Com-ip.ru

КОМ IP
1 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Причины возникновения сквозного тока в диэлектриках

Электропроводность диэлектриков

К диэлектрикам относятся материалы с большой шириной запре­щенной зоны, поэтому концентрация свободных электронов в них ничтожно мала.

Опыт показывает, что удельное сопротивление диэлектриков не бесконечно велико и часто в них имеются значительные потери именно из-за протекания сквозных токов. В микросхемах расстояния меж­ду проводниками, находящимися под напряжением, очень малы ( 5 . 10 мкм) и, несмотря на ма­лые напряжения, токи утечки могут быть достаточными для по­явления паразитных сигналов. В СВЧ-устройствах потери в ди­электрике приводят к затуханию сигналов в линии, то есть также к утрате работоспособности.

Установлено, что причиной повышенной электропроводности диэлектриков является наличие в них подвижных ионов — носи­телей заряда.

Однозначно теоретически предска­зать концентрацию ионов в диэлектриках нельзя из-за их различ­ной природы и бесконечного разнообразия примесей и дефектов.

В электропроводности могут участвовать как собственные ионы (в солях, стеклах, керамике при повышенных температурах), так и ионы примеси. Поэтому ионная электропроводность наблюдает­ся и в материалах, имеющих неионное строение, например, в по­лимерах.

Так же, как и в полупроводниках, различить собствен­ную и примесную электропроводность в диэлектриках можно по виду ее температурной зависимости. Вклад различных примесей в электропроводность диэлектриков неравнозначен: наибольшее значение имеют легкоподвижные ионы. Ионная электропровод­ность осуществляется подобно диффузии — в простейшем случае перемещением ионов по вакантным узлам решетки. Отличие со­стоит лишь в движущей силе: при электропроводности это — раз­ность потенциалов, при диффузии — уменьшение химического по­тенциала, которое можно выразить через градиент концентраций. Поэтому существует связь между подвижностью ионов µ, и коэф­фициентом диффузии D, строго определяемая соотношением Эйн­штейна: µ=eD/kT.

Поскольку коэффициенты диффузии ионов при комнатной температуре очень малы (не более 10 -15 см 2 /с), их по­движность, вычисленная по соотношению Эйнштейна, оказывается низкой, порядка 10 -14 см 2 /(В∙с). Подвижны только так называемые быстродиффундирующие при­меси. Такими примесями во многих диэлектриках являются ионы Cu+, Au+, Ag +, K+, но особенно Na +, Н+, легко проникающие через тонкие пленки уже при комнатных темпера­турах, а при высоких температурах — и через стенки кварцевой аппаратуры.

Рис 2.7. Температурная зависимость электропроводности диэлектрика

Вследствие экспоненциального роста удельной проводимости изоляционные свойства диэлектриков резко ухудшаются с повышением температуры (рис.2.7).

Поскольку ионная электропро­водность, в отличие от электронной, представляет собой перенос не только зарядов, но и вещества, в процессе длительной эксплуа­тации изменяется химический состав диэлектрика. Следствием этого может быть и постепенная деградация диэлектрика и пол­ное разрушение, особенно при воздействии постоянного электри­ческого поля на тонкопленочные структуры. Поэтому в ответствен­ных случаях, например в производстве ИС, чистоте, однородности и структуре диэлектрических пленок уделяют не меньшее внима­ние, чем качеству самого полупроводника.

Говоря об ионной электропроводности, мы рассматривали объем диэлектрика. Удельное объемное сопротивление – параметр, который при постоянной температуре не зависит от внешних условий.

В противоположность этому поверхностные слои диэлектрика способны активно взаимодействовать с окружающей средой. Поверхность ионных диэлектриков может быть сплошь покрыта тонкой пленкой адсорбированной воды.

Свойства адсорбционных слоев количественно охарактеризо­вать трудно, поскольку их толщина и удельное сопротивление не поддаются непосредственному измерению. Чтобы, не имея этих данных, количественно оценить состояние поверхности диэлектри­ка, используется тот же параметр, что был введен выше для про­водниковых и резистивных пленок — удельное поверхностное со­противление. Разница состоит в том, что связь между парамет­рами и в диэлектриках неопределенна, тогда как для про­водников пересчет легко сделать, зная толщину пленки. Высокие значения удельного поверхностного сопротивления ps во влаж­ной атмосфере имеют только те диэлектрики, поверхность кото­рых обладает гидрофобными свойствами, то есть те, угол смачива­ния которых > 90°.

Измерения удельного поверхностного сопротивления диэлектриков преследуют цель оценить реальное состояние по­верхности в зависимости либо от состояния окружающей атмо­сферы, либо от качества обработки поверхности. В частности, именно таким способом ведется контроль отмывки поверхности печатных плат после травления рисунка. Если поверхность сло­истого пластика очищена от остатков реагентов — кислот и со­лей — недостаточно тщательно, удельное поверхностное сопротивление снижается примерно до 10 6 Ом, тогда как при выполнении всех необходимых требований его значение должно быть близ­ким к удельному объемному сопротивлению, для стеклотекстолита к 10 14 Ом.

Потери в диэлектриках

Потери энергии в диэлектриках обусловлены протеканием в них двух видов активных токов — сквозного (объемного и поверхно­стного) и тока абсорбции. Из них второй представляет собой активную часть поляризационного тока, расходуемую при уста­новлении дипольной и миграционной поляризации. Ток абсорбции протекает только при изменении напряженности, то есть при dE/dt ¹ 0. Вследствие инерционности релаксационных видов поля­ризации токовое равновесие в диэлектрике устанавливается не сразу после подачи напряжения, так же как не сразу падает до нуля после отключения питания.

Количественной мерой потерь в данном диэлектрике служит тангенс угла диэлектрических потерь tg . Определение tg сле­дует из векторной диаграммы (рис. 2.8). В реальном диэлек­трике, заключенном между двумя контактами, фазовый сдвиг между током и напряжением менее л/2. Таким образом, угол, дополняющий до прямого фазовый сдвиг между током и напряжением в емкостной цепи или, что то же, угол между вектором полного тока и его реактивной состав­ляющей, называется углом диэлектрических потерь. Практическое значение tg как одного из важнейших диэлектрических параметров материала состоит в том, что он определяет потери мощности:

Читать еще:  Отличие красных розеток от белых

,

где — круговая частота, – напряжение в цепи, обладающей емкостью С.

Рис.2.8. Векторные диаграммы токов и напряжений в диэлектрике

Электрическая прочность

Электрическая прочность — способность диэлектрика сохранять высокое удельное сопротивление в полях большой напряженно­сти: , где — пробивное напряжение, то есть мини­мальное напряжение, приложенное к диэлектрику, приводящее к его пробою; d — толщина диэлектрика. Электрическая прочность не является фундаментальным па­раметром материала, в широких пределах изменяется в зависи­мости от толщины диэлектрика и условий теплоотвода.

Вопросы для самопроверки

1. Что такое поляризация диэлектрика? Поясните, почему диэлектрическая проницаемость является мерой поляризации диэлектрика?

2. Какие виды поляризации являются замедленными?

3. В чем различие между ионной поляризацией и релаксационными механизмами поляризации?

4. Каков механизм электропроводности диэлектриков? Как влияет температура на удельную электропроводность?

5. Что такое диэлектрические потери? Каковы физические причины возникновения потерь в диэлектрике?

6. Что характеризует тангенс угла диэлектрических потерь?

7. Почему материалы с высокими значениями тангенса угла диэлектрических потерь нельзя использовать в технике высоких частот и СВЧ-диапазона?

8. Какая электрическая упорядоченность свойственна сегнетоэлектрикам?

9. Как объяснить диэлектрический гистерезис и нелинейность зависимости заряда от напряженности электрического поля у сегнетоэлектриков?

10. Какие внешние факторы влияют на наличие спонтанной поляризации у сегнетоэлектриков?

