Помощь по Теле2, тарифы, вопросы

Электрический разряд в газе. Возьмем электрометр с присоединенными к нему дисками плоского конденсатора и зарядим его (рис. 167). При комнатной температуре, если воздух достаточно сухой, конденсатор заметно не разряжается. Это показывает,

что электрический ток в воздухе, вызываемый разностью потенциалов между дисками, очень мал. Следовательно, электрическая проводимость воздуха при комнатной температуре очень мала. Воздух можно считать диэлектриком.

Нагреем воздух между дисками горящей спичкой (рис. 168). Заметим, что стрелка электрометра быстро приближается к нулю, - значит, конденсатор разряжается. Следовательно, нагретый газ является проводником и в нем устанавливается ток.

Процесс протекания тока через газ называют газовым разрядом.

Ионизация газов. Мы видели, что при комнатной температуре воздух очень плохой проводник. При нагревании проводимость воздуха возрастает. Увеличение проводимости воздуха можно вызвать и иными способами, например действием различных излучений: ультрафиолетового, рентгеновского, радиоактивного и др.

При обычных условиях газы почти полностью состоят из нейтральных атомов или молекул и, следовательно, являются диэлектриками. Вследствие нагревания или воздействия излучения часть атомов ионизируется - распадается на положительно заряженные ионы и электроны (рис. 169). В газе могут образовываться и отрицательные ионы: они появляются благодаря присоединению электронов к нейтральным атомам.

Ионизация газов при нагревании объясняется тем, что по мере нагревания молекулы движутся быстрее. При этом некоторые молекулы начинают двигаться так быстро, что часть из них при столкновениях распадается, превращаясь в ионы. Чем выше температура, тем больше образуется ионов.

Проводимость газов. Механизм проводимости газов похож на механизм проводимости растворов и расплавов электролитов. Разница состоит в том, что отрицательный заряд переносится в основном не отрицательными ионами, как в водных растворах или расплавах электролитов, а электронами, хотя проводимость за счет отрицательных ионов также может играть определенную роль. Таким образом, в газах сочетается электронная

проводимость, подобная проводимости металлов, с ионной проводимостью, подобной проводимости водных растворов или расплавов электролитов. Существенно еще одно различие. В растборах электролитов образование ионов происходит вследствие ослабления внутримолекулярных связей ионов в молекулах под действием молекул растворителя (молекул воды). В газах образование ионов происходит либо при нагревании, либо за счет действия внешних ионизаторов, например излучений.

Рекомбинация. Если ионизатор перестанет действовать, то можно заметить, что заряженный электрометр снова будет сохранять заряд. Это показывает, что после прекращения действия ионизатора газ перестает быть проводником. Ток прекращается после того, как все ионы и электроны достигнут электродов.

Кроме того, при сближении электрона и положительно заряженного иона они могут вновь образовать нейтральный атом. Схематически это изображено на рисунке 170. Такой процесс называют рекомбинацией заряженных частиц.

В отсутствие внешнего поля заряженные частицы исчезают только вследствие рекомбинации и газ становится диэлектриком. Если действие ионизатора неизменно, то устанавливается динамическое равновесие, при котором число вновь образующихся пар заряженных частиц равно среднему числу пар, исчезающих вследствие рекомбинации.

Газы в нормальном состоянии являются хорошими диэлектриками (например чистый, неионизированный воздух). Однако, если газы содержат в себе влагу с примесью органических и неорганических частиц и при этом они ионизированы, то они проводят электричество.

Во всех газах еще до воздействия на них электрического напряжения всегда имеется некоторое количество электрически заряженных частиц - электронов и ионов, которые находятся в беспорядочном тепловом движении. Это могут быть заряженные частицы газа, а также заряженные частицы твердых и жидких веществ - примесей, находящихся, например, в воздухе.

Образование электрически заряженных частиц в газообразных диэлектриках вызывается ионизацией газа внешними источниками энергии (внешними ионизаторами) : космическими и солнечными лучами, радиоактивными излучениями Земли и др.

