Опишите процесс электропроводности в газообразных диэлектриках кратко
Обновлено: 02.07.2024
В области слабых электрических полей носители заряда в газах появляются в результате воздействия на нейтральные молекулы газа быстрых частиц, квантов света, радиоактивного, ультрафиолетового и др. излучения. Часть нейтральных молекул газа при этом распадается на положительные ионы и электроны. Электроны в большинстве случаев захватываются другими нейтральными молекулами, образуя отрицательные ионы, которые участвуют в общем тепловом движении. Некоторая часть электронов, встречаясь с положительными ионами, рекомбинирует, образуя нейтральные частицы, при этом выделяется рекомбинационное излучение в виде квантов света. На длине свободного пробега ионы получают от электрического поля дополнительную скорость. Достигая противоположно заряженных электродов, носители зарядов нейтрализуются на них, и в цепи возникает электрический ток.
Вольт-амперная характеристика газообразного диэлектрика для слабых и средних полей (до 10 6 В/м)
На участке оав приближенно соблюдается закон Ома.), так как концентрация носителей заряда сохраняет постоянное значение вследствие равновесия между процессами ионизации и рекомбинации, и распределение потенциала линейно. Закон Ома выполняется в очень слабых полях до значений Е~1В/м. На участке ее (насыщение) скорость носителей заряда достигает значений, при которых они не успевают рекомбинировать и почти все достигают электродов. В постоянном поле в этом случае накапливается объемный заряд— положительный у катода, отрицательный у анода. Разряд на участке оавс называют несамостоятельным. На участке с а начинается ударная ионизация молекул электронами. Эта область сильных полей (для воздуха Е~10 6 В/м) связана с самостоятельным разрядом. При напряженности Епр газ пробивается (самостоятельный разряд).
Электропроводность жидких диэлектриков
Основную роль в жидких диэлектриках играют два типа электропроводности: ионная и молионная.
В неполярных и слабополярных жидкостях носителями заряда в основном являются ионы, возникающие при диссоциации молекул примесей. Степень диссоциации (отношение числа диссоциированных молекул к общему числу молекул жидкости) зависит от химической природы примесей, концентрации и диэлектрической проницаемости. Степень диссоциации возрастает с увеличением ε. Собственная электропроводность наблюдается при диссоциации молекул жидкости с ионным характером связи.
Электронная электропроводность может наблюдаться в сильных полях при эмиссии электронов с катода в тщательно очищенных от примесей жидкостях.
Молионная электропроводность характерна для коллоидных растворов, например для многих электроизоляционных лаков в неотвержденном состоянии, содержащих мелкодисперсный наполнитель, пигмент и др. Знак заряда частицы будет положительным, если диэлектрическая проницаемость частиц — больше ε растворителя и наоборот. Такие заряженные частицы называют молионами.
Удельное сопротивление жидкостей уменьшается с ростом температуры по экспоненциальному закону
где В - константа, W - энергия диссоциации, к - постоянная Больцмана. По аналогичному закону изменяется и вязкость жидкости.
Для неполярных жидкостей (бензол, трансформаторное масло) ρ>10 10 - 10 13 Ом·м, для слабополярных (совол, касторовое масло) ρ=10 8 -10 10 Ом·м, для сильнополярных (дистиллированная вода, этиловый спирт, ацетон) ρ=10 3 -10 Ом·м. Закон Ома в жидкостях нарушается в сильных полях. Возможные причины: диссоциация молекул жидкости, приводящая к резкому росту концентрации ионов; увеличение подвижности ионов; автоэлектронная эмиссия электронов с катода в тщательно очищенных жидкостях.
Электропроводность в газах возникает только при наличии в них ионов или свободных электронов. Ионизация нейтральных молекул газа происходит или под действием внешних факторов, или вследствие соударения ионизированных частиц самого газа, ускоренных электрическим полем, с молекулами газа. Внешними факторами являются ультрафиолетовые лучи, рентгеновское излучение, космические лучи, радиоактивное излучение, а также термический нагрев газа. Ионизация происходит вследствие поглощения нейтральными молекулами фотонов. Энергия фотона определяется по формуле , где
- постоянная Планка, - частота излучения, 1/с; - скорость света; -
Ионизация молекул происходит при превышении энергией кванта излучения величины потенциала ионизации, :
(2.4)
где - потенциал выхода (работа, которую необходимо затратить для удаления за пределы атома частицы, носителя заряда), -заряд электрона (1,6 Кл)
С повышением частоты способность молекул газа к ионизации увеличивается.