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Сквозной ток — утечка

Для многих электроизоляционных материалов характерна ионная электропроводность, связанная с переносом ионов, т.е. явлением электролиза. В ряде случаев электролизу при прохождении через диэлектрик сквозного тока утечки подвергается основное вещество диэлектрика; примером может служить обычное стекло, в котором благодаря его прозрачности можно непосредственно наблюдать образование и перенос продуктов электролиза; при пропускании постоянного тока через стекло, нагретое для повышения проводимости ( см. ниже), у катода образуются древовидные отложения ( дендриты) входящих в состав молекул стекла металлов, прежде всего натрия. Еще чаще ( по крайней мере, для органических электроизоляционных материалов) встречаются такие случаи, когда молекулы основного вещества диэлектрика не обладают способностью подвергаться диссоциации, но ионная электропроводность возникает благодаря присутствию в материале практически неизбежных загрязнений — примесей воды, солей, кислот, щелочей и пр. Даже весьма малые примеси способны заметно влиять на проводимость диэлектрика; поэтому в технике электрической изоляции важное значение имеет чистота исходных продуктов и чистота рабочего места. У диэлектриков с ионным характером электропроводности соблюдаются законы Фарадея: количество выделившегося при электролизе вещества пропорционально количеству прошедшего через материал электричества. [16]

При включении конденсатора в цепь с переменным напряжением потери энергии в нем возрастают. Это объясняется тем, что, кроме потерь энергии за счет сквозного тока утечки , возникают потери энергии в диэлектрике конденсатора. [18]

Сопротивление изоляции может уменьшаться с повышением приложенного к изоляции напряжения, что имеет большое практическое значение. При более высоких напряжениях ( значения напряжения в киловольтах указаны при графиках) кривые зависимости сквозного тока утечки от температуры проходят выше, чем для более низких напря жений. [19]

Уравнению ( 56) соответствует эквивалентная схема, показанная в нижней части того же рисунка. Здесь С — емкость, обусловленная быстрой поляризацией ( деформационной), устанавливающейся практически мгновенно ( за 10 13 — 10 — 15 сек) и определяющей составляющую тока z H; время спадания тока z H определяется значениями С и г ( емкостью и сопротивлением зарядной цепи); Са — абсорбционная емкость, обусловленная замедленной поляризацией ( релаксационной), определяющей составляющую тока га; время спадания тока ia определяется значениями Са и некоторого фиктивного сопротивления га, формально характеризующего медленность спадания тока га; Ваз — сопротивление изоляции, соответствующее сквозному току утечки . [21]

Практически используемые диэлектрики содержат в своем объеме небольшое количество свободных зарядов, которые перемещаются в электрическом поле. Поэтому диэлектрики на постоянном напряжении пропускают весьма малый ток. Этот ток называют сквозным током утечки . [22]

Во время проведения измерений стрелка прибора не сразу останавливается в каком-то определенном положении. Сначала она показывает меньшее сопротивление, постепенно показания увеличиваются и стрелка устанавливается на цифре, определяющей сопротивление изоляции обмотки относительно корпуса. Постепенный подход стрелки к установившемуся значению объясняется тем, что в первые моменты времени в изоляции возникают поляризационные токи, происходит зарядка своеобразного конденсатора, обкладками которого являются проводники обмотки и сталь магни-топррвода, а диэлектриком — изоляции обмотки. Эти токи постепенно уменьшаются и после их прекращения остается так называемый сквозной ток утечки , который и характеризует сопротивление изоляции. Поэтому окончательные результаты измерения получают спустя минуту после начала вращения рукоятки мегаомметра. Записывают также показания через 15 с после измерений. [23]

Что такое диэлектрические потери и из-за чего они возникают

Диэлектрическими потерями называют энергию, рассеиваемую в единицу времени е диэлектрике при воздействии на него электрического поля и вызывающую нагрев диэлектрика. При постоянном напряжении потери энергии определяются только силой сквозного тока, обусловленного объемной и поверхностной проводимостями. При переменном напряжении к этим потерям добавляются потери, обусловленные различного вида поляризациями, а также наличием полупроводниковых примесей, окислов железа, углерода, газовых включений и т. п.

