Электропроводность твердых тел

Электропроводность твердых тел обусловливается передвижением ионов как самого диэлектрика, так и ионов случайных примесей, а у некоторых материалов может быть вызвана наличием свободных электронов.

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

В каждом отдельном случае вопрос о механизме электропроводности решается на основании данных об энергии активации носителя заряда.

При больших напряженностях поля необходимо учитывать возможность появления в кристаллических диэлектриках электронного тока, быстро возрастающего с увеличением напряженности поля, вследствие 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:

, (7)

где – удельная проводимость в области независимости от E;

– коэффициент, характеризующий диэлектрические свойства материала;

E – напряженность поля.

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

. (8)

Поверхностная электропроводность твердых тел

Поверхностная электропроводность обусловлена присутствием влаги или других загрязнений на поверхности диэлектрика. Однако, поскольку сопротивление адсорбированной пленки влаги связано с природой материала, на поверхности которого она находится, поверхностную электропроводность обычно рассматривают как свойство самого диэлектрика.

Удельная поверхностная проводимость тем ниже, чем меньше плотность вещества, чем чище поверхность диэлектрика и чем лучше она отполирована. Наиболее высокими значениями удельного поверхностного сопротивления обладают неполярные диэлектрики, поверхность которых не смачивается водой. Полярные диэлектрики характеризуются более низкими значениями _s, заметно уменьшающимися во влажной среде. Особенно резкое понижение удельного поверхностного сопротивления можно наблюдать у полярных диэлектриков, частично растворимых в воде, у которых на поверхности образуется пленка электролита. Кроме того, к поверхности полярных диэлектриков легко прилипают различные загрязнения, также приводящие к снижению _s. Низкие значения удельного поверхностного сопротивления имеют и объемно-пористые материалы, так как процесс поглощения влаги толщей материала стимулирует также и образование поверхностных пленок воды.

Стремясь повысить удельное поверхностное сопротивление применяют разнообразные приемы очистки поверхности :промывку водой, растворителями, прокаливание при температуре 600-700 ⁰С. Наиболее эффективной является очистка поверхности изделия, не впитывающего воду, продолжительным кипячением в дистиллированной воде. Пропитка поверхностных слоев детали церезином или парафином не обеспечивает достаточной устойчивости значений _s при высокой влажности ввиду возможности проникновения влаги в микропоры поверхности изделия сквозь защитные покрытия. Покрытие керамики и стекол кремнийорганическими лаками значительно повышает величину удельного поверхностного сопротивления изделий во влажной среде.

Гетина́кс — электроизоляционный слоистый прессованный материал, имеющий бумажную основу, пропитанную фенольной или эпоксидной смолой.

В основном используется как основа заготовок печатных плат. Материал обладает низкой механической прочностью, легко обрабатывается и имеет относительно низкую стоимость. Широко используется для дешёвого изготовления плат в низковольтной бытовой аппаратуре, т.к. в разогретом состоянии допускает штамповку, благодаря чему получается плата любой формы вместе со всеми отверстиями.

Таблица 1- Свойства гетинакса.

Плотность	кг/м3	1300-1400
Разрушающее напряжение при изгибе перпендикулярно слоям, не менее	МПа	135
Разрушающее напряжение при растяжении, не менее	МПа	120
Удельное объемное электрическое сопротивление после кондиционирования в условиях 24 ч/23°С/93% для листов толщиной до 4 мм, не менее	Ом*м	1*106
Тангенс угла диэлектрических потерь при частоте 50 Гц, после кондиционирования в условиях 96 ч/105°С/20%, не более	-	0,05
Пробивное напряжение параллельно слоям (одноминутное  проверочное испытание) в условиях М/90°С/трансформаторное  масло, не менее	кВ	16

Практическая часть:

Р исунок 2 – Блок схема измерений

Измерительный стенд включает в себя следующие компоненты:

1. термостат;

2. тераомметр Е6-13А

Рисунок 3 – Приемная кассета термостата

1, 5 – планки; 2 – основание (электрод «Н»; 3, 4 – крепежные винты;

6 – исследуемый образец; 7 – электрод «К»; 8 – электрод «С»

Расчеты производятся по формулам:

P_v = (π D²/4h) R_v, Ом м; (2.1)

P_s = (π D/g) R_s, Ом; (2.2)

D = (d₁+d₂)/2, м; (2.3)

где h – толщина исследуемого образца, м;

R_v – измеренное объемное сопротивление, Ом;

g – величина зазора между электродами «С» и «К», м;

R_s – измеренное поверхностное сопротивление, Ом;

d₁ – диаметр электрода «С», м;

d₂ – внутренний диаметр электрода «К», м.

Таблица 2 – Результаты измерений.

Диаметр электрода «С» d1, м	0,05	Внутренний диаметр электрода «К» d2, м					0,054		Толщина исследуемого образца h, м					0,015
Температура t, 0С			30	35	40	45		50	55	60	65	70	75	80
Измеренное объемное сопротивление Rv, 1011 МОм			7	8	8	4,5		3,8	2,9	2,4	0,8	0,5	0,22	0,18
Измеренное поверхностное сопротивление Rs, 1011 МОм			20	12	7	5,8		3,5	3	0,85	0,6	0,26	0,2	0,15
Удельное объемное сопротивление Pv, 1011 МОм м			0,99	1,13	1,13	0,63		0,54	0,41	0,34	0,11	0,07	0,03	0,025
Удельное поверхностное сопротивление Ps, 1013 Ом			16,3	1	5,7	4,7		2,8	2,4	0,7	0,48	0,21	0,16	0,12

Рисунок 3 – Зависимость удельного объемного сопротивления P_v(t)

от температуры.

Рисунок 4 – Зависимость удельного поверхностного сопротивления P_s(t)

от температуры.

Вывод

Удельные поверхностное и объемное сопротивления имеют обратную зависимость от температуры. Графики зависимости отражают убывание значений удельных сопротивлений.