Меню

Что такое ток сквозной проводимости

Что такое ток сквозной проводимости

Общие представления об электропроводности диэлектриков

Сквозной ток Iскв обусловлен смещением свободных носителей заряда.

В момент включения или выключения постоянного электрического поля через диэлектрик электрического конденсатора протекает ток смещения — Iсм (рисунок 3.1), обусловленный быстрыми видами поляризации. Токи смещения очень кратковременны и их не удается зафиксировать прибором.

В полярных и неоднородных диэлектриках протекает также ток абсорбции — Iабс, возникающий за счет замедленных поляризаций.

При длительной работе диэлектрика под напряжением падение сквозного тока вызвано электрической очисткой в случае, когда проводимость материала обусловлена ионами посторонних примесей. В случае, когда проводимость материала обусловлена собственными ионами, при длительном приложении напряжения может наблюдаться старение диэлектрика (уменьшение электрического сопротивления).

Рис. 3.1. Временные зависимости токов, протекающих через неполярный диэлектрик при включении и выключении напряжения

При постоянном напряжении абсорбционные токи, меняя свое направление, проходят только в периоды включения и выключения напряжения (рисунок 3.2).

Рис. 3.2. Временные зависимости токов для диэлектрика, в котором возникают токи абсорбции

При переменном напряжении они имеют место в течение всего времени нахождения материала в электрическом поле.

При расчете сопротивления изоляции на постоянном напряжении необходимо расчет вести по току сквозной проводимости Iскв, исключая токи абсорбции.

Удельное объемное сопротивление ( r v )- численно равно R куба с ребром в 1 м (мысленно выделенного из исследуемого материала), если ток проходит через 2 противоположные грани куба.

r v = Rv * S / h ,

где Rv сопротивление материала между электродами площадью S ,

h расстояни е между электродами

Поверхностное сопротивление твердых диэлектриков

Удельное поверхностное сопротивление r s численно равно сопротивлению квадрата (мысленно выделенного на поверхности исследуемого материала), если ток проходит через 2 противоположные стороны этого квадрата

r s = Rs * d / l ,

где Rs поверхностное сопротивление материала между поставленными электродами шириной d и на расстоянии l .

Поверхностная электропроводность обусловлена наличием влаги, загрязнениями и различными дефектами поверхности диэлектрика.

Сильно увлажняются полярные и пористые диэлектрики. r s диэлектриков связано с величиной краевого угла смачивания и твердостью диэлектрика. Чем меньше краевой угол и выше твердость, тем ниже r s увлажненного диэлектрика.

К гидрофобным диэлектрикам относятся неполярные диэлектрики, чистая поверхность которых не смачивается водой, поэтому при помещении диэлектрика во влажную среду его поверхностная электропроводность практически не меняется.

К гидрофильным диэлектрикам относятся полярные и большинство ионных диэлектрики со смачиваемой поверхностью. При помещении диэлектрика во влажную среду его поверхностная электропроводность увеличивается. Кроме того, к поверхности полярных диэлектриков могут прилипать различные загрязнения, также приводящие к росту поверхностной проводимости.

К «промежуточным» диэлектрикам условно относят слабополярные диэлектрики (например, лавсан).

При нагревании увлажненной изоляции r s может расти с повышением температуры с последующим спадом после высушивания. При низких температурах r s высушенного материала имеет значительно более высокие значения (на 6-7 порядков выше).

Для увеличения значения r s диэлектриков пользуются различными приемами: промывкой в кипящей дистиллированной воде или растворителях в зависимости от вида диэлектрика, прогреванием до достаточно высокой температуры, покрытием поверхности влагостойкими лаками, глазурями, размещением изделий в защитных корпусах и оболочках и т.д.

Электропроводность газообразных диэлектриков

В области слабых электрических полей носители заряда в газах появляются в результате воздействия на нейтральные молекулы газа быстрых частиц, квантов света, радиоактивного, ультрафиолетового и других излучений.