Электропроводимость газов зависит главным образом от степени их ионизации, которая может быть осуществлена различными способами. В основном ионизация газов осуществляется в результате отщепления электронов от нейтральной молекулы газа.

Выделившийся из молекулы газа электрон перемешается в междумолекулярном пространстве газа, и здесь в зависимости от рода газа он может сохранить относительно долго "самостоятельность" своего движения (например, в таких газах, кик водород H 2 , азот N 2 ) или, наоборот, быстро проникнуть в нейтральную молекулу, превратив ее в отрицательный ион (например, в кислороде).

Наибольший эффект ионизации газов достигается путем облучения их рентгеновыми, катодными лучами или лучами, испускаемыми радиоактивными веществами.

Атмосферный воздух летом весьма интенсивно ионизируется под влиянием солнечных лучей. Влага, находящаяся в воздухе, конденсируется на его ионах, образуя мельчайшие капельки воды, заряженные электричеством. В конечном итоге из отдельных электрически заряженных капелек воды образуются грозовые тучи, сопровождаемые молниями, т. с. электрическими разрядами атмосферного электричества.

Процесс ионизации газа внешними ионизаторами заключается в том, что они сообщают часть энергии атомам газа. При этом валентные электроны приобретают дополнительную энергию и отделяются от своих атомов, которые превращаются в положительно заряженные частицы - положительные ионы .

Образовавшиеся свободные электроны могут длительно сохранять самостоятельность движения в газе (например, в водороде, азоте) или через некоторое время они присоединяются к электрически нейтральным атомам и молекулам газа, превращая их в отрицательно заряженные ионы .

Появление электрически заряженных частиц в газе может быть также вызвано выходом электронов с поверхности металлических электродов при их нагревании или воздействии на них лучистой энергии. Находясь в беспорядочном тепловом движении, некоторая часть противоположно заряженных (электронов) и положительно заряженных (ионов) частиц воссоединяется друг с другом и образует электрически нейтральные атомы и молекулы газа. Этот процесс называется восстановлением или рекомбинацией .

Если между металлическими электродами (диски, шары) заключить какой-то объем газа, то при приложении к электродам электрического напряжения на заряженные частицы в газе будут действовать электрические силы - напряженности электрического поля .

Под действием этих сил электроны у и ионы будут перемещаться от одного электрода к другому, создавая электрический ток в газе .

Ток в газе будет тем больше, чем разного диэлектрика больше заряженных частиц образуется в нем в единицу времени и чем большую скорость приобретают они под действием сил электрического поля.

Ясно, что с повышением напряжения, приложенного к данному объему газа, электрические силы, действующие на электроны и ионы, увеличиваются. При этом скорость заряженных частиц, а следовательно, и ток в газе возрастают.

Изменение величины тока в зависимости от напряжения, приложенного к объему газа, выражается графически в виде кривой, называемой вольтамперной характеристикой .

Вольтамперная характеристика для газообразного диэлектрика

Вольтамперная характеристика показывает, что в области слабых электрических полей, когда электрические силы, действующие на заряженные частицы, относительно невелики (область I на графике), ток в газе возрастает пропорционально величине приложенного напряжения. В этой области изменение тока происходит согласно закону Ома.

С дальнейшим ростом напряжения (область II) пропорциональность между током и напряжением нарушается. В этой области ток проводимости не зависит от напряжения. Здесь происходит накопление энергии заряженными частицами газа - электронами и ионами.

С дальнейшим же повышением напряжения (область III) скорость заряженных частиц резко возрастает, вследствие чего происходят частые соударения их с нейтральными частицами газа. При этих упругих соударениях электроны и ионы передают часть накопленной ими энергии нейтральным частицам газа. В результате электроны отделяются от своих атомов. При этом образуются новые электрически заряженные частицы: свободные электроны и ионы.

Ввиду того что летящие заряженные частицы соударяются с атомами и молекулами газа очень часто, образование новых электрически заряженных частиц происходит весьма интенсивно. Этот процесс называется ударной ионизацией газа .

В области ударной ионизации (область III на рисунке) ток в газе интенсивно возрастает при малейшем повышении напряжения. Процесс ударной ионизации в газообразных диэлектриках сопровождается резким уменьшением величины удельного объемного сопротивления газа и возрастанием .

Естественно, что газообразные диэлектрики могут использоваться при напряжениях, меньших тех значений, при которых возникает процесс ударной ионизации. В этом случае газы являются очень хорошими диэлектриками, у которых удельное объемное сопротивление очень велико (1020 омх см), а тангенс угла диэлектрических потерь очень мал (tg δ ≈ 10 -6 ). Поэтому газы, в частности воздух, используются в качестве диэлектриков в образцовых конденсаторах, газонаполненных кабелях и .

В любой изоляционной конструкции в качестве элемента изоляции присутствует в той или иной мере воздух или какой-либо иной газ. Провода воздушных линий (ВЛ), шины распределительных устройств, выводы трансформаторов и различных аппаратов высокого напряжения отделены друг от друга промежутками, единственной изолирующей средой в которых является воздух.

Нарушение электрической прочности таких конструкций может произойти как путем пробоя диэлектрика, из которого изготовлены изоляторы, так и в результате разряда в воздухе или вдоль поверхности диэлектрика.

В отличие от пробоя изолятора, который приводит к полному выходу его из строя, разряд вдоль поверхности обычно повреждением не сопровождается. Следовательно, если изоляционную конструкцию выполнить таким образом, чтобы напряжение перекрытия по поверхности или разрядные напряжения в воздухе были меньше пробивных напряжений изоляторов, то фактическая электрическая прочность таких конструкций будет определяться электрической прочностью воздуха.

В указанных выше случаях воздух имеет значение как естественная газовая среда, в которой находятся изоляционные конструкции. Наряду с этим воздух или иной газ часто применяется в качестве одного из основных изоляционных материалов при выполнении изоляции кабелей, конденсаторов, трансформаторов и других электрических аппаратов.

Для обеспечения надежной и безаварийной работы изоляционных конструкций необходимо знать, как влияют на электрическую прочность газа различные факторы, такие, как форма и длительность действия напряжения, температура и давление газа, характер электрического поля и т. п.

Проводимость воздуха, свойство воздуха проводить электрический ток. П. а. создаётся атмосферными ионами и возрастает с повышением подвижности и концентрации последних. Исходя из этого П. а. возрастает с ростом чистоты и ионизации воздуха и уменьшением её плотности, что ведет к зависимости П. а. от метеорологических черт.

С ростом влажности, повышением концентрации частиц пыли, туманов и туч практически всех видов П. а. значительно уменьшается; лишь в грозовых тучах, где ионизация высока, П. а. может заметно возрастать. Под влиянием индустриальной загрязнённости П. а. в целом значительно уменьшается, в особенности очень сильно в городах, но кроме того в центре Атлантики она упала за 50-летний период практически в 2 раза. Ядерные взрывы заметно увеличивают П. а. Средняя величина удельной П. а. у поверхности Почвы 2,2?10-18 ом-1?м-1.

Она разна в различных пунктах Почвы и изменяется во времени. Дневная амплитуда колебаний П. а. над континентами образовывает около 20% от среднего, годовая до 30%; над океанами эти колебания меньше.

В чистой атмосфере П. а. растет с высотой по экспоненциальному закону, удельная П. а. доходит до 13?10-18 ом-1?м-1 на высоте 6 км и до 300?10-18 ом-1?м-1 на высоте 30 км. В ионосфере П. а. обусловлена электронами и многократно превосходит П. а. в тропосфере. Неспециализированная П. а. в слое от поверхности Почвы до ионосферы равна 0,5?10-2 ом-1.

Перемещения объёмных зарядов в воздухе (см. Атмосферное электричество) за счёт воздушных турбулентной диффузии и движений приводят к эффектам, родные к создаваемым П. а. в электрическом поле. Для характеристики этих эффектов вводят соответственно понятия конвективной и турбулентной проводимости.

Лит.: Чалмерс Дж. А., Атмосферное электричество, пер. с англ., Л., 1974; Имянитов И. М., методы и Приборы для изучения электричества воздуха, М., 1957, гл. 7; Имянитов И. М., Чубарина Е. В., Шварц Я. М., Электричество туч, Л., 1971.

И. М. Имянитов.

Читать также:

Атмосферное электричество. Молнии (рассказывает физик Владимир Бычков)

Проводимость атмосферы

способность атмосферы проводить электрический ток. П. а. создаётся атмосферными ионами и возрастает с увеличением концентрации и подвижности последних. Поэтому П. а. увеличивается с ростом ионизации и чистоты атмосферы и уменьшением её плотности, что приводит к зависимости П. а. от метеорологических характеристик. С ростом влажности, увеличением концентрации частиц пыли, туманов и облаков почти всех видов П. а. уменьшается; только в грозовых облаках, где ионизация высока, П. а. может заметно увеличиваться. Под влиянием индустриальной загрязнённости П. а. в целом уменьшается, особенно сильно в городах, но даже в центре Атлантики она упала за 50 лет почти в 2 раза. Ядерные взрывы заметно увеличивают П. а. Средняя величина удельной П. а. у поверхности Земли 2,2․10 -18 ом -1 ․м -1 . Она различна в разных пунктах Земли и меняется во времени. Суточная амплитуда колебаний П. а. над континентами составляет около 20% от среднего, годовая до 30%; над океанами эти колебания меньше.

В чистой атмосфере П. а. растет с высотой по экспоненциальному закону, удельная П. а. доходит до 13․10 -18 ом -1 ․м -1 на высоте 6 км и до 300․10 -18 ом -1 ․м -1 на высоте 30 км. В ионосфере (См. Ионосфера) П. а. обусловлена электронами и во много раз превосходит П. а. в тропосфере. Общая П. а. в слое от поверхности Земли до ионосферы равна 0,5․10 -2 ом -1 .

Перемещения объёмных зарядов в атмосфере (см. Атмосферное электричество) за счёт воздушных движений и турбулентной диффузии вызывают эффекты, близкие к создаваемым П. а. в электрическом поле. Для характеристики этих эффектов вводят соответственно понятия конвективной и турбулентной проводимости.

Лит.: Чалмерс Дж. А., Атмосферное электричество, пер. с англ., Л., 1974; Имянитов И. М., Приборы и методы для изучения электричества атмосферы, М., 1957, гл. 7; Имянитов И. М., Чубарина Е. В., Шварц Я. М., Электричество облаков, Л., 1971.

И. М. Имянитов.

Большая советская энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия . 1969-1978 .

Смотреть что такое "Проводимость атмосферы" в других словарях:

Способность атмосферы проводить электрический ток. Создается атмосферными ионами и увеличивается с ростом ионизации и чистоты атмосферы и уменьшением ее плотности … Большой Энциклопедический словарь

Способность атмосферы проводить электрический ток. Создаётся атмосферными ионами и увеличивается с ростом ионизации и чистоты атмосферы и уменьшением её плотности. * * * ПРОВОДИМОСТЬ АТМОСФЕРЫ ПРОВОДИМОСТЬ АТМОСФЕРЫ, способность атмосферы… … Энциклопедический словарь

Способность атмосферы проводить электрич. ток. Создаётся атм. ионами и увеличивается с ростом ионизации и чистоты атмосферы и уменьшением её плотности … Естествознание. Энциклопедический словарь

И; ж. 1. Спец. Способность вещества, среды пропускать через себя и передавать теплоту, звук, электрический ток и т.п. П. металла. П. раствора. П. атмосферы. Электрическая п. П. тепла. 2. Биол. Способность нервных и мышечных тканей животного… … Энциклопедический словарь

проводимость - и; ж. 1) спец. Способность вещества, среды пропускать через себя и передавать теплоту, звук, электрический ток и т.п. Проводи/мость металла. Проводи/мость раствора. Проводи/мость атмосферы. Электрическая проводи/мость. Проводи/мость тепла. 2) … Словарь многих выражений

Стационарное электрическое поле, создаваемое электрическими объёмными зарядами (См. Электрический объёмный заряд) в атмосфере, собственным зарядом Земли и зарядами, индуцированными в атмосфере. Характеристики Э. п. а. напряжённость поля и …

Раздел метеорологии (См. Метеорология), изучающий физические закономерности процессов и явлений, происходящих в атмосфере, в том числе определяющих строение и самой атмосферы: свойства составляющих атмосферу газов, поглощение и излучение… … Большая советская энциклопедия

Атмосферное электричество совокупность электрических явлений в атмосфере, а также раздел физики атмосферы, изучающий эти явления. При исследовании атмосферного электричества изучают электрическое поле в атмосфере, её ионизацию и проводимость,… … Википедия

1) совокупность электрических явлений и процессов в атмосфере (См. Атмосфера), 2) раздел физики атмосферы, изучающий электрические явления в атмосфере и её электрические свойства. При исследовании А. э. изучают электрическое поле … Большая советская энциклопедия

Газовая оболочка, окружающая небесное тело. Ее характеристики зависят от размера, массы, температуры, скорости вращения и химического состава данного небесного тела, а также определяются историей его формирования начиная с момента зарождения.… … Энциклопедия Кольера

Общие понятия

По сравнению с электропроводностью проводников (см. разд. 2) и полупроводников (см. разд. 3) электропроводность диэлектриков имеет ряд характерных особенностей.

Все диэлектрики под воздействием не изменяющегося во времени напряжения пропускают некоторый, хотя и весьма незначительный ток, называемый током утечки (I), который складывается из двух составляющих: объемного тока () и поверхностного тока () (рис. 4.1).

Следовательно, общая проводимость диэлектрика () складывается из объемной () и поверхностной () проводимостей:

Величины, обратные указанным проводимостям, соответственно называют объемным () и поверхностным () сопротивлениями.

Следующей характерной особенностью электропроводности диэлектриков является постепенное спадание тока со временем (рис. 4.2). При подключении диэлектрика к не изменяющемуся во времени напряжению в начальный промежуток времени в цепи протекает быстро спадающий ток смещения (I см) плотность которого равна:

Этот ток спадает за время 10 13 …10 15 с порядка постоянной времени () схемы «источник-образец». То есть в первом приближении можно сказать, что этот ток обусловливается зарядкой геометрической емкости. Однако общий ток продолжает изменяться и после этого. Это спадание может продолжаться в течение нескольких минут и даже часов и обусловлено перераспределением объемных зарядов , а также установлением медленных (в основном) и быстрых видов поляризации. Эту спадающую часть тока называют током абсорбции ().

Со временем, когда произойдет зарядка геометрической емкости, т.е. установятся все виды поляризации, произойдет перераспределение объемных зарядов, и в диэлектрике останется не изменяющийся во времени электрический ток – сквозной ток (), который обусловлен поверхностной и объемной электропроводимостями:

При изменении удельного сопротивления диэлектриков ток абсорбции необходимо исключить, выдерживая образец под напряжением в течение некоторого времени.

Для сравнительной оценки различных диэлектриков в отношении их объемной и поверхностной электропроводности пользуются значениями удельного объемного сопротивления (), и удельного поверхностного сопротивления (). По удельному, объемному сопротивлению может быть определена удельная объемная проводимость :

а по удельному поверхностному сопротивлению – удельная поверхностная проводимость :

Объемное удельное сопротивление образца диэлектрика произвольной формы может быть найдено из выражения:

где – объемное сопротивление образца произвольной формы, Ом; – геометрический параметр, м.

Так, для плоского образца, у которого (см. разд. 1), удельное сопротивление равно:

где – площадь поперечного сечения образца (площадь измерительного электрода), м 2 ; – толщина образца, м.

Объемная удельная проводимость () измеряется в сименсах на метр ().

Удельное поверхностное сопротивление (в омах) может быть найдено из выражения:

, ………………..(4.6)

где – поверхностное сопротивление образца, Ом; – длина электродов, м; – расстояние между электродами, м.

Удельная поверхностная проводимость измеряется в сименсах.

Электропроводность газов

Электропроводность газов обусловлена наличием в них некоторого количества заряженных частиц. В нормальных условиях число заряженных частиц (ионов газа или твердых и жидких примесей, находящихся во взвешенном состоянии) в 1 м 3 атмосферного воздуха не превышает нескольких десятков миллионов.

Происхождение носителей заряда в газах объясняется различными факторами:

· радиоактивным излучением Земли;

· радиацией, проникающей из космического пространства;

· излучением Солнца;

· иногда тепловым движением молекул и т.п.

При поглощении энергии бомбардирующей частицы молекула газа теряет электрон и превращается в положительный ион. Высвобождаемый при этом электрон «прилипает» к нейтральной молекуле, образуя отрицательный ион.

В ряде случаев концентрация свободных носителей заряда может достигать очень больших значений. Это обычно связано с фотоионизацией молекул газа. Такая ионизация может происходить, например, при воздействии ионизирующих излучений: рентгеновских и гамма-лучей, потоков нейтронов и т.п. Заряженные ионы так же, как и окружающие их не имеющие электрического заряда молекулы газа, совершают беспорядочные тепловые движения, и вследствие диффузии происходит выравнивание концен

трации ионов в газе. При встрече положительных и отрицательных ионов происходит их рекомбинация. В стационарном случае, когда число ионов не изменяется с течением времени, между процессами генерации и рекомбинации заряженных частиц устанавливается динамическое равновесие.

Вычислим удельную проводимость газа. При наложении внешнего электрического поля положительные и отрицательные ионы, преодолевая сопротивление трения газа, будут двигаться между электродами со скоростями соответственно:

где и – подвижности положительного и отрицательного ионов.

Зависимость между числом имеющихся в 1 м 3 газа положительных () и отрицательных () ионов и числом ионов, рекомбинирующих в 1 м 3 газа за время 1 с (), можно представить так:

где – коэффициент рекомбинации ионов газа, м 3 /с. Для воздуха, например, м 3 /с.

В стационарном случае

,

так что .

Если напряженность поля (Е) очень мала, так что протекающий ток не меняет концентрацию ионов в газе, плотность тока может быть определена из выражения:

Принимая во внимание, что , получим выражение для удельной проводимости газа:

. (4.9)

Удельная проводимость воздуха в слабых полях составляет около 10 -15 См/м.

Из формулы (4.8) видно, что при малых значениях напряженности внешнего электрического поля, когда , , и можно считать постоянными, плотность тока в газе прямо пропорциональна напряженности приложенного поля, т.е. в этих условиях соблюдается закон Ома (рис. 4.3, участок 0А). Однако при дальнейшем возрастании напряженности приложенного поля из-за возрастания скорости дрейфа ионов вероятность их рекомбинации уменьшается, и в основном все ионы устремятся к электродам. Это ток насыщения (участок АВ).

Для воздуха при расстоянии между электродами 0,01 м насыщение достигается при напряженности поля 0,5 В/м. Плотность тока насыщения в воздухе (при обычных условиях) весьма мала и достигает 10 -14 А/м 2 .

Участок 0АВ называют областью несамостоятельной электропроводности, так как электропроводность (концентрация свободных носителей зарядов) определяется мощностью внешних ионизаторов.

Значение удельного сопротивления воздуха () составляет порядка 10 18 Ом∙м. При дальнейшем повышении напряженности поля В/м (рис. 4.3, участок ВС) происходит значительное повышение плотности тока вследствие процессов ударной ионизации молекул электронами в сильном электрическом поле вплоть до пробоя газового промежутка. Участок ВС – называют областью самостоятельной электропроводности .

Электропроводность жидкостей

Электропроводность жидкостей обусловлена ионами, образующимися при диссоциации молекул самой жидкости или ее примесей. В связи с увеличением энергии хаотического теплового движения молекул степень ионизации и концентрации ионов растет с повышением температуры по экспоненциальному закону:

, (4.10)

где W – энергия диссоциации. Отсюда удельная проводимость равна:

где n – заряд иона; и – подвижности положительных и отрицательных ионов соответственно; А – константа.

Логарифм проводимости жидкости линейно уменьшается с увеличением обратной абсолютной температуры 1/Т (рис.

Удельное сопротивление жидкостей равно:

, (4.12)

где В – константа.

По аналогичному закону изменяется вязкость жидкостей (). Зависимость жидкостей объясняется как изменением , так и изменением температурной диссоциации молекул .

Диссоциация молекул легче происходит в полярных жидкостях, чем в неполярных. Ввиду того что энергия диссоциации полярных жидкостей значительно меньше, чем неполярных, их удельная проводимость существенно выше. Так, для сильно полярных жидкостей (дистиллированной воды, этилового спирта, ацетона) , для слабо полярных (совола, касторового масла) , для неполярных (бензола, трансформаторного масла) Ом∙м. В неполярных жидкостях молекулы основного вещества практически не диссоциируют на ионы, и их электропроводность обусловлена примесями особенно полярных веществ.

В жидкостях (и газах) с примесями иногда наблюдается молионная электропроводность , характерная для коллоидных систем , которые представляют собой тесную смесь двух фаз веществ; причем одна фаза в виде мелких частиц (капель, зерен, пылинок и т.п.) равномерно взвешена в другой. Из коллоидных систем наиболее часто встречаются в электроизоляционной технике эмульсии (обе фазы – жидкости) и суспензии (дисперсная фаза – твердое вещество, дисперсионная среда – жидкость). Ста

бильность эмульсий и суспензий, т.е. способность их длительно сохраняться без оседания дисперсной фазы на дно сосуда (или всплывания ее на поверхность) вследствие различия плотностей обеих фаз, объясняется наличием на поверхности частиц дисперсной фазы электрических зарядов (при одноименном заряде частицы взаимно отталкиваются). Такие заряженные частицы дисперсной фазы и называют молионами . При наложении на коллоидную систему электрического поля молионы приходят в движение, что выражается в виде электрофореза .

Примеры практического использования электрофореза – покрытие металлических предметов каучуком и смолами из их суспензий, обезвоживание различных материалов в электрическом поле и др. В отличие от электролиза при электрофорезе не наблюдается образования новых веществ, а лишь меняется относительная концентрация дисперсной фазы в различных частях объема вещества. Молионная электропроводность присуща жидким лакам и компаундам, увлажненным маслам и т.п. Ее вклад в проводимость, как и вклад ионной электропроводности, зависит от вязкости жидкости.

Электропроводность твердых диэлектриков

Электропроводность диэлектриков в отличие от электропроводности полупроводников чаще всего носит не электронный, а ионный характер. Это связано с тем, что ширина запрещенной зоны в диэлектриках , лишь ничтожное количество электронов может отрываться от своих атомов за счет теплового движения. Ионы же часто оказываются слабо связанными в узлах решетки, и энергия W, необходимая для их срыва, сравнима с kT, Например, в кристалле NaCl эВ, а энергия отрыва иона натрия эВ. Поэтому, несмотря на меньшую подвижность ионов () по сравнению с подвижностью электронов (), ионная проводимость оказывается больше электронной за счет значительно большей концентрации свободных ионов:

. (4.13)

Носителями заряда в диэлектриках обычно оказываются ионы малых размеров, подвижность которых выше:

· протоны в водородсодержащих соединениях (в полимерах, кристаллах типа KH 2 PO 4 и других с водородными связями);

· ионы натрия (в NaCl и в содержащем натрий стекле) и т.д.

При этом следует отметить, что число диссоциированных (сорванных) ионов () с изменением температуры изменяется по экспоненциальному закону:

, (4.14)

где – общее число ионов i-го типа; – энергия диссоциации иона i-го типа; кТ – тепловая энергия.

Удельная электрическая проводимость твердых диэлектриков, как и полупроводников, растет с ростом температуры по экспоненциальному за­кону:

Однако зависимость часто обусловлена не только экспоненциальным ростом концентрации носителей (рис. 4.5, б)

но и ростом подвижности:

µ~exp(-W n /kT),

где W n – энергия перемещения иона, определяющая переход его из одного равновесного состояния в другое). Это связано с тем, что дрейфовая подвижность ионов мала и осуществляется путем их перескока с ловушки на ловушку, разделенных потенциальным барьером W n (так называемая «прыжковая» электропроводность). Вероятность таких тепловых перескоков прямо пропорциональна exp(-W n /kT) (рис. 4.5, а).

Обычно в диэлектрике имеется несколько видов носителей заряда. Например, кроме ионов основного вещества могут быть слабо связанные ионы примесей. В этом случае удельная проводимость складывается из собственной проводимости с энергией активации (W) и примесной проводимости с энергией активации (W np):

; (4.16)

,

где — коэффициент, объединяющий постоянные ( – заряд i-го носителя; – концентрацию i-го носителя; – подвижность i-го носителя); W i — энергия активации.

В широком диапазоне температур зависимость логарифма удельной проводимости (γ) от обратной величины абсолютной температуры (Т) должна состоять из двух прямолинейных участков с различными значениями угла наклона к оси абсцисс (рис. 4.6). При температуре выше точки излома А электропроводность определяется в основном собственными дефектами – это область высокотемпературной , или собственной электропроводности . Ниже излома, в области низкотемпературной , или примесной электропроводности , зависимость более пологая.

В отличие от трудно воспроизводимой низкотемпературной области электропроводности, определяемой в основном природой и концентрацией примесей, значение собственной удельной проводимости не зависит от удельной проводимости и не зависит от примесей, хорошо воспроизводимо и является физическим параметром данного соединения.

Температура, при которой наблюдается излом зависимости , сильно зависит от степени чистоты и совершенства материала. При увеличении содержания примесей и дефектов примесная удельная проводимость растет и оказывается существенной при более высоких температурах (рис. 4.6). По наклонам участков прямых зависимости можно определить энергию активации носителей заряда и их природу.

Ионная электропроводность сопровождается переносом вещества: положительные ионы движутся к катоду, а отрицательные к аноду. Электролиз особенно ярко выражен при повышенных температурах, когда ρ мало, и при приложении высоких постоянных напряжений. По выделившемуся на электродах веществу можно определить характер носителей заряда. У диэлектриков с чисто ионным характером электропроводности строго выполняется закон Фарадея – закон пропорциональности между количеством пропущенного электричества и количеством выделившихся веществ.

Некоторые диэлектрики (например, и другие титансодержащие керамические материалы) обладают электронной или дырочной электропроводностью. Однако носителями часто являются электроны не основного вещества, а примесей и дефектов. В титансодержащей керамике при высокотемпературном синтезе появляются в значительном количестве кислородные вакансии, отдающие слабо связанные электроны или дырки. От них и зависит наблюдаемая электропроводность.

Твердые пористые диэлектрики при наличии в них влаги, даже в ничтожных количествах, резко увеличивают свою электропроводность (рис 4.7). На участке кривой АВ значение сопротивления снижается в результате изменения степени диссоциации молекул воды и молекул диэлектрика в водном растворе на ионы. Участок ВС обусловлен процессами сушки, а на участке СД происходит диссоциация молекул диэлектрика на ионы.

Мы рассматривали электропроводимость твердых диэлектриков при относительно невысоких значениях напряженности электрического поля. При достаточно больших напряженностях электрического поля в диэлектриках появляется электронная составляющая электропроводности, быстро возрастающая с увеличением напряженности электрического поля, в связи с чем наблюдается нарушение закона Ома. При напряженностях электрического поля В/м, т.е. близких к пробивным напряженностям поля, зависимость электропроводности от величины напряженности поля подчиняется закону Пуля:

, (4.17)

Для ряда диэлектриков более точным оказывается закон Френкеля:

, (4.18)

где – электропроводность в слабых электрических полях; – коэффициенты нелинейности, характеризующие свойства диэлектрика; Е – напряженность электрического поля.