Энергия, которую необходимо затратить на ионизацию молекул газа измеряется в электроновольтах (эВ). Энергия в 1 эВ равна кинетической энергии, которую приобретает электрон при свободном движении между двумя точками с разностью потенциалов в 1В. Следовательно, 1эВ равен энергии е , Вт с(Дж). Потенциал ионизации большинства газов находится в пределах 10-20эВ.
Свободные электроны, находясь в движении, сталкиваются с молекулами газа и при этом часть из них рекомбенирует, то есть захватывается положительными ионами, а часть, которая захватывается нейтральными молекулами, образует отрицательные ионы. Время жизни свободного электрона составляет около с. Так как процессы ионизации и рекомбинации проходят одновременно, то при определенной температуре и давлении наступает равновесие, при котором обеспечивается постоянная концентрация ионов. На основании результатов исследований было установлено, что в обычных условиях средняя концентрация положительных ионов в воздухе составляет , а отрица-
тельных - 650
Под воздействием внешних факторов газ приобретает хотя и очень малую, но определенной величины электропроводность, которая называется несамостоятельной.
При увеличении напряжения, прикладываемого к газовому промежутку, возникает ударная ионизация электронами, которые под действием поля приобретают кинетическую энергию, достаточную для ионизации нейтральных моле кул при их соударении. Одновременно с ионизацией газа происходит и рекомбинация положительных и отрицательных ионов с образованием нейтральных молекул. Электропроводность газа, обусловленная ударной ионизацией, называется самостоятельной.
На рис.2.2. приведена вольтамперная характеристика газового промежутка. В случае образования электропроводности под действием внешних факторов при незначительном напряжении ток очень мал, и баланс процессов образования ионов и их рекомбинации сохраняется. В рассматриваемом режиме выполняется закон Ома
(2.5)
где - плотность тока; - удельная проводимость; - прикладываемое напряжение; - расстояние между электродами. На рис 2.2. этот режим соответствует участку О А.
Рис 2.2. Вольтамперная характеристика газового промежутка.
При дальнейшем увеличении напряжения баланс процессов образования ионов и их рекомбинации нарушается, так как ионы уносятся к электродам не успевая рекомбинировать. Ток растёт медленнее напряжения (участок АВ). Уменьшение концентрации ионов продолжается с ростом напряжения и при определенном его значении наступает насыщение (участок ВС). Ионы, образующиеся под воздействием внешних ионизаторов, уносятся к электродам. Плотность тока в этом случае равна
(2.6)
где - количество положительных и отрицательных ионов; - заряд иона; -расстояние между электродами.
Дальнейшее увеличение напряжения сопровождается усилением ударной ионизации и увеличением количества свободных электронов практически в геометрической прогрессии, что приводит к резкому возрастанию тока.
Электропроводность газообразных диэлектриков обусловлена наличием в них заряженных частиц – ионов и электронов. В зависимости о причин, вызывающих ионизацию молекул газа, различают электропроводность несамостоятельную и самостоятельную.
Несамостоятельная электропроводность осуществляется за счет ионов и электронов, образующихся в результате ионизации, вызванной внешним энергетическим воздействием, таким, как космические и солнечные лучи.
Самостоятельная электропроводность обусловлена ионами и электронами, образующимися в сильных электрических полях (Е) в результате электронной ударной ионизации (соударения заряженных частиц). Ударная ионизация возникает в газе, если если кинетическая энергия заряженных частиц, приобретаемая под действием электрического поля, достигает достаточно больших значений.
Поля, вызывающие ионизацию газов, считают сильными, а не вызывающие ионизацию – слабыми. Напряженность, разделяющую слабые и сильные поля, называют критической напряженностью Екр.
Одновременно с процессом ионизации протекает обратный процесс – рекомбинация, когда разноименные заряды образуют нейтральную молекулу. Рекомбинация препятствует безграничному росту концентрации ионов и электронов. Между процессами ионизации и рекомбинации устанавливается равновесие, которое может быть смещено в ту или иную сторону путем изменения интенсивности внешнего энергетического воздействия или напряженности приложенного электрического поля.
