56. Электропроводность твердых диэлектриков
Электропроводность твердых диэлектриков чаще всего носит ионный характер. Это связано с тем, что ширина запрещенной зоны в диэлектриках W >> kТ и лишь ничтожное количество электронов может отрываться от своих атомов за счет теплового движения. Ионы же часто оказываются слабо связанными в узлах решетки и энергия W, необходимая для их срыва, сравнима с kТ. Например, в кристалле NaCl W = 6 эВ, энергия отрыва ионов натрия W = 0.6 эВ. Поэтому, несмотря на меньшую подвижность ионов (ИОН) по сравнению с подвижностью электронов ЭЛ ионная проводимость оказывается больше за счет значительно большей концентрации свободных ионов:
nИОН · q · ИОН >> nЭЛ · е · ЭЛ (5.0)
(В диэлектрике с электронной электропроводностью nЭЛ в 109-1012 раз меньше, чем nИОН в диэлектрике с ионной электропроводностью при одинаковом заряде носителей и одинаковом значении удельной проводимости.)
При низких температурах передвигаются слабо закрепленные ионы, в частности, ионы примесей. При высоких температурах движутся основные ионы кристаллической решетки.
Удельная проводимость (в См/м) при температуре Т
= q · NT · T, (5.0)
где q – заряд носителя, Кл; NT – число носителей в единице объема при температуре Т; м-3; T - подвижность, м2/В·с).
При относительно невысоких напряженностях электрического поля концентрация носителей заряда и подвижность не зависят от Е, т.е. скорость их перемещения V пропорциональна напряженности поля V=E — соблюдается закон Ома.
При ионной электропроводности число ионов, принимающих участие в переносе тока, находится в экспоненциальной зависимости от Т:
NT = N·ехр[–W/(kТ)], (5.0)
где N — общее число ионов в 1 м3; W — энергия активации иона. Подвижность иона также выражается экспоненциальной зависимостью от температуры:
T = MAX ·ехр[–WП/(kТ)], (5.0)
где MAX – предельная подвижность иона; WП – энергия перемещения иона, определяющая переход иона из одного неравновесного положения в другое.
Подставляя NT и T в формулу для удельной проводимости, объединяя постоянные N, q и MAX одним коэффициентом А, имеем:
= А·ехр(-b/Т), (5.0)
где b = (W + WП)/k.
Формула (5.21) показывает, что чем больше значения W и WП, тем резче изменяется проводимость при изменении температуры. Ввиду того, W>>WП, температурная зависимость проводимости определяется главным образом изменением концентрации носителей.
Если в диэлектрике ток обусловлен передвижением разнородных ионов выражение для удельной проводимости принимает вид:
= Аi · ехр[–W/kТ] (5.0)
В связи с этим кривые логарифмической зависимости удельной проводимости от температуры имеют изломы. При низких температурах электропроводность обусловлена ионизированными примесями, при высоких температурах она становится собственной. По наклонам участков прямых зависимостей ln(1/Т) можно определить энергию активации носителей заряда и их природу:
(5.0)
Ионная электропроводность сопровождается переносом вещества: положительные ионы идут к катоду, а отрицательные к аноду. Электролиз особенно ярко выражен при повышенных температурах, когда мало, и приложении высоких постоянных напряжений. По выделившемуся на электродах веществу можно определить характер носителей заряда.
У твердых пористых диэлектриков при наличии в них влаги даже в ничтожно малых количествах значительно увеличивается удельная проводимость. Высушивание материалов повышает их электрическое сопротивление, но при нахождении высушенных материалов во влажной среде сопротивление материалов вновь уменьшается.
Наиболее заметное снижение удельного объемного сопротивления под влиянием влажности наблюдается у пористых материалов, которые содержат растворимые в воде примеси, создающие электролиты с высокой проводимостью. Для уменьшения влагопоглощения и влагопроницаемости пористые изоляционные материалы подвергают пропитке.
При больших напряженностях электрического поля необходимо учитывать возможность появления в твердых диэлектриках электронного тока, быстро возрастающего с увеличением напряженности поля, в результате чего наблюдается отступление от закона Ома.