Die elektrische Leitfähigkeit von Dielektrika ist eine wichtige physikalische Eigenschaft. Informationen darüber ermöglichen es Ihnen, Anwendungsbereiche von Materialien zu identifizieren.
Bedingungen
Nach der Leitfähigkeit des elektrischen Stroms werden Substanzen in Gruppen eingeteilt:
- Dielektrika;
- Halbleiter;
- Dirigenten.
Metalle sind ausgezeichnete Stromleiter - ihre elektrische Leitfähigkeit erreicht 106-108 (Ohm·m)-1.
Und dielektrische Materialien sind nicht in der Lage, Elektrizität zu leiten, also werden sie als Isolatoren verwendet. Sie haben keine freien Ladungsträger, unterscheiden sich in der Dipolstruktur von Molekülen.
Halbleiter sind feste Materialien mit mittleren Leitfähigkeitswerten.
Klassifizierung
Alle dielektrischen Materialien werden in polare und unpolare Typen unterteilt. In polaren Isolatoren sind die Zentren positiver und negativer Ladungen außermittig. Die Moleküle solcher Substanzen ähneln in ihren elektrischen Parametern einem starren Dipol, der ein eigenes Dipolmoment besitzt. Als polares Dielektrikum kann Wasser verwendet werden. Ammoniak, Chlorwasserstoff.
Unpolare Dielektrika zeichnen sich durch das Zusammenfallen der Zentren positiver und negativer Ladungen aus. Sie ähneln in ihren elektrischen Eigenschaften einem elastischen Dipol. Beispiele für solche Isolatoren sind Wasserstoff, Sauerstoff, Tetrachlorkohlenstoff.
Elektrische Leitfähigkeit
Die elektrische Leitfähigkeit von Dielektrika wird durch das Vorhandensein einer kleinen Anzahl freier Elektronen in ihren Molekülen erklärt. Mit der Verschiebung von Ladungen innerhalb der Substanz über einen bestimmten Zeitraum wird eine allmähliche Einstellung einer Gleichgewichtslage beobachtet, die der Grund für das Auftreten eines Stroms ist. Die elektrische Leitfähigkeit von Dielektrika besteht im Moment des Aus- und Einsch altens der Spannung. Technische Muster von Isolatoren haben die maximale Anzahl kostenloser Ladungen, daher treten in ihnen unbedeutende Durchgangsströme auf.
Die elektrische Leitfähigkeit von Dielektrika bei konstantem Spannungswert errechnet sich aus dem Durchgangsstrom. Bei diesem Vorgang werden die vorhandenen Ladungen an den Elektroden freigesetzt und neutralisiert. Bei Wechselspannung wird der Wert der Wirkleitfähigkeit nicht nur vom Durchgangsstrom, sondern auch von den Wirkanteilen der Polarisationsströme beeinflusst.
Die elektrischen Eigenschaften von Dielektrika hängen von der Stromdichte, dem Widerstand des Materials ab.
Feste Dielektrika
Die elektrische Leitfähigkeit fester Dielektrika wird in Volumen und Oberfläche unterteilt. Um diese Parameter für verschiedene Materialien zu vergleichen, werden die volumenspezifischen und oberflächenspezifischen Werte verwendet. Widerstand.
Die volle Leitfähigkeit ist die Summe dieser beiden Werte, ihr Wert hängt von der Feuchtigkeit der Umgebung und der Umgebungstemperatur ab. Bei Dauerbetrieb unter Spannung nimmt der Durchgangsstrom durch flüssige und feste Isolatoren ab.
Und bei einer Stromerhöhung nach einer gewissen Zeit kann man davon sprechen, dass es zu irreversiblen Prozessen im Inneren der Substanz kommt, die zur Zerstörung (Durchbruch des Dielektrikums) führen.
Eigenschaften des gasförmigen Zustands
Gasförmige Dielektrika haben eine vernachlässigbare elektrische Leitfähigkeit, wenn die Feldstärke minimale Werte annimmt. Das Auftreten eines Stroms in gasförmigen Stoffen ist nur dann möglich, wenn sie freie Elektronen oder geladene Ionen enth alten.
Gasförmige Dielektrika sind hochwertige Isolatoren, daher werden sie in der modernen Elektronik in großen Mengen eingesetzt. Die Ionisation in solchen Substanzen wird durch äußere Faktoren verursacht.
Durch die Kollisionen von Gasionen sowie unter thermischer Einwirkung, UV- oder Röntgeneinwirkung wird auch der Prozess der Bildung neutraler Moleküle (Rekombination) beobachtet. Dank dieses Prozesses wird die Zunahme der Ionenzahl im Gas begrenzt, eine bestimmte Konzentration geladener Teilchen wird in kurzer Zeit nach Einwirkung einer externen Ionisationsquelle hergestellt.
Beim Erhöhen der an das Gas angelegten Spannung nimmt die Bewegung der Ionen zu den Elektroden zu. Sie sind nichtZeit haben, sich zu rekombinieren, sodass sie an den Elektroden entladen werden. Bei einer anschließenden Spannungserhöhung steigt der Strom nicht an, man spricht von Sättigungsstrom.
In Anbetracht unpolarer Dielektrika stellen wir fest, dass Luft ein perfekter Isolator ist.
