Електропровідність діелектриків. Види діелектриків, їх властивості та застосування

Електропровідність діелектриків є важливою фізичною характеристикою. Інформація про неї дозволяє виявляти сфери застосування матеріалів.

Терміни

По провідності електричного струму речовини поділяють на групи:

• діелектрики;
• напівпровідники;
• провідники.

Відмінно проводять струм метали - величина їх питомої електропровідності досягає 106-108 (Ом · м)^-1.

А діелектричні матеріали не здатні проводити електричний струм, тому вони застосовуються в якості ізоляторів. Вони не мають вільних носіїв зарядів, відрізняються дипольним будовою молекул.

Напівпровідниками є тверді матеріали, що мають проміжні значення провідності.

Класифікація

Всі діелектричні матеріали підрозділяють на полярні і неполярні види. У полярних ізоляторів центри позитивних і негативних зарядів зміщені від центру. Молекули таких речовин за своїми електричними параметрами аналогічні жорсткого диполю, що має свій дипольний момент. В якості полярних діелектриків можна привести воду, аміак, хлороводород.

Неполярні діелектрики відрізняються збігом центрів позитивних і негативних зарядів. Вони подібні по електричних характеристиках пружному диполю. Прикладами таких ізоляторів є водень, кисень, тетрахлорметан.

Електропровідність

Електропровідність діелектриків пояснюється наявністю в їх молекулах незначної кількості вільних електронів. При зміщенні зарядів всередині речовини за деякий проміжок часу, спостерігається поступове встановлення рівноважного стану, що і є причиною появи струму. Електропровідність діелектриків існує в момент вимикання та вмикання напруги. Технічні зразки ізоляторів мають максимальну кількість вільних зарядів, тому в них з'являються незначні наскрізні струми.

Більше:

Перший штучний супутник Землі

Перший штучний супутник Землі є одним з найбільших досягнень науки ХХ століття. Тим не менш, як це ні парадоксально, цьому великому науковому і технічному досягненню значною мірою сприяла холодна війна між двома наддержавами: США і Радянським Союзом....

Що таке соціалізація, і як вона змінює людину

Спробуємо розібратися, що таке соціалізація, в чому її сутність і особливість. Адже для кожної особистості входження у суспільство і засвоєння його основних норм є фундаментом до подальшої безпроблемною і успішного життя і діяльності. Отже, що таке с...

Принц Чарльз – головний спадкоємець британського престолу

Згідно із законом королівства Великобританія, спадкоємець британського престолу - це старший закононароджена син чинного монарха або ж попереднього претендента на престол. Однак якщо у царюючого особи немає дитини чоловічої статі, то право спадкуванн...

Електропровідність діелектриків у разі постійного значення напруги обчислюється за наскрізного струму. Даний процес припускає виділення і нейтралізацію на електродах наявних зарядів. У випадку змінного напруги на величину активної провідності впливає не тільки наскрізний струм, але і активні компоненти поляризаційних струмів.

Електричні властивості діелектриків залежать від щільності струму, опору матеріалу.

Тверді діелектрики

Електропровідність твердих діелектриків підрозділяють на об'ємну і поверхневу. Для проведення порівняння цих параметрів у різних матеріалів застосовують значення питомої об'ємного і поверхневого питомого опору.

Повна провідність підсумовується з цих двох величин, її величина залежить від вологості середовища і температури навколишнього повітря. У разі тривалої роботи під напругою, спостерігається зменшення наскрізного струму, що проходить через рідкі і тверді ізолятори.

А в разі збільшення струму через деякий проміжок часу, можна вести мову про те, що всередині речовини будуть протікати незворотні процеси, що ведуть до руйнування (пробій діелектрика).

Особливості газоподібного стану

Газоподібні діелектрики мають незначну електропровідність в тому випадку, якщо напруженість поля приймає мінімальні значення. Виникнення струму в газоподібних речовинах можливо тільки в тих випадках, коли в них присутні вільні електрони або заряджені іони.

Газоподібні діелектрики є якісними ізоляторами, тому використовуються в сучасній електроніці у великих обсягах. Іонізація в таких речовинах обумовлюється зовнішніми факторами.

З-за зіткнень іонів газу, а також при термічному впливі, ультрафіолетовому або рентгенівському дії, спостерігається і процес утворення нейтральних молекул (рекомбінація). Завдяки цьому процесу обмежується збільшення кількості іонів у газі, встановлюється певна концентрація заряджених частинок через короткий проміжок часу після впливу зовнішнього джерела іонізації.

У процесі зростання напруги, що прикладається до газу, збільшується рух іонів до електродів. Вони не встигають рекомбинироваться, тому здійснюється їх розрядження на електродах. При подальшому підвищенні напруги струм не зростає, його називають струмом насичення.

Розглядаючи неполярні діелектрики, зазначимо, що повітря є досконалим ізолятором.

Рідкі діелектрики

Електропровідність рідких діелектриків пояснюється особливостями будови молекул рідини. В неполярних розчинниках існують диссоційовані домішки, включаючи і вологу. У полярних молекулах провідність електричного струму пояснюється також процесом розпаду на іони самої рідини.

У цьому агрегатному стані струм також викликається рухом колоїдних частинок. Через нереальності повного виведення з такого діелектрика домішок, виникають проблеми отримання рідин з незначною провідністю струму.

Всі види ізоляції припускають пошук варіантівзниження питомої провідності діелектриків. Наприклад, видаляють домішки, що коригують температурний показник. Підвищення температури викликає зниження в'язкості, зростання рухливості іонів, зростання ступеня теплової дисоціації. Дані фактори впливають на величину питомої провідності діелектричних матеріалів.

Електропровідність твердих тіл

Вона пояснюється переміщенням не тільки іонів самого ізолятора, але і заряджених частинок домішок, що містяться всередині твердого матеріалу. У міру проходження через твердий ізолятор відбувається часткове видалення домішок, що поступово позначається на провідності струму. Враховуючи особливості будови кристалічної решітки, переміщення заряджених частинок обумовлено флуктуацией теплового руху.

При невисоких температурах відбувається рух позитивних і негативних іонів домішок. Такі види ізоляції характерні для речовин з молекулярною та атомною кристалічною структурою.

Для анізотропних кристалів величина питомої провідності змінюється в залежності від його осей. Приміром, у кварці в напрямку, розташованій паралельно основній осі, вона перевищує 1000 разів перпендикулярне положення.

У твердих пористих діелектриках, де практично немає вологи, незначне підвищення електричного опору призводить до підвищення їх електричного опору. У речовин, що містять домішки, розчинні у воді, спостерігається істотне зменшення об'ємного опору з-за зміни вологості.

Поляризація діелектриків

Дане явище пов'язане із зміною положення частинок ізолятора в просторі, що призводить до придбання кожним макроскопічним об'ємом діелектрика деякого електричного (індукованого) моменту.

Існує поляризація, яка виникаємо під впливом зовнішнього поля. Також виділяють мимовільний варіант поляризації, з'являється навіть при відсутності дії зовнішнього поля.

Відносна діелектрична проникність характеризується:

• ємністю конденсатора з цим діелектриком;
• її величиною у вакуумі.

Супроводжується цей процес виникненням на поверхні діелектрика зв'язаних зарядів, які зменшують всередині речовини величину напруженості.

У разі повної відсутності зовнішнього поля окремий елемент об'єму діелектрика не володіє електричним моментом, оскільки сума всіх зарядів дорівнює нулю і спостерігається збіг негативних і позитивних зарядів в просторі.

Варіанти поляризації

При електронній поляризації відбувається зміщення під впливом зовнішнього поля електронних оболонок атома. В іонному варіанті спостерігається зміщення вузлів решітки. Для дипольної поляризації характерні втрати на подолання внутрішнього тертя і сил зв'язку. Структурний же варіант поляризації вважається самим повільним процесом, він характеризується орієнтацією неоднорідних макроскопічних домішок.

Висновок

Електроізоляційні матеріали являють собою речовини, які дозволяють отримувати надійну ізоляцію деяких складових частин електричного обладнання, що знаходиться під певними електричними потенціалами. У порівнянні з провідниками струму, у численних ізоляторів значно більший електричний опір. Вони здатні створювати сильні електричні поля і накопичувати додаткову енергію. Саме це властивість ізоляторів застосовують у сучасних конденсаторах.

В залежності від хімічного складу, їх підрозділяють на природні і синтетичні матеріали. Найчисленнішою є друга група, тому саме ці ізолятори застосовують у різноманітних електричних приладах.

В залежності від технологічних характеристик, структури, складу, виділяють плівкові, керамічні, воскові, мінеральні ізолятори.

При досягненні величини пробивної напруги, спостерігається пробій, що приводить до різкого зростання величини електричного струму. Серед характерних ознак подібного явища можна виділити незначну залежність міцності від напруги і температури, товщини.