Глава 3. Эксперементальные исследования и анализ диэлектрических храктеристик кристаллов слюды

Все вещества по электрическим свойствам условно делятся на три группы - проводники, диэлектрики и полупроводники. Диэлектрики отличаются от других веществ прочными связями электрических положительных и отрицательных зарядов, входящих в их состав. Вследствие этого электроны и ионы не могут свободно перемещаться под влиянием приложенной разности потенциалов. В отличие от диэлектриков в проводниках электрического тока электрические заряды не имеют таких связей, поэтому в проводниках электроны могут свободно перемещаться, создавая явление электрического тока. Практически в диэлектриках в силу ряда причин всегда имеется некоторое количество слабо связанных зарядов, способных перемещаться внутри вещества на большие расстояния. Иными словами, диэлектрики не являются абсолютными непроводниками электрического тока. Однако в нормальных условиях таких зарядов в диэлектриках очень мало, и обусловленный ими электрический ток, называемый током утечки, невелик.

Проводимость диэлектриков на много порядков меньше проводимости проводников. Обычно к диэлектрикам относятся вещества, имеющие удельную

электрическую проводимость не больше - См/м, проводникам – имеющие проводимость больше См/м. К диэлектрикам относятся все газы (включая пары металлов), многие жидкости, кристаллические, стеклообразные, керамические, полимерные вещества. Поскольку свойства вещества сильно зависят от его агрегатного состояния, обычно рассматривают отдельно физические явления в газообразных, жидких и твёрдых диэлектриках.

Диэлектрики с идеальной структурой не должны проводить электрический ток. В таких диэлектриках все частицы взаимосвязаны, они не могут приобретать ускорения под действием электрического поля, составляющую скорости в направлении поля и перемещаться на значительные по сравнению с молекулярными расстояния. Однако, как уже было сказано выше, в действительности в любом диэлектрике имеются нарушения структуры, обусловливающие наличие подвижных носителей зарядов - заряженных частиц, способных перемещаться на значительные расстояния под действием внешнего поля.

Рассмотрим случай включения диэлектрика с потерями под постоянное напряжение U. Если измерить с помощью осциллографа изменение проходящего через диэлектрик тока i в зависимости от времени t, считая с момента замыкания цепи, то получим убывающую функцию, стремящуюся к постоянной величине тока проводимости. Эту функцию можно, таким образом, разбить на две составляющие - постоянный ток проводимости и экспоненциально убывающий ток абсорбции:

(1.10)

где s - соответствующая току абсорбции проводимость диэлектрика (как правило, не равная 1/R); - постоянная времени спадания тока абсорбции, т.е.

время, в течение которого абсорбционный ток уменьшается в е раз.

Появление тока абсорбции может быть обусловлено различными причинами. В полярных диэлектриках он вызывается ориентацией дипольных молекул. Поворот их под действием внешнего электрического поля требует преодоления сил внутреннего трения (вязкости) вещества, что связано с затратой части электрической энергии и превращением ее в теплоту.

Построим векторную

диаграмму, изображенную ранее на

рисунке 1, в, более подробно (рис. 2).

Через диэлектрик идут три

синусоидальных тока:

1)емкостный ток, сдвинутый на

90° в сторону опережения от вектора

напряжения. Он равен:

(1.11)

где - " геометрическая" емкость.

2)ток абсорбции - _абс с двумя составляющими - активной '_абс и реактивной ''_абс.

3)ток проводимости I_емк = U/R = UG.

Таким образом, наличие тока абсорбции приводит к увеличению как активной проводимости (сверх значения G), так и емкости (сверх значения С_г).

Носители заряда находятся в непрерывном тепловом движении. Внешнее электрическое поле действует на них с силой F = еЕ, сообщая ускорение

а = F/m * = еЕ/m *, (1.1)

где т * - эффективная масса носителя заряда (она может отличаться от массы свободной заряженной частицы при электронном механизме проводимости твердых диэлектриков). Однако в процессе хаотического теплового движения носители зарядами периодически сталкиваются с атомами диэлектрика и теряют приращение скорости , приобретенное под действием поля за время свободного пробега между двумя следующими друг за другом столкновениями. В результате такого действия электрического поля и дезориентирующего влияния хаотического теплового движения носители заряда в среднем приобретают составляющую скорости

(1.2)

в направлении поля. Эта составляющая скорости называется скоростью дрейфа, а отношение /Е = - подвижностью носителей заряда.