В результате часть нейтральных молекул распадается на положительные ионы и электроны. Электроны в большинстве случаев захватываются другими нейтральными молекулами, образуя отрицательные ионы, которые участвуют в общем тепловом движении. Некоторая часть электронов, встречаясь с положительными ионами, рекомбинирует, образуя нейтральные частицы, при этом выделяется рекомбинационное излучение в виде квантов света.

Вольтамперная характеристика газообразного диэлектрика для слабых и средних полей (до 10 6 В/м) приведена на рисунке 3.3.

На участке ab приближенно соблюдается закон Ома j= g . E , так как концентрация носителей заряда сохраняет постоянное значение из-за равновесия между процессами ионизации и рекомбинации. Закон Ома выполняется в полях до значений Е

Рис. 3.3. Вольт-амперная характеристика газообразного диэлектрика:

ab – область слабых полей, закон Ома;

bc – область средних полей, насыщение;

cd – область сильных полей, ударная ионизация.

На участке bc (насыщение) скорость носителей заряда возрастает настолько, что они не успевают рекомбинировать и почти все достигают электродов (jнас=10 -14 — 10 -16 А/м 2 ). Разряд на участке abc называют несамостоятельным.

Несамостоятельная электропроводность осуществляется за счет ионов и электронов, образующихся в результате ионизации, вызванной внешним энергетическим воздействием, таким как космические и солнечные лучи, радиоактивное излучение Земли. На участке cd начинается ударная ионизация молекул электронами. Это область сильных полей (для воздуха Е>10 6 В/м). При напряженности Епр газ пробивается (самостоятельный разряд). Возрастание тока при Е > Екр (участок cd ) обусловлено увеличением числа носителей заряда в результате электронной ударной ионизации, фотоионизации и холодной эмиссии электронов из катода. При Екр наступает пробой, в этом состоянии газ (воздух) утрачивает свои электроизоляционные свойства, так как между электродами образуется плазменный газоразрядный канал проводимости.

Электропроводность жидких диэлектриков

Неполярные и слабополярные жидкости: носители заряда в основном ионы, возникающие при диссоциации молекул примеси.

Читайте также:  Тока бока больница где все кнопки

Степень диссоциации – это отношение числа диссоциированных молекул к общему числу молекул жидкости.

С увеличением e вещества возрастает степень диссоциации, которая также зависит от концентрации примеси.

Диссоциация молекул жидкости с ионным характером связи приводит к собственной электропроводности.

Электронная электропроводность может наблюдаться в сильных полях при эмиссии электронов с катода в очищенных от примесей жидкостях.

Молионная электропроводность – характерна для масел с включениями влаги (воды) и для лаков с мелкодисперсными наполнителями.

Если e коллоидной частицы > e основ.вещества , то знак заряда частицы положительный

Если e коллоидной частицы e основ.вещества , то знак заряда частицы отрицательный

Эти заряженные частицы называются молионами.

Удельное сопротивление жидкостей e уменьшается с ростом температуры по экспоненциальному закону

r v = B . exp ( W / kT )

где B – константа, W – энергия диссоциации, k – постоянная Больцмана. По аналогичному закону изменяется и вязкость жидкости.

Удельные проводимости неполярных, слабополярных и сильнополярных жидких диэлектриков приведены в таблице.

Источник

ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ДИЭЛЕКТРИКОВ

Поляризационные процессы смещения упруго связанных зарядов создают токи смещения в диэлектриках. При электронной и ионной поляризациях токи смещения столь кратковременны, что их обычно не удается зафиксировать прибором.

Токи смещения замедленных видов поляризации, называются абсорбционными токами.

При постоянном напряжении токи смещения и абсорбции протекают только в момент коммутации цепи (включение и отключение напряжения), а при переменном напряжении эти токи присутствуют в течение всего времени нахождения материала под действием электрического поля.