Рассматривая простейший диэлектрик, можно записать выражение рассеиваемой в нем под воздействием переменного напряжения мощности:

Читать еще:  Негорючая площадка под розетку

где U — приложенное к диэлектрику напряжение, I а — активная составляющая тока, протекающего через диэлектрик.

Схему замещения диэлектрика обычно представляют в виде последовательно соединенных конденсатора и активного сопротивления. Из векторной диаграммы (см. рис. 1):

где δ — угол между вектором полного тока I и его емкостной составляющей Ic.

где — емкость конденсатора (данного диэлектрика) при угловой частоте ω .

В результате рассеиваемая в диэлектрике мощность равна

Pa = U 2 ·ω·C · tgδ ,

то есть потери энергии, рассеиваемые в диэлектрике, пропорциональны тангенсу угла δ , который называется углом диэлектрических потерь или просто углом потерь. Этот угол δ к характеризует качество диэлектрика. Чей меньше угол д иэлектрических потерь δ , тем выше диэлектрические свойства изоляционного материала.

Рис. 1. Векторная диаграмма токов в диэлектрике, находящимся под напряжением переменного тока.

Введение понятия угла δ удобно для практики тем, что вместо абсолютного значения диэлектрических потерь рассматривается относительное значение, позволяющее сравнить между собой изоляционные изделия с различными по качеству диэлектриками.

Диэлектрические потери в газах

Диэлектрические потери в газах малы. Газы имеют весьма малую электропроводность. Ориентация дипольных молекул газа при их поляризации не сопровождается диэлектрическими потерями. Зависимость tgδ = f ( U ) называют кривой ионизации (рис. 2).

Рис. 2. Изменение tgδ в зависимости от напряжения для изоляции с воздушными включениями

По возрастанию tgδ с увеличением напряжения можно судить о наличии газовых включений в твердой изоляции. При значительных ионизации и потерях в газе может произойти разогрев и разрушение изоляции. Поэтому изоляцию обмоток высоковольтных электрических машин для удаления газовых включений при изготовлении подвергают специальной обработке — сушке под вакуумом, заполнению пор изоляции разогретым компаундом под давлением, обкатке к прессовке.

Ионизация воздушных включений сопровождается образованием озона и окислов азота, разрушительно действующих на органическую изоляцию. Ионизация воздуха в неравномерных полях, например в линиях электропередач, сопровождается видимым световым аффектом (короной) и значительными потерями, что снижает к. п. д. передачи.

Диэлектрические потери в жидких диэлектриках

Диэлектрические потери в жидкостях зависят от их состава. В нейтральных (неполярных) жидкостях без примесей электропроводность очень мала, поэтому в них малы и диэлектрические потери. Например, очищенное конденсаторное масло имеет tgδ

В технике наибольшее распространение получили полярные жидкости (совол, касторовое масло и т.п.) или смеси нейтральных и дипольных жидкостей (трансформаторное масло, компаунды и т. п.) у которых диэлектрические потери значительно больше, чем у нейтральных жидкостей. Например, tgδ касторового масла при частоте 10 6 Гц и температуре 20 о С (293 К) равен 0,01.

Диэлектрические потери полярных жидкостей зависят от вязкости. Эти потери называют дипольными, так как они обусловлены дипольной поляризацией.

При малой вязкости молекулы ориентируются под действием поля без трения, дипольные потери при этом малы, а общие диэлектрические потери обусловлены только электропроводностью. С увеличением вязкости дипольные потери возрастают. При некоторой вязкости наступает максимум потерь.

Это объясняется тем, что при достаточно большой вязкости молекулы не успевают следовать за изменением поля и дипольная поляризация практически исчезает. Диэлектрические потери при этом малы. При повышении частоты максимум потерь смещается в область более высокой температуры.

