Чем обусловлен сквозной ток диэлектрика

Лекции по курсу Электротехнические материалы

Общие представления об электропроводности диэлектриков

Сквозной ток — I с к в (ток утечки) протекает по диэлектрику под воздействием постоянного напряжения — обусловлен наличием в диэлектриках свободных носителей заряда различной природы.

Зависимость тока от времени приложения постоянного напряжения

В момент включения постоянного электрического поля через диэлектрик электрического конденсатора протекает ток смещения — I_см , обусловленный быстрыми видами поляризаций.

В неполярных однородных диэлектриках затем устанавливается ток сквозной проводимости — I_скв .

В полярных и неоднородных диэлектриках протекает также ток абсорбции — I_абс , вызываемый активными составляющими токов, связанных с установлением замедленных (релаксационных) поляризаций. Во многих диэлектриках, используемых в качестве электрической изоляции, I_абс устанавливается за время меньше 1 мин .

Изменение тока через неполярный диэлектрик в зависимости от времени подключения постоянного напряжения показано на рисунке.

Токи абсорбции

Токи абсорбции могут устанавливаться в диэлектрике 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 установления тока абсорбции через диэлектрик будет протекать только ток сквозной проводимости.

При расчете сопротивления изоляции на постоянном напряжении необходимо расчет вести по току сквозной проводимости I_скв , исключая токи абсорбции .

Посмотрите как изменяется ток в зависимости от времени приложения постоянного напряжения к диэлектрику, в котором возникают токи абсорбции.

Механизмы возникновения и уменьшения тока абсорбции I_абс

При ионной проводимости наличие блокирующих контактов (БК) с электродами.

Блокирующие контакты препятствуют прохождению носителей заряда через границу электрод-диэлектрик или разряда носителей, подходящих из объема на границе с электродом.

Зонная теория проводников

В случае если зоны соседних энергетических уровней перекрываются или верхняя зона не полностью заполнена электронами, то им легко переходить на более высокие уровни и достаточно даже небольшого напряжения, чтобы возник электрический ток. Такие материалы называются металлами. Их проводимость обычно составляет . График пересечения валентной зоны и зоны проводимости в металлах показан на рисунке 3.

Рисунок 3. График расщепления энергетических уровней в металлах

На примере металлов легко ввести понятие электронного газа и распределения электронов по энергетическим уровням. В металлах электроны принадлежат не отдельным атомам, а всему материалу в целом и могут свободно перемещаться по всему объему металла. Совокупность электронов в твердом теле в статистической физике принято рассматривать как «электронный газ» — систему, состоящую из большого числа частиц. Эта система описывается функцией плотности заполнения энергетических состояний частицами F(W). Если число частиц в системе равно N, а число возможных состояний Z, то функция плотности заполнения энергетических состояний определяется следующим образом:

, (1)

Плотность заполнения энергетических уровней электронами зависит от температуры вещества. При T=0°K заполнены будут уровни с самой низкой энергией. При повышении температуры часть электронов займет более высокий энергетический уровень (начнет подобно молекулам газа хаотически перемещаться по металлу). Плотность заполнения энергетических уровней электронами описывается функцией Ферми-Дирака

, (2)

При температуре абсолютного нуля все электроны постараются занять наименьший возможный энергетический уровень. Поэтому функция будет выглядеть подобно прямоугольнику, а максимальный энергетический уровень, занятый электронами получил название уровня Ферми. На рисунке 4 приведены кривые Ферми-Дирака при двух разных температурах: температуре абсолютного нуля и комнатной температуре.

Рисунок 4. Плотность распределения электронов по энергетическим уровням в металле

Плотность заполнения энергетических уровней электронами и энергетические уровни в слившихся валентной зоне и зоне проводимости металла на одном графике приведены на рисунке 5

Рисунок 5. Функция Ферми-Дирака и зона проводимости для металла

Как видно из этого рисунка, даже небольшого напряжения, приложенного к проводнику, достаточно, чтобы по нему начал протекать ток. При этом положительно заряженные ионы остаются привязанными к кристаллической решетке металла и в формировании электрического тока не участвуют.