Зависимость j от e в широком интервале
Рассмотрим зависимость плотности тока j газообразного диэлектрика от напряженности электрического поля в широком интервале E (рисунок 3.5). На участке ОАБ наблюдается несамостоятельная электропроводность, а на участке БВ – самостоятельная. В слабых электрических полях до значения E=Eн плотность тока линейно возрастает с увеличением напряженности поля. Следовательно здесь выполняется закон Ома. На участке ОА по мере роста напряженности поля плотность тока растет, так как увеличивается число ионов и электронов, участвующих в его образовании. Часть электронов уносится к электродам, часть рекомбинируется. По мере возрастания приложенного напряжения ионы уносятся к электродам сильнее, все меньше успевая рекомбинировать, и начиная с EEн, рекомбинация становится практически равной нулю. С этого момента (участок АБ) все образующиеся под действием внешнего энергетического воздействия ионы и электроны будут разряжаться на электродах, обуславливая ток насыщения jн, который при дальнейшем увеличении Е остается постоянным.
Самостоятельная электропроводность возникает в области сильных полей. Возрастание тока при EEкр (участок БВ) обусловлено увеличением числа носителей заряда (электронов и ионов) в результате электронной ударной ионизации, и эмиссии электронов с катода. При Eпр возникает пробой, в этом состоянии газ утрачивает свои электроизоляционные свойства, так как между электродами образуется плазменный газоразрядный канал проводимости.
И в заключении можно сказать, электропроводность газов обуславливается наличием свободных зарядов, которые возникают в результате действия внешних ионизаторов.
Электропроводность диэлектриков является важной физической характеристикой. Информация о ней позволяет выявлять сферы применения материалов.
Термины
По проводимости электрического тока вещества подразделяют на группы:
- диэлектрики;
- полупроводники;
- проводники.
Отлично проводят ток металлы - величина их удельной электропроводимости достигает 106-108 (Ом · м) -1 .
А диэлектрические материалы не способны проводить электрический ток, поэтому они применяются в качестве изоляторов. Они не имеют свободных носителей зарядов, отличаются дипольным строением молекул.
Полупроводниками же являются твердые материалы, имеющие промежуточные значения проводимости.
Классификация
Все диэлектрические материалы подразделяют на полярные и неполярные виды. У полярных изоляторов центры положительных и отрицательных зарядов смещены от центра. Молекулы таких веществ по своим электрическим параметрам аналогичны жесткому диполю, имеющему свой дипольный момент. В качестве полярных диэлектриков можно привести воду, аммиак, хлороводород.
Неполярные диэлектрики отличаются совпадением центров положительных и отрицательных зарядов. Они сходны по электрическим характеристикам упругому диполю. Примерами таких изоляторов являются водород, кислород, тетрахлорметан.
Электропроводность
Электропроводность диэлектриков объясняется присутствием в их молекулах незначительного числа свободных электронов. При смещении зарядов внутри вещества за некоторый промежуток времени, наблюдается постепенное установление равновесного положения, что и является причиной появления тока. Электропроводность диэлектриков существует в момент выключения и включения напряжения. Технические образцы изоляторов имеют максимальное количество свободных зарядов, поэтому в них появляются незначительные сквозные токи.
Электропроводность диэлектриков в случае постоянного значения напряжения вычисляется по сквозному току. Данный процесс предполагает выделение и нейтрализацию на электродах имеющихся зарядов. В случае переменного напряжения на величину активной проводимости влияет не только сквозной ток, но и активные компоненты поляризационных токов.
Электрические свойства диэлектриков зависят от плотности тока, сопротивления материала.
Твердые диэлектрики
Электропроводность твердых диэлектриков подразделяют на объемную и поверхностную. Для проведения сравнения этих параметров у различных материалов применяют значения объемного удельного и поверхностного удельного сопротивления.
Полная проводимость суммируется из двух этих величин, ее величина зависит от влажности среды и температуры окружающего воздуха. В случае продолжительной работы под напряжением, наблюдается уменьшение сквозного тока, проходящего через жидкие и твердые изоляторы.
А в случае увеличения тока через некоторый промежуток времени, можно вести речь о том, что внутри вещества будут протекать необратимые процессы, ведущие к разрушению (пробой диэлектрика).
Особенности газообразного состояния
Газообразные диэлектрики имеют незначительную электропроводность в том случае, если напряженность поля принимает минимальные значения. Возникновение тока в газообразных веществах возможно только в тех случаях, когда в них присутствуют свободные электроны либо заряженные ионы.
Газообразные диэлектрики являются качественными изоляторами, поэтому используются в современной электронике в больших объемах. Ионизация в таких веществах обуславливается внешними факторами.
Из-за соударений ионов газа, а также при термическом воздействии, ультрафиолетовом или рентгеновском действии, наблюдается и процесс образования нейтральных молекул (рекомбинация). Благодаря этому процессу ограничивается увеличение количества ионов в газе, устанавливается определенная концентрация заряженных частиц через короткий временной промежуток после воздействия внешнего источника ионизации.
В процессе возрастания напряжения, прикладываемого к газу, увеличивается движение ионов к электродам. Они не успевают рекомбинироваться, поэтому осуществляется их разряжение на электродах. При последующем повышении напряжения ток не возрастает, его именуют током насыщения.
Рассматривая неполярные диэлектрики, отметим, что воздух является совершенным изолятором.
Жидкие диэлектрики
Электропроводность жидких диэлектриков объясняется особенностями строения молекул жидкости. В неполярных растворителях существуют диссоциированные примеси, включая и влагу. В полярных молекулах проводимость электрического тока объясняется также процессом распада на ионы самой жидкости.
В этом агрегатном состоянии ток также вызывается движением коллоидных частиц. Из-за нереальности полного выведения из такого диэлектрика примесей, возникают проблемы получения жидкостей с незначительной проводимостью тока.
Все виды изоляции предполагают поиск вариантов снижения удельной проводимости диэлектриков. Например, удаляют примеси, корректируют температурный показатель. Повышение температуры вызывает снижение вязкости, возрастание подвижности ионов, рост степени тепловой диссоциации. Данные факторы воздействуют на величину удельной проводимости диэлектрических материалов.
Электропроводность твердых тел
Она объясняется перемещением не только ионов самого изолятора, но и заряженных частиц примесей, содержащихся внутри твердого материала. По мере прохождения через твердый изолятор происходит частичное удаление примесей, что постепенно сказывается на проводимости тока. Учитывая особенности строения кристаллической решетки, перемещение заряженных частиц обусловлено флуктуацией теплового движения.
При невысоких температурах происходит движение положительных и отрицательных ионов примесей. Такие виды изоляции характерны для веществ с молекулярной и атомной кристаллической структурой.
Для анизотропных кристаллов величина удельной проводимости меняется в зависимости от его осей. К примеру, в кварце в направлении, расположенном параллельно основной оси, она превышает в 1000 раз перпендикулярное положение.
В твердых пористых диэлектриках, где практически нет влаги, незначительное повышение электрического сопротивления приводит к повышению их электрического сопротивления. У веществ, которые содержат примеси, растворимые в воде, наблюдается существенное уменьшение объемного сопротивления из-за изменения влажности.
Поляризация диэлектриков
Данное явление связано с изменением положения частиц изолятора в пространстве, которое приводит к приобретению каждым макроскопическим объемом диэлектрика некоторого электрического (индуцированного) момента.
Существует поляризация, которая возникаем под воздействием внешнего поля. Также выделяют самопроизвольный вариант поляризации, появляющейся даже при отсутствии действия внешнего поля.
Относительная диэлектрическая проницаемость характеризуется:
- емкостью конденсатора с этим диэлектриком;
- ее величиной в вакууме.
Сопровождается этот процесс возникновением на поверхности диэлектрика связанных зарядов, которые уменьшают внутри вещества величину напряженности.
В случае полного отсутствия внешнего поля отдельный элемент объема диэлектрика не обладает электрическим моментом, поскольку сумма всех зарядов равна нулю и наблюдается совпадение отрицательных и положительных зарядов в пространстве.
Варианты поляризации
При электронной поляризации происходит смещение под воздействием внешнего поля электронных оболочек атома. В ионном варианте наблюдается смещение узлов решетки. Для дипольной поляризации характерны потери на преодоление внутреннего трения и сил связи. Структурный же вариант поляризации считается самым медленным процессом, он характеризуется ориентацией неоднородных макроскопических примесей.
Заключение
Электроизоляционные материалы представляют собой вещества, которые позволяют получать надежную изоляцию некоторых составных частей электрического оборудования, находящегося под определенными электрическими потенциалами. В сравнении с проводниками тока, у многочисленных изоляторов значительно большее электрическое сопротивление. Они способны создавать сильные электрические поля и накапливать дополнительную энергию. Именно это свойство изоляторов применяют в современных конденсаторах.
В зависимости от химического состава, их подразделяют на природные и синтетические материалы. Самой многочисленной является вторая группа, поэтому именно эти изоляторы применяют в разнообразных электрических приборах.
В зависимости от технологических характеристик, структуры, состава, выделяют пленочные, керамические, восковые, минеральные изоляторы.
При достижении величины пробивного напряжения, наблюдается пробой, приводящий к резкому возрастанию величины электрического тока. Среди характерных признаков подобного явления можно выделить незначительную зависимость прочности от напряжения и температуры, толщины.
Читайте также: