Электропроводность твердых тел

Электропроводность твердых тел обусловливается передвижением как ионов самого диэлектрика, так и ионов случайных примесей, а у некоторых материалов может быть вызвана наличием свободных электронов. Электронная электропроводность наиболее заметна при сильных электрических полях. Вид электропроводности устанавливают экспериментально, используя закон Фарадея. Ионная электропроводность сопровождается переносом вещества. При электронной электропроводности это явление не наблюдается. В процессе прохождения электрического тока через твердый диэлектрик содержащиеся в нем ионы примеси могут частично удаляться, выделяясь на электродах, как это имеет место и в жидкостях.

В твердых диэлектриках ионного строения электропроводность обусловлена главным образом перемещением ионов, освобождаемых под влиянием флуктуаций теплового движения. При низких температурах передвигаются слабозакрепленные ионы, в частности ионы примесей. При высоких температурах освобождаются и некоторые ионы из узлов кристаллической решетки.

В диэлектриках с атомной или молекулярной решеткой электропроводность связана только с наличием примесей, удельная проводимость их весьма мала.

В каждом отдельном случае вопрос о механизме электропроводности решается на основании данных об энергий активации носителя заряда. Известно, например, что для каменной соли энергия активации ионов натрия при нормальной температуре составляет примерно 0,85 эВ. Энергия активации ионов хлора в три раза больше, а энергия активации электронов равна б эВ, тогда как средняя энергия теплового движения при комнатной температуре составляет всего лишь 0,025 эВ.

Удельная проводимость при некоторой температуре Т выражается той же простой зависимостью, что и для жидкостей. При этом

как известно, носит название подвижности носителей заряда и в системе СИ измеряется в м²/(с · В).

Подвижность электронов на много порядков больше, чем подвижность ионов. В двуокиси титана, например, подвижность электронов составляет примерно 10-4 м²/(с · В), тогда как подвижность ионов в алюмосиликатной керамике всего лишь 10ˉ¹³­10ˉ¹6 м²/(с · В). В связи с указанным в диэлектрике с электронной электропроводностью концентрация электронов в 109 - 10¹² раз меньше, чем концентрация носителей в диэлектрике с ионной электропроводностью, при одинаковом заряде носителей и одинаковом значении удельной проводимости. Полагая что при ионной электропроводности число диссоциированных ионов и их подвижность находятся экспоненциальной зависимости от температуры, имеем

где n0m и u0m соответствуют значения Т = ∞,wд — энергия диссоциации ионов,wn — энергия перемещения иона, определяющая переход его из одного неравновесного положения в другое.

Используя формулы и объединяя постоянные n0m, q,umu в один коэффициент А, получаем:

Эта формула показывает, что чем больше значения энергии диссоциации и перемещения, тем сильнее изменяется удельная проводимость с температурой. Численное значение коэффициента b находится из экспериментально полученной зависимости удельной проводимости от величины, обратной температуре:

где — интервалы изменения величин по осям графика.

Ввиду того, что обычно wд>> wп

удельная проводимость при изменении температуры определяется главным образом изменением концентрации носителей.

В случае если в диэлектрике ток обусловлен передвижением разнородных ионов, выражение имеет вид:

В связи с этим логарифмическая зависимость удельной проводимости от величины, обратной температуре, имеет изломы, что видно из рис. 2-5

В телах кристаллического строения с ионной решеткой электропроводность связана с валентностью ионов. Кристаллы с одно-валентными ионами обладают большей Проводимостью, чем кристаллы с многовалентными нонами. Так, для кристалла NaCl проводимость значительно выше, чем для кристаллов МgO или Аl2o3

В кристаллах проводимость Неодинакова по разным осям кристалла. Так, проводимость кварца в направлении, параллельном главной оси, примерно в 1 000 раз больше, чем в направлении, перпендикулярном этой оси, что видно из рис. 2-6. Удельная проводимость аморфных тел одинакова во всех направлениях и обусловливает составом материалов и наличием примесей. У высокомолекулярных органических и элементоорганических полимеров она зависит также от степени полимеризации (например, для фенолоформальдегидной смолы), от степени вулканизации (для эбонита). Органические неполярные аморфные диэлектрики, как, например, полистирол, отличаются очень малой удельной проводимостью.

Большую группу аморфных тел составляют неорганические стекла. Электропроводность стекол самым тесным образом связана с химическим составом, что дает возможность в ряде случаев получать заранее заданную величину удельной проводимости.

Кварцевое стекло — плавленый кварц — и плавленый борный ангидрид обладают весьма малой удельной проводимостью. Температурная зависимость удельной проводимости этих стекол значительна: коэффициент b ≈ 22 000 К, что указывает на большую энергию освобождения ионов. Введение в состав стекла окислов металлов разных таблицы Менделеева по-разному отражается на электропроводности. Введение в состав стекла окислов щелочных металлов первой группы сильно увеличивает удельную проводимость; это увеличение зависит от радиуса иона. Ион натрия, имеющий меньший радиус, чем ион калия, увеличивает удельную проводимость в большей мере, чем последний.

Коэффициент b стекла со щелочными ионами близок к 10 000 К.

Введение в состав стекла тяжелых окислов (например, окислов бария или свинца) не только нейтрализует вредное влияние щелочных окислов, но и приводит к значительному понижению удельной проводимости стекол.

Приводим значения удельного объемного сопротивления р некоторых типичных стекол при 200° С:

При рассмотрении электротехнического фарфора как системы, содержащей стекло, оказалось возможным понизить удельную проводимость этого диэлектрика введением в его состав окиси бария. На рис. 2-7 показаны значения удельного объемного сопротивления электротёхнического фарфора и радиофарфора, содержащего окись бария, в зависимости от температуры.

Твердые пористые диэлектрики при наличии в них влаги, даже в ничтожных количествах, резко увеличивают свою удельную проводимость. Высушивание материалов повышает их удельное сопротивление, но при нахождении высушенных материалов во влажной среде вновь уменьшается. В табл. 2-2 приведены значения удельного объемного сопротивления пористых материалов при различной влажности окружающего воздуха и температуре. В связи с удалением влаги при 100° С пористые диэлектрики в сухом воздухе имеют более высокие значения удельного сопротивления, чем при 20° С и 70% относительной влажности воздуха. В сухом воздухе при 20° С значение р будет еще выше.

Выше была рассмотрена электропроводность твердых тел при относительно невысоких напряженностях электрического поля. При больших напряженностях поля необходимо учитывать возможность появления в кристаллических диэлектриках электронного тока, быстро возрастающего с увеличением напряженности. поля, вслёдствие чего наблюдаются отступления от закона Ома.

При напряженностях поля, превышающих 10—100 МВ/м, зависимость удельной проводимости от напряженности поля может быть выражена эмпирической формулой Пуля:

где Е — напряженность поля, γ— удельная проводимость в области независимости γ от Е, β— коэффициент, характеризующий материал.

При напряженностях поля, близких к пробивным значёниям, более точной оказывается формула Я. И. Френкеля

Керамические материалы в отличие от органической изоляции при отсутствии электрического поля не стареют, т. е. не происходит необратимых изменений их свойств под действием высоких температур. Однако в электрическом поле наблюдается электрохимическое старение керамики, часто вызывающее потерю электрической прочности. Необратимые изменения свойств в керамике объясняются выходом кислорода из решетки. Наиболее вероятен выход кислорода с поверхности образца и вблизи всякого рода дефектов: трещин, пор и др. В этом случае возникает отклонение от стехнометрического состава материала, которое может быть устранено лишь путем прокалки образца при высокой температуре в окислительной газовой среде. Обязательным условием электрохимического старения керамики является участие в электропроводности ионов диэлектрика хотя бы одного вида. Если электропроводность чисто электронная, электрохимическое старение невозможно. На рис. 2-8 показан характер зависимости тока сквозной электропроводности от времени при постоянном напряжении для керамики с электронной и ионной электропроводностью. Из рисунка ясна также роль электродов в увеличении сквозного тока через диэлектрик. Серебро мигрирует в керамику и увеличивает ее проводимость.

Дата добавления: 2015-07-19