Электропроводность диэлектриков

Электроизоляционные материалы, применяемые в технике, не являются идеальными диэлектриками в связи с присущей им небольшой электропроводностью.

Поляризационные процессы смещения связанных зарядов в диэлектрике протекают во времени до момента установления равновесия и создают токи смещения (токи поляризации). В случае электронной и ионной поляризаций эти токи практически не удается зафиксировать приборами. Токи смещения различных видов замедленной поляризации, наблюдаемые в большинстве технических диэлектриков, называют токами абсорбции. При приложении постоянного напряжения они наблюдаются только при включении и выключении, меняя свое направление

Наличие в технических диэлектриках небольшого числа свободных зарядов приводит к возникновению малых по величине сквозных токов.

Следовательно, в диэлектрике протекают абсорбционный ток (i_абс), обусловленный смещением связанных зарядов, и сквозной ток (i_скв) за счет направленного перемещения свободных носителей зарядов. Ток, протекающий в диэлектрике под действием внешнего электрического поля, называется током утечки (i_ут).

Плотность тока утечки в диэлектриках определяется суммой сквозного тока и тока абсорбции (А/м²):

(9)

На рис.14 приведена зависимость изменения тока утечки в диэлектрике после приложения к нему постоянного напряжения.

Рис. 14. Зависимость тока через диэлектрик от времени

Как следует из рис.14, ток абсорбции изменяется c течением времени (t) по закону затухающей экспоненты. После окончания процессов поляризации через диэлектрик протекает только сквозной ток.

Сопротивление диэлектрика, называемое сопротивлением изоляции R_из, определяется только величиной сквозного тока и определяется по формуле:

(10)

где U – приложенное постоянное напряжение.

Следовательно, для оценки состояния изоляции необходимо измерять ток утечки спустя некоторое время после приложения напряжения, когда закончатся поляризационные процессы и ток абсорбции спадет до нуля. На практике измерение тока утечки производят через одну минуты после приложения к диэлектрику постоянного напряжения, считая, что процессы замедленной поляризации закончились. Следует иметь в виду, что при приложении к диэлектрику переменного электрического поля поляризация будет продолжаться до снятия поля.

Особенностью электропроводности диэлектриков является ее ионный характер (ионы переносят с собой часть вещества).

Для твердых электроизоляционных материалов различают объемную и поверхностную электропроводности и соответственно объемное и поверхностное сопротивления. Объемная электро-проводность обусловлена свойствами самого диэлектрика. Поверхностная же электропроводность обусловлена присутствием на поверхности диэлектрика влаги и различных загрязнений. Поскольку вода отличается значительной электропроводностью, то даже тончайший слой влаги на поверхности диэлектрика приводит к появлению заметной проводимости, определяемой в основном толщиной увлажненного слоя.

Поскольку толщина адсорбированного слоя влаги и его сопротивление связаны с природой материала, на поверхности которого находится этот слой, то поверхностную электропроводность обычно рассматривают как свойство самого диэлектрика. Поверхностная электропроводность тем ниже, чем меньше полярность вещества, чем чище поверхность диэлектрика и чем лучше она отполирована. Наиболее высокими значениями поверхностного сопротивления обладают неполярные диэлектрики, поверхность которых не смачивается водой. Пониженное значение поверхностного сопротивления можно наблюдать у полярных диэлектриков, частично растворимых в воде, у которых на поверхности образуется пленка электролита. Кроме того, к поверхности полярных диэлектриков притягиваются и оседают на ней различные загрязнения.

Адсорбция влаги на поверхности диэлектрика находится в тесной зависимости от относительной влажности окружающего воздуха. Особенно резкое увеличение поверхностной проводимости наблюдается при относительной влажности воздуха, превышающей 70–80% (рис. 15).

Рис. 15. Зависимость удельного поверхностного сопротивления твердого диэлектрика от относительной влажности воздуха: 1 – неполярный; 2 - полярный; 3 – частично растворимый полярный диэлектрик

Для сравнительной оценки различных материалов по их объемной и поверхностной электропроводности, пользуются значениями удельного объемного сопротивления ρ и удельного поверхностного сопротивления ρ_S.

В системе СИ удельное объемное сопротивление ρ численно равно сопротивлению куба с ребром в 1 м, вырезанного реально или мысленно из исследуемого материала, если ток проходит сквозь куб от одной его грани к противоположной. Единица измерения удельного объемного сопротивления Ом·м. Если для измерения берется не куб, а плоский образец материала, то при однородном поле удельное объемное сопротивление рассчитывается по формуле:

(11)

где R — объемное сопротивление образца, Ом; S — площадь электрода, м²; h — толщина образца, м.

Объемное сопротивление образца будет равно:

(12)

Удельное поверхностное сопротивление численно равно сопротивлению квадрата любых размеров, мысленно или реально выделенного на поверхности исследуемого материала, если ток проходит через квадрат от одной его стороны к противоположной. Единица измерения удельного поверхностного сопротивления Ом. Если для измерения берется не квадрат, а прямоугольник, то удельное поверхностное сопротивление в Ом рассчитывается по формуле:

(13)

где R_s — поверхностное сопротивление образца материала, Ом,

d – ширина электродов, l – расстояние между электродами.

Поверхностное сопротивление будет равно:

(14)

По удельному объемному сопротивлению можно определить удельную объемную проводимость:

(15)

Удельная поверхностная проводимость определяется аналогично:

(16)

Удельная поверхностная проводимость измеряется в сименсах (См), а удельная объемная проводимость – См·м^-1.

При длительной работе диэлектрика под напряжением сквозной ток через жидкие и твердые диэлектрики может уменьшаться или увеличиваться. Уменьшение сквозного тока характеризует увеличение сопротивления изоляции за счет электрической очистки образца. Слабо закрепленные ионы примесей даже в слабых электрических полях ионизируются и постепенно осаждаются на электродах.

Увеличение сквозного тока происходит вследствие старения материала, под которым понимают необратимое ухудшение изоляционных свойств (уменьшение сопротивления изоляции), что в конечном итоге, может привести к пробою диэлектрика.