Зависимость потерь от температуры носит сложный характер: tgδ увеличивается с ростом температуры, достигает своего максимума, затем уменьшается до минимума, после чего снова возрастает, это объясняется ростом электропроводности. Дипольные потери возрастают с увеличением частоты до тех пор, пока поляризация успевает следовать за изменением поля, после чего дипольные молекулы уже не успевают полностью ориентироваться в направлении поля и потери становятся постоянными.

В маловязких жидкостях при низких частотах преобладают потери сквозной проводимости, а потери дипольные незначительны, при радиочастотах, наоборот, дипольные потери велики. Поэтому дипольные диэлектрики не используются в полях высокой частоты.

Диэлектрические потери в твердых диэлектриках

Диэлектрические потери в твердых диэлектриках зависят от структуры (кристаллической или аморфной), состава (органического или неорганического) и характера поляризации. В таких твердых нейтральных диэлектриках, как сера, парафин, полистирол, обладающих только электронной поляризацией диэлектрические потери отсутствуют. Потери могут быть обусловлены только примесями. Поэтому такие материалы находят применение в качестве высокочастотных диэлектриков.

Неорганические материалы, такие, как монокристаллы каменной соли, сильвина, кварца, чистой слюды, обладающие электронной и ионной поляризациями, имеют малые диэлектрические потери, обусловленные только сквозной электропроводностью. Диэлектрические потери в этих кристаллах не зависят от частоты, a tgδ уменьшается с ростом частоты. С увеличением температуры потери и tgft меняются так же, как и электропроводность, возрастая по закону экспоненциальной функции.

В стеклах различного состава, например, керамике с большим содержанием стекловидной фазы, наблюдаются потери, обусловленные электропроводностью. Эти потери вызваны передвижением слабо связанных ионов, обычно они проявляются при температурах выше 50 — 100 о С (323 — 373 К). Эти потери заметно возрастают с температурой по закону экспоненциальной функции и мало зависят от частоты ( tgδ уменьшается с ростом частоты).

В неорганических поликристаллических диэлектриках (мрамор, керамика и т. п.) возникают дополнительные диэлектрические потери, вызванные наличием полупроводящих примесей: влаги, окислов железа, углерода, газа и т. п. Потери в полукристаллических телах могут иметь разные значения даже для одного и того же материала, поскольку свойства материала меняются под воздействием условий окружающей среды.

Читать еще:  Группа розеток 4 розетки

Диэлектрические потери в органических полярных диэлектриках (древесина, эфиры целлюлозы, натуральный щелк, синтетические смолы) обусловлены структурной поляризацией за счет неплотной упаковки частиц. Эти потери зависят от температуры, имея максимум при определенной температуре, а также от частоты, увеличиваясь с ее ростом. Поэтому упомянутые диэлектрики не применяют в полях высоких частот.

Характерно, что зависимость tgδ от температуры для бумаги, пропитанной компаундом, имеет два максимума: первый наблюдается при отрицательных температурах и характеризует потери клетчатки, второй максимум при повышенной температуре обусловлен дипольным потерями компаунда. С увеличением температуры в полярных диэлектриках возрастают потери, связанные с электропроводностью.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Ответы на 166 вопросов по дисциплине «Конструкционные и электротехнические материалы» (Зоны энергии в кристаллах. Применение магнитотвердых материалов)

Страницы работы

Фрагмент текста работы

А́том (от др.-греч. ἄτομος — неделимый) — частица вещества микроскопических размеров и массы, наименьшая частьхимического элемента, являющаяся носителем его свойств

Ио́н (др.-греч. ἰόν — идущее) — одноатомная или многоатомная электрически заряженная частица, образующаяся в результате потери или присоединения атомом илимолекулой одного или нескольких электронов. Ионизация (процесс образования ионов) может происходить при высоких температурах, под воздействием электрического поля, ионизирующего излучения и т.п.

Общее временное уравнение Шредингера, позволяющее определить в любой момент времени волновую функцию для частицы массы , движущейся в силовом поле , описываемом скалярной потенциальной функцией , имеет вид

.

