molekularnej i atomowej strukturze krystalicznej.
W przypadku kryształów anizotropowych wartość przewodnictwa właściwego zmienia się w zależności od ich osi. Na przykład w kwarcu w kierunku równoległym do osi głównej przekracza on pozycję prostopadłą 1000 razy.
W litych porowatych dielektrykach, gdzie praktycznie nie ma wilgoci, niewielki wzrost rezystancji elektrycznej prowadzi do wzrostu ich rezystancji elektrycznej. Substancje zawierające zanieczyszczenia rozpuszczalne w wodzie wykazują znaczny spadek oporu objętościowego na skutek zmian wilgotności.
Polaryzacja dielektryków
Zjawisko to jest związane ze zmianą położenia cząstek izolatora w przestrzeni, co prowadzi do przejęcia pewnego momentu elektrycznego (indukowanego) przez każdą makroskopową objętość dielektryka.
Pod wpływem pola zewnętrznego występuje polaryzacja. Wyróżniają również spontaniczną wersję polaryzacji, która pojawia się nawet przy braku pola zewnętrznego.
Przenikalność względna charakteryzuje się:
- pojemność kondensatora z tym dielektrykiem;
- jego wielkość w próżni.
Procesowi temu towarzyszy pojawienie siępowierzchnia dielektryka związanych ładunków, które zmniejszają napięcie wewnątrz substancji.
W przypadku całkowitego braku pola zewnętrznego, oddzielny element objętości dielektrycznej nie ma momentu elektrycznego, ponieważ suma wszystkich ładunków wynosi zero i występuje zbieżność ładunków ujemnych i dodatnich w spacja.
Opcje polaryzacji
Podczas polaryzacji elektronów następuje przesunięcie pod wpływem zewnętrznego pola powłok elektronowych atomu. W wariancie jonowym obserwuje się przesunięcie miejsc sieci. Polaryzacja dipolowa charakteryzuje się stratami w celu przezwyciężenia tarcia wewnętrznego i sił wiążących. Strukturalna wersja polaryzacji jest uważana za najwolniejszy proces, charakteryzuje się orientacją niejednorodnych zanieczyszczeń makroskopowych.
Wniosek
Materiały elektroizolacyjne to substancje, które pozwalają uzyskać niezawodną izolację niektórych elementów sprzętu elektrycznego pod pewnymi potencjałami elektrycznymi. W porównaniu z przewodami prądowymi wiele izolatorów ma znacznie wyższą rezystancję elektryczną. Są w stanie tworzyć silne pola elektryczne i akumulować dodatkową energię. To właśnie ta właściwość izolatorów jest wykorzystywana w nowoczesnych kondensatorach.
W zależności od składu chemicznego dzieli się je na materiały naturalne i syntetyczne. Druga grupa jest najliczniejsza, dlatego to właśnie te izolatory są używane w różnych urządzeniach elektrycznych.
W zależności od właściwości technologicznych, struktury, składu, folii, izolatory ceramiczne, woskowe, mineralne są izolowane.
Po osiągnięciu napięcia przebicia obserwuje się przebicie, co prowadzi do gwałtownego wzrostu wartości prądu elektrycznego. Wśród charakterystycznych cech tego zjawiska można wyróżnić niewielką zależność wytrzymałości od naprężeń oraz temperatury, grubości.