Ток смещения имеет чисто реактивный (емкостный) характер и не нагревает диэлектрик. Ток смещения Iсм опережает приложенное напряжение U на 90°.

Ток абсорбции имеет активно-емкостный характер. Появление этого тока приводит к нагреву диэлектрика за счет того, что он имеет активную составляющую. Ток абсорбции Iабс опережает приложенное напряжение U на угол j.

После окончания переходного процесса токи смещения и абсорбции затухают и через диэлектрик протекает сквозной ток утечки. Принято считать, что токи смещения затухают в среднем за время до 15 с, а токи абсорбции за время до 60 с. Сквозной ток утечки через диэлектрик носит чисто активный характер (угол сдвига фаз между сквозным током утечки Iут и приложенным напряжением U равняется 0) и нагревает диэлектрик.

Таким образом, сквозной ток утечки через диэлектрик состоит из суммы токов переходного процесса (смещения и абсорбции) и сквозного тока через диэлектрик, протекающего через диэлектрик после завершения переходного процесса:

Зависимость сквозного тока утечки через диэлектрик в функции времени выглядит следующим образом.

При определении сопротивления изоляции пользуются несколькими методами: прямым и косвенным.

Косвенный метод – метод амперметра и вольтметра. Измеряют ток через 60 секунд с момента коммутации цепи и напряжение, а затем сопротивление изоляции определяют из закона Ома

Прямой метод – измерение сопротивления изоляции сквозному току через диэлектрик омметром (верхнее значение измеряемого сопротивления до 10 6 Ом), мегаомметром (верхнее значение измеряемого сопротивления до 10 10 Ом) или тераомметром (верхнее значение измеряемого сопротивления до 10 14 Ом). Наибольшее распространение при измерении Rиз получили мегаомметры, предел измерения которых до 10 8 -10 10 Ом, а напряжение на разомкнутых зажимах равно 100-2500 В в зависимости от модификации прибора.

Как правило, электрическое сопротивление изоляции Rиз измеряется на выпрямленном токе. Начальное значение емкостного тока смещения Iсм зависит от приложенного напряжения и мощности источника питания. Ток абсорбции Iабс обусловлен перераспределением напряжения между разнородными слоями электрической изоляции в процессе ее заряда и разряда. Начальный ток абсорбции определяется значением приложенного напряжения, размерами и составом электроизоляционной конструкции, а также температурой, при которой производится измерение, и не зависит от загрязнения и степени увлажнения (кривая его затухания близка к гиперболе, см. рис. 13). Сквозной ток утечки через диэлектрик Iут характеризует качество электроизоляционной конструкции и ее состояние (загрязнение, степень увлажнения, наличие механических повреждений и последствий старения, температуру).

Поскольку ток абсорбции не зависит от степени увлажнения электроизоляционной конструкции, а его зависимость от температуры, размеров и конструкции изоляции примерно такая же, как и сквозного тока утечки через диэлектрик, то отношение электрического сопротивления R60, измеренного после затухания Iсм и Iабс, к значению R15, измеренного после затухания Iсм, характеризует степень увлажнения электрической изоляции и называется коэффициентом абсорбции:

где R60 – электрическое сопротивление, измеренное через 60 с после приложения напряжения;

R15 – то же, измеренное через 15 с.

У сухой электрической изоляции значение kабс близко к 1, а для увлажненной изоляции оно существенно возрастает и особенно зависит от повышения температуры окружающей среды. Если по результатам испытаний и проверок окажется, что электрическая изоляция электрооборудования увлажнена, необходимо выполнить ее сушку и последующие испытания во избежание пробоя и выхода ее из строя.

Если электрическое сопротивление изоляции Rиз измерять на переменном напряжении, то активная составляющая тока абсорбции Iабс.а (см. рис. 11) будет незатухающей, что обусловлено не устанавливающимися процессами поляризации на переменном напряжении и приведет к завышению значения сквозного тока утечки через диэлектрик и, как следствие, к занижению измеренного значения Rиз по сравнению с истинным значением.

Читайте также:  Найдите силу электрического тока который вызывает электрон двигаясь по первой боровской орбите

Для твердых электроизоляционных материалов следует различать объемную и поверхностную проводимости.

Для их сравнительной оценки у разных материалов пользуются значениями удельного объемного сопротивления и удельного поверхностного сопротивления .

В системе СИ удельное объемное сопротивление равно объемному сопротивлению куба с ребром в 1 м, мысленно вырезанного из изоляционного материала и умноженному на один метр. При этом считается, что ток протекает от одной грани куба к противоположной.

Удельное поверхностное сопротивление – сопротивление, равное сопротивлению квадрата любых размеров, выделенного на поверхности материала. В этом случае ток в квадрате протекает от одной стороны квадрата к противоположной.

Если на плоский образец диэлектрика действует однородное поле, то значения и определяются по формулам:

где RV – объемное сопротивление образца;

– толщина диэлектрика или расстояние между электродами;

Rs – поверхностное сопротивление образца;

– расстояние между электродами.

С течением времени ток через твердые или жидкие диэлектрики может увеличиваться или уменьшаться.

1 – сопротивление изоляции уменьшается;

2 – сопротивление изоляции увеличивается.

Увеличение тока со временем говорит о том, что в процессе поляризации диэлектрика участвуют заряды, являющиеся структурными элементами его самого, что приводит к снижению сопротивления изоляции, увеличению разогрева диэлектрика, т.е. к его электрическому старению, что в дальнейшем может привести к пробою.

Уменьшение тока с течением времени связано с электрической очисткой изоляционного материала, т.е. любой диэлектрик содержит примеси, которые под действием напряжения диссоциируются на разноименно заряженные ионы, выносятся на электроды (анод и катод), где разряжаются. Это приводит к увеличению сопротивления изоляции и позволяет получать высококачественные изоляционные материалы.

Дата добавления: 2015-02-19 ; просмотров: 3206 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник

3.1.2. Токи смещения, абсорбции и сквозной проводимости

Вторая характерная особенность электропроводности диэлектри­ков — спадание тока со временем после приложения постоянного напряжения. При включении постоянного напряжения ток в диэлек­трике вначале резко возрастает, а затем постепенно снижается, асим­птотически приближаясь к некоторой установившейся величине (рис. 3.3). Резкое возрастание тока вначале и последующее его сни­жение вызваны током смещения Iсм в диэлектрике. Плотность тока смещения jсм определяется скоростью изменения вектора электриче­ского смещения D (или вектора Е, поскольку D = εεoЕ):

(3.4)

Рис. 3.3. Зависимость величины тока I в диэлектрике от времени τ приложения постоянного напря­жения (схематически):

Iсм — ток смещения, вызванный де­формационными видами поляриза­ции;

Iаб — ток абсорбции;

Iск — ток сквозной проводимости;

1 — электри­ческое старение (электролиз); 2 — электроочистка

Ток смещения Iсм вызван как мгно­венными (деформационными) видами поляризации, так и замедленными (ре­лаксационными), а также перераспре­делением свободных зарядов — их дрейфом (без разряжения на электро­дах).

В первом случае из-за кратковре­менности установления электронной и ионной поляризаций Iсм не удается за­фиксировать с помощью прибора. Ток смещения, обусловленный деформаци­онными видами поляризации, имеет важное значение в работе p-n -перехода полупроводниковых приборов и под­робно рассматривается в гл. 8.6.

Во втором случае ток смещения на­блюдается в технических диэлектриках от нескольких минут до нескольких де­сятков минут после приложения напря­жения и называется током абсорбции Iаб.

Ток абсорбции Iаб вызван релаксационными видами поляризации и перераспределением свободных зарядов в объеме диэлектрика. Он приводит к накоплению носителей заряда в местах наибольшей кон­центрации ловушек (уровней захвата) — дефектов решетки, неоднородностей, границ раздела и т.п. В результате в диэлектрике возни­кают объемные заряды, и электрическое поле в нем становится неоднородным. Поле, создаваемое объемными зарядами, направлено в данном случае обратно приложенному полю. Ток абсорбции при постоянном напряжении наблюдается только в момент включения и выключения, при переменном напряжении — в каждый полупериод изменения электрического поля, т.е. практически в течение всего времени приложения переменного напряжения.

Под действием образовавшихся объемных зарядов, а также поляризации диэлек­трика (особенно при наличии дипольно-релаксационной составляющей), образец за­ряжается. Но если от него отключить внешний источник напряжения и его закоро­тить, то по образцу пойдет обратный так называемый ток деполяризации, который образуется в результате освобождения носителей заряда с различных ловушек и дез­ориентации диполей. Зависимость тока деполяризации от времени несет информацию о закономерностях молекулярной подвижности, дефектах строения, и в ряде случаев с ее помощью возможно прогнозирование срока службы полимерной изоляции (см. гл. 5.4.3). При нагревании (с постоянной скоростью) заряженного образца образуется ток деполяризации, или ток термостимулированной деполяризации (ТСД). Метод ТСД широко используют при изучении релаксационных переходов (Tс, Tт и др.) в по­лимерных диэлектриках, а также закономерностей накопления и переноса носителей заряда.

Составляющая тока, которая не изменяется со временем прило­жения постоянного напряжения, представляет собой стационарный поток электрически заряженных частиц, разряжающихся на электродах, и называется током сквозной проводимости Iск (сквозным током I, или остаточным током). По величине сквозного тока определяют удельную объемную (или поверхностную) электропроводность ди­электрика.

Ток сквозной проводимости обусловлен направленным движением носителей заряда, поставляемых ионогенной примесью, самим ди­электриком и в сильных полях инжектируемых из электродов, и со­провождается обязательным их разряжением на электродах.

Только в результате разряжения носителей заряда на электродах (положительным ион принимает электрон(ы) из катода, а отрицательный ион отдает электрон(ы) ано­ду) во внешней цепи возникает электрический (электронный) ток, измерив величину которого, можно определить удельное объемное (или поверхностное) сопротивление диэлектрика. Если носители заряда не смогут преодолеть потенциальный барьер на границе диэлектрик—металл, то они не разрядятся на электродах и в приэлектродных областях образуют объемные заряды, которые создадут в диэлектрике электрическое поле, направленное противоположно приложенному полю.

Читайте также:  Постоянный или импульсный ток для светодиодов

Ток сквозной проводимости измеряют тогда, когда после прило­жения к образцу постоянного напряжения ток абсорбции спадет практически до нуля. Это время составляет от нескольких минут до нескольких десятков минут и определяется экспериментально.

Величина тока сквозной проводимости при длительном прило­жении постоянного напряжения может существенно изменяться в результате электрохимических процессов, а также образования объ­емных зарядов. Величина сквозного тока не изменяется только при чисто электронном типе проводимости. Если при длительном прило­жении постоянного напряжения к твердому или жидкому диэлектри­ку ток сквозной проводимости со временем продолжает уменьшаться (см. рис. 3.3, кривая 2), значит электропроводность данного мате­риала обусловлена в основном ионами примеси и уменьшается в ре­зультате электроочистки образца. Ток сквозной проводимости также уменьшается, если носители заряда, подходя к электродам, не разря­жаются (из-за высокого потенциального барьера на границе ме­талл—диэлектрик). Накапливаясь в приэлектродных областях, носи­тели заряда образуют объемные заряды (положительный — у катода и отрицательный — у анода), препятствующие прохождению тока. Объемные заряды в приэлектродных областях могут также образовы­ваться (в сильных полях) в результате инжекции зарядов со стороны электродов, однако в этом случае знак объемных зарядов соответст­вует полярности электродов (см. гл. 7.15.5).

Таким образом, если до приложения электрического поля ди­электрик был электронейтральным, т.е. суммарный заряд всех его микрообъемов был равен нулю, то после приложения поля, в резуль­тате перемещения зарядов (в том числе инжектированных из элек­тродов) на макроскопические расстояния и закрепления части из них на ловушках, электронейтральность нарушается, и в диэлектри­ке возникают объемные заряды. Образец поляризуется. Объемные заряды образуются при прохождении как тока смещения, в частно­сти тока абсорбции, так и тока сквозной проводимости.

Если же ток сквозной проводимости увеличивается (см. рис. 3.3, кривая 7), то это указывает на участие в образовании электрического тока собственных зарядов материала, являющихся его структурными элементами, т.е. имеет место электролиз. В этом случае материал ста­реет — в нем протекают необратимые электрохимические процессы, постепенно приводящие к разрушению (пробою) образца (см. гл. 5). Например, приложив к нагретому неорганическому стеклу постоян­ное напряжение, можно наблюдать благодаря его прозрачности, как в стекле продукты электролиза, в частности выделяющийся на катоде металлический натрий, образуют ветвистые отложения — металличе­ские дендриты (подробнее см. гл. 5.4.3). При достаточном времени прохождения тока дендриты могут прорасти сквозь всю толщину ди­электрика от катода к аноду и образовать проводящий канал.

Источник



Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Ток — сквозная проводимость

Ток сквозной проводимости пропорционален площади изоляции и обратно пропорционален ее толщине. С увеличением влажности изоляции ток проводимости возрастает. [1]

Ток сквозной проводимости не изменяется со временем. Его зависимость от величины напряжения рассматривается ниже. [2]

Проходящий через изоляцию ток сквозной проводимости 1щ не зависит от длительности приложения напряжения и увеличивается с повышением температуры. Величина тока сквозной проводимости зависит от температуры изоляции, степени ее увлажненности, материала изделия и его геометрических размеров. Кроме того, на нее влияют и сосредоточенные дефекты, подобные тем, которые привели к образованию ограниченной зоны с повышенной проводимостью, распространившейся на всю толщу изоляции — от одного электрода к другому. Поэтому измерение тока сквозной проводимости может явиться дополнительным критерием состояния изоляции. [3]

Проходящий через изоляцию ток сквозной проводимости inp не зависит от длительности приложения напряжения и увеличивается с повышением температуры. [4]

Сопротивление R определяется током сквозной проводимости . В общем случае количество электричества на обкладках диэлектрика, схематически показанного на фиг. [5]

Измерительный прибор для измерения токов сквозной проводимости ( утечки) для большинства встречающихся объектов должен давать воаможность отсчета токов от 0 5 — 1 0 до 1000 мка. [7]

Измерительный прибор для измерения токов сквозной проводимости ( утечки) всех встречающихся кабелей должен давать возможность отсчета токов от 0 5 — 1 0 до 1000 мка. [8]

Если при постоянном токе все токи, кроме тока сквозной проводимости , затухали, то при переменном токе они будут существовать до тех пор, пока приложено напряжение. [9]

Следовательно, существуют другие механизмы потерь, кроме обусловленных током сквозной проводимости . Эти механизмы связаны с поляризацией диэлектрика. [11]

Следовательно, существуют другие механизмы потерь, кроме обусловленных током сквозной проводимости . Эти механизмы связаны с поляризацией диэлектрика. [13]

На рис. 5 показана примерная зависимость сопротивления волокнистой изоляции и тока сквозной проводимости от величины приложенного напряжения. Как видно из рисунка, значение сопротивления изоляции в некоторых пределах ( до испытательных значений) практически не зависит от величины приложенного напряжения и ток сквозной проводимости пропорционален напряжению. [15]

Источник