Flüssige Dielektrika
Die elektrische Leitfähigkeit flüssiger Dielektrika erklärt sich aus den Besonderheiten der Struktur flüssiger Moleküle. Unpolare Lösungsmittel enth alten dissoziierte Verunreinigungen, einschließlich Feuchtigkeit. Bei polaren Molekülen erklärt sich die Leitfähigkeit des elektrischen Stroms auch durch den Zerfall der Flüssigkeit in Ionen.
In diesem Aggregatzustand wird der Strom auch durch die Bewegung kolloidaler Teilchen verursacht. Aufgrund der Unmöglichkeit, Verunreinigungen vollständig aus einem solchen Dielektrikum zu entfernen, treten Probleme auf, Flüssigkeiten mit geringer Stromleitfähigkeit zu erh alten.
Bei allen Isolationsarten wird nach Möglichkeiten gesucht, die spezifische Leitfähigkeit von Dielektrika zu reduzieren. Beispielsweise werden Verunreinigungen entfernt, die Temperaturanzeige angepasst. Eine Erhöhung der Temperatur bewirkt eine Verringerung der Viskosität, eine Erhöhung der Ionenmobilität und eine Erhöhung des Grades der thermischen Dissoziation. Diese Faktoren beeinflussen die Leitfähigkeit dielektrischer Materialien.
Elektrische Leitfähigkeit von Festkörpern
Es wird durch die Bewegung nicht nur der Ionen des Isolators selbst erklärt, sondern auch durch geladene Partikel von Verunreinigungen, die im festen Material enth alten sind. Beim Durchgang durch den festen Isolator erfolgt eine teilweise Entfernung von Verunreinigungen, die allmählich erfolgtbeeinflusst die Leitung. Unter Berücksichtigung der Strukturmerkmale des Kristallgitters ist die Bewegung geladener Teilchen auf Schwankungen der thermischen Bewegung zurückzuführen.
Bei niedrigen Temperaturen bewegen sich positive und negative Fremdionen. Solche Isolationsarten sind typisch für Substanzen mit molekularer und atomarer Kristallstruktur.
Bei anisotropen Kristallen variiert der Wert der spezifischen Leitfähigkeit in Abhängigkeit von ihren Achsen. Zum Beispiel überschreitet es in Quarz in Richtung parallel zur Hauptachse die senkrechte Position um das 1000-fache.
In festen porösen Dielektrika, in denen praktisch keine Feuchtigkeit vorhanden ist, führt eine geringfügige Erhöhung des elektrischen Widerstands zu einer Erhöhung des elektrischen Widerstands. Substanzen, die wasserlösliche Verunreinigungen enth alten, zeigen eine deutliche Abnahme des Durchgangswiderstands aufgrund von Feuchtigkeitsänderungen.
Polarisation von Dielektrika
Dieses Phänomen ist mit einer Änderung der Position der Teilchen des Isolators im Raum verbunden, was zur Erfassung eines elektrischen (induzierten) Moments durch jedes makroskopische Volumen des Dielektrikums führt.
Es gibt eine Polarisierung, die unter dem Einfluss eines externen Feldes auftritt. Sie unterscheiden auch eine spontane Version der Polarisation, die auch ohne externes Feld auftritt.
Die relative Permittivität wird charakterisiert durch:
- Kapazität eines Kondensators mit diesem Dielektrikum;
- seine Größe in einem Vakuum.
Dieser Vorgang wird durch das Erscheinen von begleitetdie Oberfläche des Dielektrikums aus gebundenen Ladungen, die die Spannung im Inneren der Substanz reduzieren.
Bei völliger Abwesenheit eines äußeren Feldes hat ein separates Element des dielektrischen Volumens kein elektrisches Moment, da die Summe aller Ladungen Null ist und negative und positive Ladungen zusammenfallen Leerzeichen.
Polarisationsoptionen
Bei der Elektronenpolarisation findet unter dem Einfluss eines äußeren Feldes eine Verschiebung der Elektronenhüllen des Atoms statt. Bei der ionischen Variante wird eine Verschiebung der Gitterplätze beobachtet. Die Dipolpolarisation ist durch Verluste gekennzeichnet, um innere Reibung und Bindungskräfte zu überwinden. Die strukturelle Variante der Polarisation gilt als der langsamste Prozess, sie ist durch die Orientierung inhomogener makroskopischer Verunreinigungen gekennzeichnet.
Schlussfolgerung
Elektrische Isoliermaterialien sind Substanzen, die es Ihnen ermöglichen, einige Komponenten elektrischer Geräte unter bestimmten elektrischen Potentialen zuverlässig zu isolieren. Im Vergleich zu Stromleitern haben zahlreiche Isolatoren einen deutlich höheren elektrischen Widerstand. Sie sind in der Lage, starke elektrische Felder zu erzeugen und zusätzliche Energie zu speichern. Diese Eigenschaft von Isolatoren wird in modernen Kondensatoren genutzt.
Je nach chemischer Zusammensetzung werden sie in natürliche und synthetische Stoffe eingeteilt. Die zweite Gruppe ist die zahlreichste, daher werden diese Isolatoren in einer Vielzahl von Elektrogeräten verwendet.
Abhängig von den technologischen Eigenschaften werden Struktur, Zusammensetzung, Film, Keramik, Wachs, mineralische Isolatoren isoliert.
Wenn die Durchbruchspannung erreicht ist, wird ein Durchbruch beobachtet, was zu einem starken Anstieg der Größe des elektrischen Stroms führt. Unter den charakteristischen Merkmalen eines solchen Phänomens kann man eine leichte Abhängigkeit der Festigkeit von Spannung und Temperatur sowie Dicke hervorheben.