Диэлектрики

Диэлектрики имеют полностью заполненную валентную зону и большую ширину запрещенной зоны. Электроны валентной зоны, даже при сильном возбуждении атомов (нагрев, облучение и т.д.), не способны преодолеть запрещенную зону и перейти в зону проводимости.

К диэлектрикам относятся твердые вещества с ковалентной (алмаз, кварц) или ионным типом связи (оксиды MgO, Al₂ O₃ , TiO₂ , соли NaCl, CaF₂ и т.д.). Для ионных кристаллов ширина запрещенной зоны превышает DE> 6 эВ. В молекулярных кристаллах энергетические уровни локализованы в пределах молекул и энергетические зоны не возникают, поэтому такие вещества — диэлектрики.

Ток смещения в диэлектрике

По определению вектора электрической индукции ($overrightarrow$):

где $_0$ — электрическая постоянная, $overrightarrow$ — вектор напряженность, $overrightarrow

$ — вектор поляризации. Следовательно, ток смещения можно записать как:

где величина $frac>$ — плотность тока поляризации. Токи поляризации — токи, которые вызваны движением связанных зарядов, которые принципиально не отличаются от свободных зарядов. Поэтому нет ни чего странного, что токи поляризации порождают магнитное поле. Принципиальная новизна содержится в утверждении, что вторая часть тока смещения ($_0frac>$), не связанная с движением зарядов, также порождает магнитное поле. Получается, что в вакууме, любое изменение электрического поля по времени вызывает магнитное поле.

Однако, надо заметить, что сам термин «ток смещения» для диэлектриков имеет какое-то обоснование, так как в них действительно происходит смещение зарядов в атомах и молекулах. Но этот термин применяется и к вакууму, где зарядов нет, значит, нет их смещения.

Что такое ток

Ускорение, которое заряды получают под действием сил электрического поля, изменяет скорости беспорядочного теплового движения заряженных частиц так, что они перемещаются в направлении поля.

Электрический ток в металлах образуется направленным движением имеющихся в них свободных электронов. Для образования в проводнике электрического тока необходимо создать и поддерживать в цепи действие электрического поля, другими словами, надо создать в цепи разность потенциалов или приложить к ней напряжение.

Разность потенциалов в электрической цепи создается путем разделения зарядов и образования в определенных точках ее избытка или, наоборот, недостатка зарядов того или другого знака. Разделение зарядов происходит в устройстве, которое называется генератором напряжения.

Разделение зарядов производится с помощью внешних сил, действующих против кулоновских сил, связывающих разноименные заряды, имеющиеся в проводниках внутри самого генератора. Работа по разделению зарядов производится за счет внешних источников энергии, которые могут быть различной природы: физической, химической и даже биологической.

На рис. 2, а схематически показана цепь, содержащая генератор напряжения Г. При работе генератора и при разомкнутой внешней цепи между полюсами или выводами генератора образуется электрическое поле и создается разность потенциалов. Если замкнуть полюса проводником R (рис. 2, б), то имеющиеся в цепи свободные электроны под действием поля будут двигаться, как показано стрелками.

Величину, равную разности потенциалов, создаваемой на полюсах генератора при разомкнутой внешней цепи, называют электродвижущей силой (э. д. с.) генератора. При замкнутой внешней цепи разность потенциалов, или напряжение U, на полюсах генератора равняется разности между электродвижущей силой Е и падением напряжения Ir на внутреннем сопротивлении r генератора (закон Ома для полной цепи):

U= Е — Ir.

Электродвижущая сила, разность потенциалов, или напряжение, в системе СИ, как указывалось, измеряется в вольтах. Для примера укажем, что э. д. с. аккумулятора составляет 1—2 в, сухой гальванической батареи — 60—80 в. Напряжение осветительной сети 127 или 220 е. В медицине прихо диться встречаться также с малыми напряжениями, измеряемыми в милли-вольтах (1 мл=10 -3 в) и микровольтах (1мкв =10 -6 в).

Классификация тока

Подразделяются на несколько типов к наиболее применимым считают:

1. Переменный ток — это ток который распространяется в проводнике с переменной частотой.
2. Постоянный ток — это ток который не меняется в направлении и частоте.
3. Периодический ток — это электрический ток, мгновенные значения которого повторяются через равные интервалы времени в неизменной последовательности.
4. Ток высокой частоты — это ток который распространяется с очень высокой частотой, порождая новые физические явления (излучение и скин-эффект), для расчетов таких токов используют спец аппаратуру так как практически все во круг металлическое становиться приемником электрического тока.
5. Наведенные токи в проводнике (вихревые) — это токи которые распространяются независимо от главного источника, пример в сети переменного тока 50 Гц, в результате работы индукционных приборов (печь).
6. Пульсирующий ток — это периодический электрический ток, среднее значение которого за период отлично от нуля, примером служит выпрямленный диодом напряжение который продается к источнику потребления (импульсный блок питания).

Движение электронов в металлах

Движение зарядов под действием сил электрического поля начинается сразу по всей цепи (скорость распространения электрического поля вдоль всей цепи близка к скорости света). Однако скорость движения зарядов в самих проводниках невелика и зависит от их природы. В металлах движение электронов тормозится столкновениями их с положительными ионами, расположенными в узлах пространственной решетки, которые находятся только в тепловом колебательном движении около среднего положения (рис. 3).

При столкновениях электроны теряют скорость, приобретенную под действием сил поля. Средняя скорость поступательного движения их уменьшается, а кинетическая энергия передается ионами и усиливает их тепловое движение (проводник нагревается). Это явление характеризуется как сопротивление проводника электрическому току.

Средняя скорость перемещения электронов под действием поля прямо пропорциональна напряженности поля и при напряженности, равной 1 в/см, имеет порядок 0,05 см/сек. Для сравнения укажем, что в вакууме, где никаких столкновений не проис ходит, скорость электронов при на пряженности поля 1 в/см имеет порядок 10 5 —10 6 см/сек.

Направление тока (сила тока что это)

Поскольку исторически за направление тока в цепи было принято направление, в котором двигаются положительные заряды, например положительные ионы в растворе электролита, направление движения электронов в металлических проводниках является обратным тому направлению, которое условно принимается за направление тока (стрелка на рис. 2, б).

Сила тока -это физическая величина которая равна отношению количества заряда прошедшая за определенное время, через поперечное сечение проводника.

Сила тока I измеряется количеством электричества, протекающим через поперечное сечение проводника за 1 сек. При заданном сечении проводника и известной величине е единичного заряда сила тока прямо пропорциональна количеству N свободных (подвижных) носителей зарядов, содержащихся в единице объема проводника, или их концентрации и средней скорости υ_ср перемещения зарядов в направлении поля:

В металлических проводниках число свободных электронов в единице объема постоянно и почти не зависит от температуры (N = const). Следовательно, сила тока прямо пропорциональна средней скорости υ_cp перемещения электронов, которая, в свою очередь, прямо пропорциональна напряженности поля или соответственно напряжению U, приложенному к концам данного участка проводника, и обратно пропорциональна величине R, характеризующей сопротивление движению зарядов (закона Ома для участка цепи):

I = U/R

Мощность

Мощность — это скорость, с которой происходит преобразование энергии.

Скорость, с которой какая-либо энергия преобразуется в электрическую в источнике питания, называется мощностью источника (генератора):

Р_И = (EIt) : t = EI

Скорость, с которой электрическая энергия преобра­зуется в другие виды энергии в приемнике, называется мощностью приемника или потребителя.

Единицей измерения силы тока в системе СИ

Единицей измерения силы тока в системе СИ, как указывалось, является ампер (а). Употребляются также меньшие единицы: миллиампер (1 ма = 10 -3 а) и микроампер (1 мка = 10 -6 а).

Сила тока, приходящаяся на единицу поперечного сечения проводника или площади S электродов, называется плотностью тока σ и измеряется в а/см 2 .

Частота тока

Относится к переменному току, периодически изменяющему силу или направление. Сюда же относится наиболее часто применяемый ток, изменяющийся по синусоидальному закону.

Период переменного тока — наименьший промежуток времени (выраженный в секундах), через который изменения силы тока (и напряжения) повторяются. Количество периодов, совершаемое током за единицу времени, носит название частота. Частота измеряется в герцах, один герц (Гц) соответствует одному периоду в секунду.

Типы проводников

Это материалы или вещества которые проводят электрический ток, примером служит любые металлы.

Металлы — здесь являются носителями тока являются электроны проводимости, которые принято рассматривать как электронный газ, отчётливо проявляющий квантовые свойства вырожденного газа.

Плазма — ионизированный газ. Электрический заряд переносится ионами (положительными и отрицательными) и свободными электронами, которые образуются под действием излучения (ультрафиолетового, рентгеновского и других) и (или) нагревания.

Электролиты — «жидкие или твёрдые вещества и системы, в которых присутствуют в сколько-нибудь заметной концентрации ионы, обусловливающие прохождение электрического тока». Ионы образуются в процессе электролитической диссоциации. При нагревании сопротивление электролитов падает из-за увеличения числа молекул, разложившихся на ионы. В результате прохождения тока через электролит ионы подходят к электродам и нейтрализуются, оседая на них. Законы электролиза Фарадея определяют массу вещества, выделившегося на электродах.

Полупроводники — вещества или химические элементы которые под воздействием внешних факторов ( нагрев, электрический ток и т.д.) становятся проводниками электрического тока, пример германий используется в диодах или транзисторах.

Электрический ток в природе

Электричество разлома кварца и горных пород — известно из давних времен при геологическом разломе в результате образуется значительное количество тока, которое сопровождается аномальными явлениями (свечение влажного воздуха, молний, иногда шаровых).

Атмосферное электричество — которое образуется в воздухе. Изучается с времен Франклина, в России изучал Ломоносов. В результате исследований были приняты законы при которым следует атмосферное электричество:

1. электричество атмосферы всегда положительное при ясном небе, так же как и при облачном, , если на некотором расстоянии от места наблюдения не идёт дождь, град или снег;
2. напряжение электричества облаков становится достаточно сильным для выделения его из окружающей среды лишь тогда, когда облачные пары сгущаются в дождевые капли, доказательством чего может служить то, что разрядов молний не бывает без дождя, снега или града в месте наблюдения, исключая возвратный удар молнии;
3. атмосферное электричество увеличивается по мере возрастания влажности и достигает максимума при падении дождя, града и снега;
4. место, где идёт дождь, является резервуаром положительного электричества, окружённым поясом отрицательного, который, в свою очередь, заключён в пояс положительного. На границах этих поясов напряжение равно нулю. Движение ионов под действием сил электрического поля формирует в атмосфере вертикальный ток проводимости со средней плотностью, равной около (2÷3)·10−12 А/м².

Сущность электрического тока для физики

Значительная доля электрического заряда переносится электронами и протонами непосредственно внутри атома. Протоны обладают положительным зарядом, электроны, соответственно, отрицательным.

Протоны, в массе своей, размещаются внутри атомных ядер. Соответственно, транспорт заряда из одной области к другой осуществляется электронами.

Электроны в структуре проводящего материала (металлы) допускают свободное перемещение от атома к атому в так называемых зонах проводимости, выступающих наиболее высокими электронными орбитами.

Сформированная электродвижущая сила (ЭДС) создаёт дисбаланс зарядов. Этим дисбалансом электроны перемещаются (транспортируются) по структуре проводника электрическим током.

Движение электронов в структуре проводника вполне сравнимо с течением воды внутри сантехнической трубы. Но это сравнение чисто условное в плане принципов транспортировки

В принципе, допустимо сравнивать электрический ток с потоком воды. Правда, следует помнить – вода и ток – вещи несовместимые.

Допустим, есть труба, полная воды. Если открыть кран на одном конце трубы, на другом конце вода появится практически мгновенно. Обусловлена такая ситуация поступающим после крана потоком воды, которая толкает жидкость уже находящуюся в трубе.

Нечто аналогичное происходит и в случае транспорта электрического тока через проводник. Электроны проводимости уже присутствуют внутри структуры провода.

Остаётся организовать толчок электронам на одном конце, активируя тем самым течение тока на другом конце практически мгновенно.

Электрический ток и скорость движения

Фактическая скорость электрона по структуре провода исчисляется несколькими миллионами метров в секунду. Однако для электрона не является характерным прямолинейное движение.

Электрон практически движется наугад, что физики называют скоростью дрейфа электрона. Однако скорость передачи в целом по структуре провода практически равна скорости света (300 млн. м/сек).

Для варианта переменного тока, когда направление движения меняется 50-60 раз в секунду, большая часть электронов никогда не «вытекает» из тела провода.

Вот так, играючи с котом, вполне достижимой становится генерация статического электричества, когда образуются высокие напряжения и совсем небольшой по величине ток

Дисбаланс заряда электронов достигается несколькими способами. Один из известных способов предполагает создание статического заряда в момент трения двух разных материалов одного о другой. Например, трением меховой шкурки животного о кусок минерала — янтаря.

Между тем такой вариант «генерации» чреват образованием очень высоких напряжений при очень низкой силе тока. Получаемый разряд длится не более доли секунды. Поэтому крайне сложно использовать этот способ формирования электрического тока для какой-либо полезной работы.

Что такое постоянный электрический ток?

Другим широко известным способом образования дисбаланса заряда является электрохимическая батарея. Первое такое устройство изобрели в 1800 году. Автором изобретения выступил итальянский физик — Алессандро Вольта.

В честь этого учёного названа единица измерения электродвижущей силы (напряжения) – вольт. Международными стандартами принято обозначение вольта в виде латинского символа — V.

Электрохимический элемент питания – упрощённая схема: 1 – коллектор; 2 – анод; 3 – корпус контейнера; 4 – катод, 5 — сепаратор

Для этого способа «генерации» используются чередующиеся цинковые и медные пластины. Пластины разделены одна с другой слоями ткани, которая пропитана солёной водой.

Такая конструкция способна создавать постоянный ток (движение электронов в одном направлении). С момента изобретения и до настоящего времени электрохимические батареи прошли значительный путь совершенства.

Другие способы организации источников постоянного тока включают:

1. Топливные элементы, где химические процессы между кислородом и водородом приводят к получению тока (электрической энергии) в процессе.
2. Фотоэлектрическая ячейка, где фотонная энергия солнечного света поглощается электронами и преобразуется в электрический ток (энергию).

Что такое переменный электрический ток?

Значительная доля электроэнергии, используемой человеком, применяется в виде переменного тока, распределяемого по централизованной электрической сети.

Переменный ток вырабатывается электрическими генераторами – машинами, действующими по закону индукции Фарадея, когда изменяющееся магнитное поле способно индуцировать электрический ток в структуре проводника.

Генераторы наделяются вращающимися катушками из витков проволоки. Эти катушки в момент вращения пересекают магнитные поля, в результате чего производится электрический ток.

Причём образуется ток, меняющий направление на каждой половине оборота. Полный цикл прямого и обратного хода (частота) выполняется 50-60 раз в секунду (50-60 Гц).

Классическое исполнение традиционно применяемого устройства – генератора переменного тока. Такого рода системы широко применяются для нужд народного хозяйства

Генераторы традиционно вращаются паровыми турбинами, действующими:

• на угле,
• на природном газе,
• на нефтяном топливе,
• от ядерного реактора.

Нередко электрические генераторы работают в паре с ветряными или водяными турбинами, установленными на гидроэлектростанциях.

От генератора электричество проходит через ряд трансформаторов, где повышается до нужного высокого напряжения с последующей передачей потребителям.

Причина такого преобразования в том, что диаметром проводов определяется величина электрического тока (сила), переносимая без эффекта перегрева и потерь энергии. Однако величина напряжения ограничивается только качеством изоляции от земли.

Интересный факт — заряды переносятся только одним проводом, не двумя. Соответственно две транспортных линии обозначены как положительные и отрицательные.

Однако, поскольку полярность переменного напряжения изменяется 50-60 раз в секунду, две стороны переменной ЭДС обозначаются как горячие и заземлённые.

Магистральные линии электропередач традиционно выступают горячей стороной, тогда как заземлённая сторона проходит через Землю и завершает цепь.

Мощность и транспорт по линиям передач

Поскольку мощность равна напряжению, умноженному на силу заряда, допустимо передавать больше мощности по линии с той же силой, используя более высокое напряжение.

Затем переданное высокое напряжение снижается распределением через сеть подстанций, пока не достигнет трансформатора потребителя. Здесь напряжение снижается до 230В (110В в странах Америки).

Как только энергия достигает конца транспортировочной линии, большая часть используется одним из двух способов:

1. Подачей тепла и света через электрическое сопротивление.
2. Механическим движением через электрическую индукцию.

Есть несколько других применений — люминесцентные лампы и микроволновые печи, действующие несколько иным принципом, но львиная доля энергии идёт на устройства, основанные на сопротивлении и / или индуктивности. Электрический фен, к примеру, использует оба принципа одновременно.

Завершающий штрих на электрический ток

Обозначенные выше моменты подводят к важной особенности энергии: выполнению работы. Электрический ток способен совершать разнообразную работу:

• освещать дом,
• стирать и сушить одежду,
• открывать двери и окна и т.д.

Однако все более важной для современного мира становится способность энергетической передачи информации формой двоичных данных.

Подключение к сети Интернет через компьютер требует, конечно, использования относительно небольшой доли энергии. Даже, например, по сравнению с обычным нагревателем (ТЭН) средней мощности. Но именно этот вариант использования энергии видится особо важным для современной жизни.

КРАТКИЙ БРИФИНГ

Zetsila — публикации материалов, интересных и полезных для социума. Новости технологий, исследований, экспериментов мирового масштаба. Социальная мультитематическая информация — СМИ .

Назначение и функции конденсаторов

Конденсатор играет огромную роль как в аналоговой, так и цифровой технике. Они бывают электролитическими и керамическими, и отличаются своими свойствами, но не общей концепцией. Примеры использования:

• Фильтрует высокочастотные помехи;
• Уменьшает и сглаживает пульсации;
• Разделяет сигнал на постоянные и переменные составляющие;
• Накапливает энергию;
• Может использоваться как источник опорного напряжения;
• Создает резонанс с катушкой индуктивности для усиления сигнала.

Примеры использования

В усилителях обычно используются для защиты сабвуферов, фильтрации питания, термостабилизации и разделение постоянной составляющей от переменной. А электролитические в автономных схемах с микроконтроллерами могут долго обеспечивать питание за счет большой емкости.

В данной схеме транзистор VT1 постоянно открыт, чтобы усиливать звук без искажений. Но если вход замнется или на него поступи постоянный ток, то транзистор откроется, перейдет в насыщение и перегреется. Чтобы этого не допустить, нужен конденсатор. С1 позволяет отделить постоянную оставляющую от переменной. Переменный сигнал легко проходит на базу транзистора, а постоянный сигнал не проходит.

С2 совместно с резистором R3 выполняет функцию термостабилизации. Когда усилитель работает, транзистор нагревается. Это может внести искажения в сигнал. Поэтому, резистор R3 помогает удержать рабочую точку при нагреве. Но когда транзистор холодный и стабилизации не требуется резистор может уменьшить мощность усилителя. Поэтому, в дело вступает С2. Он проводит через себя усиленный сигнал шунтируя резистор, тем самым, не снижая номинальную мощность схемы. Если его емкость будет ниже расчетной, он начнет вносить фазовые искажения в выходной сигнал.

Чтобы схема качественно работала, обязательно хорошее питание. Когда схема в пиковые значения потребляет больше тока, то это всегда сильная нагрузка на источник питания. С3 фильтрует помехи по питанию и помогает снизить нагрузку. Чем больше емкость — тем лучше звук, но до определенных значений, все зависит от схемы.

А в блоках питания используется тот же принцип, как и в предыдущей схеме по питанию, но здесь емкость нужна гораздо больше. На этой схеме емкость элеткролита может быть как 1000 мкФ, так и 10 000 мкФ.

Еще на диодный мост можно параллельно включить керамические конденсаторы, которые будут шунтировать схему от высокочастотных наводок и шума сети 220 В.

Фазовые искажения

Конденсатор может искажать переменный сигнал по фазе. Это происходит из-за неверного расчета емкости, общего сопротивления и взаимодействия с другими радиодеталями. Не стоит забывать и о том, что любая радиодеталь имеет как реактивное, так и активное сопротивление.