В зависимости от структуры диэлектрика носители заряда могут иметь различную структуру и происхождение. В газообразных диэлектриках это - положительные и отрицательные ионы, электроны, возникающие в результате ионизации молекул газа частицами высокой энергии. В жидких диэлектриках это - ионы, возникающие в результате диссоциации молекул примесей, коллоидные заряженные частицы, а в некоторых случаях и электроны, эмитируемые из катода. В ионных кристаллах это - точечные дефекты кристаллической решетки - вакансии (пустые узлы) и междоузельные ионы. В твердых диэлектриках с электронным механизмом проводимости это - электроны в зоне проводимости и дырки в заполненной зоне, появляющиеся при освобождении части энергетических уровней заполненной зоны.

Во многих случаях после подключения источника постоянного напряжения к электродам значение тока, проходящего через диэлектрик, с течением времени уменьшается. В зависимости от свойств диэлектрика и электродов, и от механизма электропроводности такой спад может быть обусловлен разными причинами:

а) приэлектродной поляризацией - в случае ионной проводимости и блокирующих контактов с электродами (т.е. препятствующих прохождению зарядов через границу электрод-диэлектрик);

б) постепенным накоплением зарядов на границах раздела сред и связанным с ним перераспределением электрического поля - в случае неоднородных диэлектриков;

в) электроочисткой - необратимым удалением носителей заряда (ионов, коллоидных частиц) и разрядкой их на электродах (при отсутствии блокирующего контакта).

г) захватом электронов (или дырок), инжектированных в диэлектрик, на ловушки - носители заряда закрепляются, локализуются и перестают участвовать в переносе тока.

д) установлением релаксационной поляризации с течением времени, что определяет убывание со временем поляризационного тока.

В случае приэлектродной поляризации вблизи электродов накапливаются объемные заряды, что ведет к перераспределению потенциала по толщине диэлектрика (рис. 1). В результате напряженность поля в средней части образца диэлектрика уменьшается, с чем и связан спад тока с течением времени. Объемные заряды создают э.д.с., направленную обратно приложенному полю и достигающую нескольких киловольт (в связи с этим приэлектродная поляризация ранее называлась высоковольтной). Если источник напряжения отключить и замкнуть электроды на измерительный прибор, то появится так называемый ток разрядки, протекающий в направлении, обратном зарядному току, также убывающий с течением времени (рис. 2). В этом случае соблюдается приближенное равенство

(1.3)

где - момент отключения источника напряжения и замыкания электродов на измерительный прибор; - остаточный ток, устанавливающийся при .

На приведенном ниже рисунке приведены графики, отражающие вольт- амперную характеристику проводимости газообразного диэлектрика (а) и раствора электролита (б).

Электрический ток в газе, которому соответствует участок ОАВС на рис.З, называют тихим несамостоятельным разрядом. Значение тока на этом участке определяется только интенсивностью ионизации газа внешним источником.

При увеличении Е на участке CD наблюдается быстрое возрастание тока, обусловленное процессами ударной ионизации молекул. Однако и на указанном участке устранение внешнего источника ионизации приводит к уменьшению значения тока практически до нуля. Самоподдерживающаяся ионизация происходит при величине Е, достаточной для пробоя диэлектрика (штриховая линия на рис. 3, а).

В случае же с электролитами (рис. 3, б) на начальном участке кривой сила тока ограничена обратной э.д.с., возникающей в результате электролиза воды и образования водородно-кислородного гальванического элемента. Начиная с некоторого напряжения, она резко возрастает до предельного значения, которое при дальнейшем увеличении напряжения остается почти неизменным. Значению тока, равному половине разности предельного и основного, соответствует потенциал разрядки одного типа ионов . В ходе дальнейшего увеличения U достигается потенциал разрядки следующего иона , и сила тока вновь возрастает до нового участка насыщения. На этом основан, в частности, метод определения видов растворенных в воде ионов (и таким образом, состава примесей), называемый полярографией. Метод полярографии позволяет установить природу ионов, обусловливающих электролиз, по величине , а концентрацию их - по значению предельного тока.

В результате проведенных эксперементов по влиянию электрического поля было доказанно, что электрическое поле уменьшает диэликтрические параметры слоистых силикатов.