Особенности тока утечки в твердых диэлектриках

Коронный разряд.

Одним из наиболее известных и распространенных изоляторов является воздух при атмосферном давлении и нормальной температуре. Для низких напряжений удельное электрическое сопротивление такого воздуха составляет ок. 10 18 ОмЧсм. Когда напряженность электрического поля поперек однородной воздушной щели достигает 30 кВ/см, проводимость увеличивается, так как начинается фотоионизация воздуха и в конце концов между электродами проскакивает искра. Если геометрия электродов разнородна, как, например, в случае острия и плоскости или провода линии электропередачи над поверхностью земли, вокруг острия или провода при достаточно большой напряженности электрического поля возникает светящаяся область ионизованного воздуха, называемая коронным разрядом. Ток коронного разряда возрастает с увеличением напряжения, и в конце концов возникает искра или дуга в зависимости от мощности источника и сопротивления внешней цепи.

Аморфные диэлектрики

В аморфных диэлектриках с их более рыхлой структурой имеется значительно больше мест, в которых может находиться ион в равновесном состоянии. Затрата энергии при переходе из одного равновесного состояния в другое также будет различна. Будут существовать переходы, требующие меньшей затраты энергии, при которых ион не будет однако полностью освобождаться от связывающих его сил, а, оставаясь «полусвязанным», перемещаться лишь на небольшое расстояние. Эти переходы и будут в основном происходить в результате теплового движения. Некоторое значительно меньшее количество ионов, более богатых энергией, сможет полностью оторваться от связующих их сил. Эти ионы по аналогии со случаем кристаллической решетки можно условно назвать «свободными». Данная картина теплового движения соответствует твердому состоянию.

Переход от твердого к жидкому состоянию

Переход от твердого к жидкому состоянию происходит различно для кристаллических и для аморфных веществ. В первом случае мы наблюдаем резкую t°пл T8, причем вязкость жидкости уже при температуре Тs мала. В случае аморфных диэлектриков t°пл не наблюдается, а переход из одного состояния в другое происходит в первом приближении непрерывно путем постепенного уменьшения вязкости. Более детальное изучение явления перехода из твердого в жидкое состояние показывает однако, что существует некоторая характерная для данного вещества температуpa Тg, при которой вязкость испытывает резкий скачок и вещество, оставаясь весьма вязким, начинает течь.

Ниже температуры Тg вещество следует считать твердым, выше — жидкостью. При температуpax, несколько превышающих Тg, аморфный диэлектрик сохраняет ряд свойств, характерных для твердого состояния. Молекулы диэлектрика остаются еще частично упруго связанными. Чем выше температура, тем слабее эти упругие связи; при температурах, значительно превосходящих Тg, можно в первом приближении считать, что молекулы в жидкости перемещаются свободно. При температуpax, близких к началу размягчения, перемещение молекул хотя уже и является принципиально возможным, но сильно затруднено. Внешне это сказывается в том, что вязкость такой жидкости еще очень велика. При повышении температуры перемещение молекул встречает меньше препятствия; параллельно убывает и вязкость.

За меру того, в какой степени молекулы «свободны» в своих перемещениях, мы можем поэтому выбрать вязкость жидкости. Тепловое движение молекул в жидкостях заключается:

1. в колебании около положения равновесии, когда они связаны в комплексы,
2. в поступательных и вращательных перемещениях когда они свободны.

При плавлении кристаллического диэлектрика, имеющих ионную решетку (например солей), получается как правило проводящая жидкость, которая диэлектриком считаться не может. В случае кристаллов с атомной и молекулярной решеткой плавление приводит в диэлектрическим жидкостям, имеющим малую вязкость; перемещение молекул в этих жидкостях можно считать свободным.

Жидкости кроме нейтральных молекул всегда содержат некоторое количество ионов, получившихся как вследствие диссоциации молекул жидкости, так и вследствие диссоциации молекул примесей. В газообразном состоянии как поступательное, так и вращательное движение молекул ничем не ограничено.

Зависимость сопротивления проводника от частоты тока

При воздействии электрического тока индукция магнитного поля происходит внутри прямолинейного проводника и в окружающем его пространстве. Магнитные линии образуют концентрические окружности.

Если проводник с током условно разбить на несколько параллельных друг другу нитей тока, то можно установить, что, чем ближе токовая нить находится к оси проводника, тем больший замыкающийся внутри магнитный поток её охватывает. Индуктивность нити и индуктивное сопротивление находятся в пропорциональной зависимости от магнитного потока, с нею связанного.

В связи с этим в нитях с переменным током, находящихся внутри проводящего вещества, возникает большее индуктивное сопротивление, чем в нитях, находящихся снаружи. Образуется неравномерность тока по сечению, возрастающая от оси к поверхности проводника, чем и объясняется увеличение сопротивления проводников переменному току. Это явление называется поверхностным эффектом.

Из-за неравномерного распределения плотности тока происходит увеличение сопротивления проводника. При небольшой частоте в 50 Гц и малом сечении медного провода явление поверхностного эффекта почти незаметно. При значительном увеличении частоты и сечения проводника из железа это явление будет более активным.

Обратите внимание! Чем выше частота тока в цепи, тем ближе к поверхности проводника находятся электрические заряды, и тем больше возрастает его сопротивление.

Вещество является полупроводником, если валентная зона разделена с соседними зонами узкой (менее 2 электронвольт) запрещающей зоной. Отметим, что такое вещество при температуре, близкой к абсолютному нулю, является диэлектриков. Однако при росте температуры электроны из верхней занятой зоны перескакивают в вакантную зону проводимости, и вещество становится электропроводным. Проводимость растет вместе с температурой и концентрацией электронов в зоне проводимости. Соответственно, в заполненной зоне, из которой электроны переходят в зону проводимости, растет концентрация дырок.

Разделение веществ на полупроводники и диэлектрики весьма условно. Вещества с шириной запрещённой зоны более 3—4 эВ и менее 4—5 эВ совмещают свойства диэлектриков и полупроводников.

Свойства диэлектриков

Водонепроницаемость

Твердые диэлектрики могут мешать проникновению влаги внутрь. Благодаря этому свойству их часто используют для уличного оборудования. Причем это относится не только к воде, но и прочим жидкостям, например, напиткам, сокам, молоку и так далее.

Теплозащита

Диэлектрики отлично переносят сильные температуры. Например, не зря их использую в космосе, где полоска термометра бывает ниже -90°C. Именно поэтому диэлектрики – отличный помощник в сильные морозы и жаркие дни.

Сдерживаемость радиации

Диэлектрики не пропускают радиацию, щелочи и кислотные вещества. Это очень важно, при возникновении утечки на станциях и заводах, где есть опасные химические элементы. Изоляторы, без какого-либо преувеличения, могут спасти тысячи людей от смерти.

Поляризация

Удивительное свойство, которое присутствует исключительно у диэлектриков. Благодаря ему неприводимые материалы могут притягиваться к проводимым и тем самым создавать целую цепь. Это свойство используется повсеместно, почти во всех технологиях и машинах.

Ослабление внешнего поля

Диэлектрики помогают сделать внешнее давление более слабым и тем самым безопасным. Они контролируют поле и помогают его использовать в различных целях. Очень важное свойство, позволяющее сделать работу более безопасной.

Основы атомной модели

Электрическое поле взаимодействия с атомом в классической модели диэлектрической проницаемости.

Классический подход к диэлектрической модели, материала состоит из атомов. Каждый атом состоит из облака отрицательного заряда (электронов), привязанных к и окружающим положительный точечный заряд облаком отрицательного заряда (электронами) в центре. В присутствии электрического поля заряда облако искажается, как показано в правой верхней части фигуры.

Это может быть сведен к простой диполи [1] , используя принцип суперпозиции [2]. Диполь характеризуется дипольным моментом [3], векторная величина, показанная на рисунке синяя стрелка с надписью M. Это связь между электрическим полем и дипольным моментом, что порождает поведение диэлектрика. (Обратите внимание, что дипольный момент пунктов в том же направлении, что и электрическое поле на рисунке. Это не всегда так, и это сильное упрощение, но это справедливо для многих материалов.)

Когда электрическое поле удаляется атом возвращается в исходное состояние. Время, необходимое для этого является так называемая релаксация [4] времени; экспоненциального распада.

В этом и заключается суть модели в физике. Поведение диэлектрическое теперь зависит от ситуации. Чем сложнее ситуация, тем богаче модель должна быть точно описана поведением. Важные вопросы:

• Создается электрическое поле, постоянное или оно меняется со временем? По какой ставке?
• Не ответ зависит от направления приложенного поля (изотропность [5] материала)?
• Ответ везде одинаковый (однородность материала)?
• Делать каких-либо границ или интерфейсы должны быть учтены?
• Это отклик линейноcти систем [6] относительно поля, или есть нелинейности [7] систем ?

Связь между электрическим полем E и дипольным моментом M порождает поведение диэлектрической проницаемости, которая для данного материала, может быть охарактеризована функцией F и определяется уравнением:

.

Когда оба типа электрического поля и тип материала были определены, затем выбирается одна простейшая функция F , которая правильно предсказывает явления интересов. Примеры явлений, которые так можно смоделировать включают в себя:

• Показатель преломления
• Дисперсии групповых скоростей
• Двойное лучепреломление
• Самофокусировка
• Генерация гармоник

Зонная теория

Зонная теория описывает наличие или отсутствие свободных носителей зарядов, относительно определенных энергетических слоев. Энергетическим уровнем или слоем называют количество энергии электронов (ядер атомов, молекул – простых частиц), их измеряют в величине Электронвольты (ЭВ).

На изображении ниже показаны три вида материалов с их энергетическими уровнями:

Обратите внимание, что у проводника энергетические уровни от валентной зоны до зоны проводимости объединены в неразрывную диаграмму. Зона проводимости и валентная зоны накладываются друг на друга, это называется зоной перекрытия. В зависимости от наличия электрического поля (напряжения), температуры и прочих факторов количество электронов может изменяться. Благодаря вышеописанному, электроны могут передвигаться в проводниках, даже если сообщить им какое-то минимальное количество энергии.

У полупроводника между зоной валентности и зоной проводимости присутствует определенная запрещенная. Ширина запрещенной зоны описывает, какое количество энергии нужно сообщить полупроводнику, чтобы начал протекать ток.

У диэлектрика диаграмма похожа на ту, которая описывает полупроводники, однако отличие лишь в ширине запрещенной зоны – она здесь во много раз большая. Различия обусловлены внутренним строением и вещества.

Мы рассмотрели основные три типа материалов и привели их примеры и особенности. Главным их отличием является способность проводить ток. Поэтому каждый из них нашел свою сферу применения: проводники используются для передачи электроэнергии, диэлектрики – для изоляции токоведущих частей, полупроводники – для электроники. Надеемся, предоставленная информация помогла вам понять, что собой представляют проводники, полупроводники и диэлектрики в электрическом поле, а также в чем их отличие между собой.

Напоследок рекомендуем просмотреть полезное видео по теме:

Наверняка вы не знаете: