Электропроводность жидкостей в сильных полях

Электропроводность жидких диэлектриков в значительной степени определяется наличием газообразных, жидких и твердых примесей. Под действием электрического поля в жидкости происходит перераспределение примесных частиц. Это усиливает степень неоднородности поля в жидкости и приводит к возникновению вторичных процессов: образованию проводящих мостиков из твердых частиц или пузырьков газа, проводящих каналов и т. д.

В жидкостях технической очистки при малых напряженностях поля ток растет пропорционально напряжению, подобно тому, как это происходит в газах (см. область I на Рис. 5‑3). В области I выполняется закон Ома. В тщательно очищенных жидкостях при Е = E₁ появляется затем область насыщения тока.

Начиная с, некоторой напряженности поля Е = E₂ в жидких диэлектриках обнаруживается экспоненциальное возрастание тока; плотность тока j возрастает с увеличением напряженности Е по закону

,

где с — постоянная величина;
j₀ — значение плотности тока при Е₂

Рост тока в сильных полях может быть обусловлен увеличением подвижности ионов, увеличением степени диссоциации, наложением электронного тока, связанного с холодной эмиссией, из катода и, наконец, возникновением ударной ионизации.

При исследованиях электропроводности жидких диэлектриков участок насыщения обычно не обнаруживается; в зависимости тока от напряженности поля наблюдается только резкий изгиб (Рис. 5‑13). При напряженностях поля Е ниже некоторой критической Е₂ наклон кривой много меньше, чем при Е > Е₂. Так, для ксилола коэффициент с в формуле в сильных полях в 3,5 раза больше, чем в области полей с напряженностямн, меньшими E₂.

Рис. 5‑13 Зависимость тока от напряженности поля для очищенного ксилола. Расстояние между электродами из нержавеющей стали d = 0,37 мм

Величина граничной напряженности поля E₂ зависит от состава жидкости и степени ее загрязнения примесями, но типичные величины E₂ ~ (1-2)×10⁵ В/см

Если возрастание тока в области Е < Е₀ можно объяснить увеличением подвижности ионов, то во второй области Е > Е₀ по-видимому, возникает ударная ионизация электронами, входящими в жидкость из катода и оторванными от молекул.

Измерение токов проводимости в n-гексане на импульсах длительностью 10^-2 — 10^-6 с. показывает, что в полях до Е == 1250 кв/см изменение токов проводимости не указывает на наличие процессов ударной ионизации и только в более сильных полях предполагается начало развития указанных процессов.

В особо тщательно очищенных химически простых жидкостях при увеличении напряженности поля свыше 100 кв/см также наблюдается экспоненциальный рост тока в большом интервале напряженностей, начиная с Е = Е₂ (Рис. 5‑14). Из этих результатов следует, что с увеличением расстояния между электродами кривые I(E) сдвигаются вверх и, значит, плотность тока зависит не только от напряженности поля, но и от расстояния между электродами: с уменьшением расстояния плотность тока, а значит, и проводимость падает. Однако весьма тонкие слои жидких диэлектриков при действии на них высокого напряжения обнаруживают повышенную проводимость. Так, пленка трансформаторного масла при толщине более 100 мк. является диэлектриком с высоким удельным сопротивлением. При толщинах 20—30 мк пленка проявляет промежуточные свойства — состояние малой проводимости быстро сменяется состоянием высокой проводимости; может наблюдаться искрение и незначительное обугливание масла. При толщине менее 15 мк. масляная пленка обладает высокой проводимостью, приближающейся к проводимости металлов.

Рис. 5‑14 Зависимость тока от напряженности поля для тщательно очищенного n-гексана. Расстояния между электродами: 1—420 мк; 2 — 320 мк; 3 — 250 мк; 4 — 125 мк: 5 — 55 мк

Вернемся к вопросу о физических явлениях при экспоненциальном возрастании тока для Е > E₂. Согласно теории А.Ф. Вальтера и Л.Д. Инге электропроводность жидких диэлектриков в сильных полях определяется холодной эмиссией электронов из катода и ударной ионизацией.

Плотность тока холодной эмиссии из металла в вакуум возрастает с увеличением напряженности поля E_к у поверхности катода по условию

,

где a и b — постоянные, зависящие от работы выхода электронов из металла.

Наличие диэлектрической среды уменьшает работу выхода электронов из металла. Электроны, вышедшие из катода, вызывают в жидкости ударную ионизацию и ток, плотность которого определяется зависимостью

,

где j_к — плотность тока холодной эмиссии;
Е_к — напряженность поля у катода;
d — расстояние между электродами;
α — коэффициент ударной ионизации электронами.

Экспериментальные данные согласуются с формулой .

Таким образом, в жидкостях величина и характер зависимости тока от напряженности поля в сильных полях ( ) определяется холодной эмиссией электронов из катода и ударной ионизацией.

В резко неоднородных полях и при больших расстояниях между электродами напряженность поля может достигать высоких значений только в ограниченной области около острия. Тогда роль эмиссии электронов из катода не является решающим фактором, а роль ударной ионизации значительно возрастает.