Elektrická vodivost dielektrik je důležitou fyzikální vlastností. Informace o něm vám umožní identifikovat oblasti použití materiálů.
Podmínky
Podle vodivosti elektrického proudu se látky dělí do skupin:
- dielektrika;
- semiconductors;
- conductors.
Kovy jsou vynikajícími vodiči proudu – jejich elektrická vodivost dosahuje 106-108 (Ohm m)-1.
A dielektrické materiály nejsou schopny vést elektřinu, takže se používají jako izolanty. Nemají volné nosiče náboje, liší se dipólovou strukturou molekul.
Polovodiče jsou pevné materiály se středními hodnotami vodivosti.
Klasifikace
Všechny dielektrické materiály se dělí na polární a nepolární typy. V polárních izolátorech jsou centra kladných a záporných nábojů mimo střed. Molekuly takových látek jsou svými elektrickými parametry podobné tuhému dipólu, který má svůj vlastní dipólový moment. Voda může být použita jako polární dielektrika.amoniak, chlorovodík.
Nepolární dielektrika se vyznačují shodou středů kladných a záporných nábojů. Mají podobné elektrické vlastnosti jako elastický dipól. Příklady takových izolátorů jsou vodík, kyslík, tetrachlormethan.
Elektrická vodivost
Elektrická vodivost dielektrik se vysvětluje přítomností malého počtu volných elektronů v jejich molekulách. S posunem nábojů uvnitř látky po určitou dobu je pozorováno postupné ustavení rovnovážné polohy, což je důvodem vzniku proudu. Elektrická vodivost dielektrik existuje v okamžiku vypnutí a zapnutí napětí. Technické vzorky izolátorů mají maximální počet volných nábojů, proto se v nich objevují nevýznamné průchozí proudy.
Elektrická vodivost dielektrik v případě konstantní hodnoty napětí se vypočítává z průchozího proudu. Tento proces zahrnuje uvolnění a neutralizaci stávajících nábojů na elektrodách. V případě střídavého napětí je hodnota aktivní vodivosti ovlivněna nejen průchozím proudem, ale také aktivními složkami polarizačních proudů.
Elektrické vlastnosti dielektrik závisí na hustotě proudu, odporu materiálu.
Pevné dielektrika
Elektrická vodivost pevných dielektrik se dělí na objemovou a povrchovou. Pro porovnání těchto parametrů pro různé materiály se používají hodnoty objemové a povrchové.odpor.
Plná vodivost je součtem těchto dvou hodnot, její hodnota závisí na vlhkosti prostředí a okolní teplotě. V případě trvalého provozu pod napětím dochází ke snížení průchozího proudu procházejícího kapalnými a pevnými izolátory.
A v případě nárůstu proudu po určité době můžeme hovořit o tom, že uvnitř látky proběhnou nevratné procesy vedoucí k destrukci (rozpadu dielektrika).
Vlastnosti plynného skupenství
Plynná dielektrika mají zanedbatelnou elektrickou vodivost, pokud intenzita pole nabývá minimálních hodnot. Výskyt proudu v plynných látkách je možný pouze v případech, kdy obsahují volné elektrony nebo nabité ionty.
Plynná dielektrika jsou vysoce kvalitní izolanty, proto se v moderní elektronice používají ve velkých objemech. Ionizace v takových látkách je způsobena vnějšími faktory.
Kvůli srážkám plynových iontů a také při tepelné expozici, ultrafialovém nebo rentgenovém záření je také pozorován proces tvorby neutrálních molekul (rekombinace). Díky tomuto procesu je omezen nárůst počtu iontů v plynu, určitá koncentrace nabitých částic se ustaví v krátké době po vystavení externímu ionizačnímu zdroji.
V procesu zvyšování napětí aplikovaného na plyn se zvyšuje pohyb iontů k elektrodám. Nejsoumají čas se rekombinovat, takže se na elektrodách vybijí. Při následném zvýšení napětí se proud nezvyšuje, nazývá se saturační proud.
Pokud jde o nepolární dielektrika, poznamenáváme, že vzduch je dokonalým izolantem.
Kapalná dielektrika
Elektrická vodivost kapalných dielektrik se vysvětluje zvláštnostmi struktury molekul kapaliny. Nepolární rozpouštědla obsahují disociované nečistoty, včetně vlhkosti. V polárních molekulách se vodivost elektrického proudu vysvětluje také procesem rozpadu kapaliny na ionty.
V tomto stavu agregace je proud způsoben také pohybem koloidních částic. Vzhledem k nemožnosti úplného odstranění nečistot z takového dielektrika vznikají problémy při získávání kapalin s nízkou proudovou vodivostí.
Všechny typy izolací zahrnují hledání možností, jak snížit specifickou vodivost dielektrik. Například se odstraní nečistoty, upraví se ukazatel teploty. Zvýšení teploty způsobuje pokles viskozity, zvýšení pohyblivosti iontů a zvýšení stupně tepelné disociace. Tyto faktory ovlivňují vodivost dielektrických materiálů.
Elektrická vodivost pevných látek
Vysvětluje se pohybem nejen iontů samotného izolantu, ale také nabitých částic nečistot obsažených uvnitř pevného materiálu. Při průchodu pevným izolantem dochází k částečnému odstranění nečistot, které postupněovlivňuje vedení. Vezmeme-li v úvahu strukturní rysy krystalové mřížky, pohyb nabitých částic je způsoben kolísáním tepelného pohybu.
Při nízkých teplotách se kladné a záporné ionty nečistot pohybují. Takové typy izolace jsou typické pro látky s molekulární a atomární krystalovou strukturou.
U anizotropních krystalů se hodnota specifické vodivosti liší v závislosti na jejich osách. Například v křemeni ve směru rovnoběžném s hlavní osou přesahuje kolmou polohu 1000krát.
U pevných porézních dielektrik, kde prakticky není žádná vlhkost, vede mírné zvýšení elektrického odporu ke zvýšení jejich elektrického odporu. Látky obsahující ve vodě rozpustné nečistoty vykazují výrazný pokles objemového odporu v důsledku změn vlhkosti.
Polarizace dielektrik
Tento jev je spojen se změnou polohy částic izolantu v prostoru, která vede k získání určitého elektrického (indukovaného) momentu každým makroskopickým objemem dielektrika.
Dochází k polarizaci, ke které dochází pod vlivem vnějšího pole. Rozlišují také spontánní verzi polarizace, která se objevuje i v nepřítomnosti vnějšího pole.
Relativní permitivita je charakterizována:
- kapacita kondenzátoru s tímto dielektrikem;
- jeho velikost ve vakuu.
Tento proces je doprovázen výskytempovrch dielektrika vázaných nábojů, které snižují množství napětí uvnitř látky.
V případě úplné nepřítomnosti vnějšího pole nemá samostatný prvek dielektrického objemu elektrický moment, protože součet všech nábojů je nulový a existuje shoda záporných a kladných nábojů v prostor.
Možnosti polarizace
Během polarizace elektronů dochází vlivem vnějšího pole elektronových obalů atomu k posunu. V iontové variantě je pozorován posun míst mřížky. Dipólová polarizace je charakterizována ztrátami k překonání vnitřního tření a vazebných sil. Strukturální verze polarizace je považována za nejpomalejší proces, vyznačuje se orientací nehomogenních makroskopických nečistot.
Závěr
Elektroizolační materiály jsou látky, které umožňují získat spolehlivou izolaci některých součástí elektrického zařízení při určitých elektrických potenciálech. Ve srovnání s proudovými vodiči mají četné izolátory výrazně vyšší elektrický odpor. Jsou schopny vytvářet silná elektrická pole a akumulovat další energii. Právě tato vlastnost izolátorů se používá v moderních kondenzátorech.
Podle chemického složení se dělí na přírodní a syntetické materiály. Druhá skupina je nejpočetnější, proto se právě tyto izolátory používají v různých elektrických spotřebičích.
V závislosti na technologických vlastnostech se izolují struktura, složení, film, keramika, vosk, minerální izolátory.
Když je dosaženo průrazného napětí, je pozorován průraz, který vede k prudkému nárůstu velikosti elektrického proudu. Mezi charakteristické rysy takového jevu lze vyčlenit mírnou závislost pevnosti na napětí a teplotě, tloušťce.