В узлах таких решеток находятся атомы и положительные ионы металлов, а в объеме кристалла свободно перемещаются валентные электроны. Электроны электростатически притягивают положительные ионы металлов. Этим объясняется стабильность решетки

В узлах кристаллической решетки располагаются поочередно ионы противоположного знака

9. Какие бывают зоны энергии в кристаллах?

Зона проводимости, валентная зона, запрещенная зона.

10. Чем обусловлена природа электрического сопротивления проводниковых материалов?

Дефектами кристаллической решётки (не факт,но вроде катит)

11. Какие материалы обладают наиболее высоким электрическим сопротивлением: диэлектрики, проводники, полупроводники или магнитные материалы?

12. Способность к возникновению какого явления является основным электрическим свойством диэлектриков? ПОляризация,что ле

13. Что такое поляризация диэлектрика?

Происходит вследствие смещения электрических зарядов в диэлектрике атомов, молекул, ионов под действием приложенного напряжения. С поляризацией диэлектрика связана одна из важнейших характеристик — диэлектрическая проницаемость вещества e.(Остаточная поляризация, Самопроизвольная (спонтанная) поляризация, Междуслойная поляризация, Упруго – дипольная поляризация, Электронно – релаксационная поляризация, Дипольная релаксационная поляризация, Ионная поляризация, Электронная поляризация

14. Какой электротехнический элемент характеризует поляризованный диэлектрик (Конденсатор

15 По какому принципу распределяются заряды в поляризованном диэлектрике?

На поверхности диэлектрика образуются поляризационные заряды отрицательный у положительного электрода, и наоборот.

16. Как направлено внутреннее электростатическое поле поляризованного диэлектрика по отношению к внешнему полю?

электрическое поле , созданное поляризационными зарядами, направлено противоположно внешнему полю ,

25 Каков механизм миграционной поляризации диэлектрика?

Миграционная поляризация протекает в твердых телах неоднородной структуры при макроскопических неоднородностях, слоях, границ раздела или наличии. Эта поляризация проявляется при низких частотах и связана со значительным рассеянием энергии. Причинами такой поляризации являются проводящие и полупроводящие включения в технических, сложных диэлектриках, наличие слоев с различной проводимостью и т.д. На границах раздела между слоями в диэлектрике и в при электродных слоях идет накопление зарядов медленно движущихся ионов – это эффект межслоевой или структурной высоковольтной

26 Что такое ток утечки?

Ток проводимости, проходящий через конденсатор при постоянном напряжении на его обкладках в установившемся режиме, называют током утечки

27 Какие составляющие имеет ток утечки?

сквозной ток,ток смещения,ток абсорбций

28 Чем обусловлен ток абсорбций диэлектрика?

он обусловлен поляризацией диэлектрика

29 Чем обусловлен сквозной ток диэлектрика?

обусловлен наличием свободных зарядов

30 В каком поле протекает ток абсорбций?

в переменном поле

31 В каком поле протекает сквозной ток?

в постоянном поле

32 Как называют сопротивление диэлектрика сковозному току?

41. Что такое диэлектрические потери?

Диэлектрическими потерями называют мощность, рассеиваемую в диэлектрике при воздействии на него электрического поля и вызывающую нагрев диэлектрика.

42. Что такое угол диэлектрических потерь?

угол диэлектрических потерь – это угол, дополняющий до 90º угол сдвига фаз между током и напряжением в емкостной цепи а)

б)

43. Как строится векторная диаграмма для параллельной схемы замещения диэлектрика и где на ней угол диэлектрических потерь?

44. Как строится векторная диаграмма для последовательной схемы замещения диэлектрика и где на ней угол диэлектрических потерь?

45. Какова зависимость между мощностью диэлектрических потерь и углом диэлектрических потерь для параллельной схемы замещения диэлектрика?

1) чем ниже значение , тем меньше потери электроэнергии в диэлектрике;

46. Какова зависимость между мощностью диэлектрических потерь и приложенным напряжением для параллельной схемы замещения диэлектрика?

в высоковольтных установках предъявляются особые требования

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector