V případě Ohmova zákona, který je pozorován ve slabých elektrických polích (viz kapitola 3.2-3.4), je průchozí vodivostní proudová hustota neboli proudová hustota j (j = I/S, A/m 2 ) přímo úměrná síla pole:

Vzorec (3.5) lze získat, pokud hodnoty U = Eh a R = (ph)/S = h/(γS) dosadíme do rovnice I = U/R.

Na druhé straně, specifická objemová vodivost γ, S/m, je určena koncentrací nabitých částic u, m−3, velikostí jejich náboje q, C a pohyblivostí a [m 2 /(V*s)]:

Pohyblivost nosiče náboje a je poměr jeho driftové rychlosti V k síle elektrického pole E způsobující tuto rychlost, tzn. a = V/E [(m/s)/(V/m)] = m2/(V*s). Pro vzduch za normálních podmínek ve slabých polích je pohyblivost záporných iontů a_ = 1,87 * 10 −46 m 2 /(V*s), kladných iontů – a+ =1,37*10-4 m2/(V*s); Pohyblivost elektronů vzhledem k jejich nízké hmotnosti je větší než pohyblivost iontů a je asi 3700 * 10 −4 m 2 / (V * s), tzn. ~1000krát vyšší než u iontů. V kapalných dielektrikách při 1,18 K a_ = 7 * 10 −6 m 2 / (V * s), a + = 9 * 10 −6 m 2 / (V * s). V pevných dielektrikách je pohyblivost iontů ještě nižší. Například v aluminosilikátové keramice je to pouze 10−13–10−16 m2/(V*s) a pro elektrony ~10−4 m2/(V*s). Vzorec (3.6) nesouvisí s povahou nosiče náboje, proto je společný pro všechny možné typy elektrické vodivosti.

Navzdory skutečnosti, že pohyblivost elektronů v dielektriku je o více než tři řády vyšší než pohyblivost iontů, je elektrická vodivost v dielektriku iontové povahy, protože vznik volných iontů (například při disociaci [viz níže ] iontové nečistoty) vyžaduje podstatně méně energie než pro tvorbu volných elektronů. Například v krystalu NaCl vyžaduje přechod elektronu z valenčního pásu do vodivostního pásu energii ∆W = 6 eV a odstranění iontu Na+ z mřížky NaCl vyžaduje energii rovnou disociační energii Wdis = 0,85. eV. Proto v dielektrikách v důsledku výrazně vyšší koncentrace volných iontů (spíše než elektronů) je dominantní iontová vodivost, definování. S rostoucí teplotou se koncentrace n volných iontů zvyšuje exponenciálně:

kde no – počet iontů v 1 m 3 při T → ∞; Wdis — disociační energie, eV; kT je tepelná energie (k je Boltzmannova konstanta (k = 8,617*10-5 eV/K; T je teplota, K).

Mobilita a počet iontů v dielektriku roste exponenciálně s rostoucí teplotou. To je vysvětleno skutečností, že v souladu se „skokovým“ mechanismem elektrické vodivosti dochází k driftové mobilitě iontů přeskakováním z pasti do pasti, oddělené potenciální bariérou Wper. Pasti jsou regiony, kde jsou lokalizováni dopravci zdarma, což by mohlo být jako elektricky nabité a neutrální vady. Když se „lepí“ na pasti, nosiče náboje na nich zůstávají déle, čím vyšší je potenciální bariéra Wnep. Proto k transportu nosičů náboje dochází prostřednictvím malých pastí, tzn. pastmi s nízkými hodnotami Wper. Pravděpodobnost tepelných skoků nosičů náboje (například iontů) z pasti do pasti je úměrná exp(— Wnep/kT). V důsledku toho se s rostoucí teplotou exponenciálně zvyšuje pohyblivost a volných iontů:

ČTĚTE VÍCE
Jak nastavit univerzální dálkový ovladač k televizi bez kódu?

kdeо — maximální mobilita iontů; Wnep je energie pohybu iontu z pasti do pasti (energie přechodu iontu z jedné rovnovážné polohy do druhé).

Pohyblivost iontů závisí na jejich velikosti a náboji: čím menší je velikost a náboj iontu, tím vyšší je jeho pohyblivost.

Dosazením hodnot n a a do vzorce (3.6) a kombinací konstant no a ao s jedním koeficientem A dostaneme

kde W je energie potřebná pro vznik a drift iontu

Rýže. 3.4. Závislost měrné elektrické vodivosti γ kapalných polárních (I) a nepolárních (2) dielektrik na teplotě T

S rostoucí teplotou roste elektrická vodivost (obr. 3.4) v důsledku zvýšení jak koncentrace n, a pohyblivost volných iontů. V tomto případě je u kapalných dielektrik dominantním faktorem zvýšení pohyblivosti a volných iontů a u pevných dielektrik zvýšení koncentrace n volných iontů. Z Obr. 3.4 také ukazuje, že elektrická vodivost polárních dielektrik je větší než u nepolárních a při zahřívání se zvyšuje intenzivněji.

3.1.4. TKр dielektrika

Důležitou charakteristikou elektrických vlastností dielektrik je teplotní koeficient měrného odporu TCр (nebo αр, K-1):

Průměrný teplotní koeficient měrného odporu

TKr, K -1, pro daný teplotní rozsah lze určit z výrazu:

Komplexní elektrická vodivost

Specifická elektrická vodivost dielektrika při střídavém proudu může být vyjádřena v komplexní formě

γπ = γ / +jγ // , (3.12)

kde γ’ je skutečná část odpovídající aktivní vodivosti a ve fázi s napětím γ’ = γr = U/R = ωεεotgδ (viz kapitola 4.2), kde U je hodnota amplitudového napětí; γ”—imaginární část—odráží reaktivní složku měrné vodivosti, vedoucí napětí ve fázi o π/2, γ” = γr = U/Xc= UωC= ωεoε, kde Xс je reaktivní složka odporu (viz kapitola 4.2); j je imaginární jednotka, (j = √−1)

Vlastnosti elektrické vodivosti plynných, kapalných a pevných dielektrik v závislosti na jejich povaze a síle elektrického pole jsou diskutovány níže.

Když je dielektrikum v elektrickém poli, část energie elektrického pole se v důsledku dielektrických ztrát rozptýlí v dielektriku a dielektrikum se zahřívá. Zvýšení teploty dielektrika ve srovnání s okolím vede k odvodu tepla. Další vývoj procesů závisí na poměru rychlosti odvodu tepla a rychlosti uvolňování tepla. Obrázek 43 ukazuje závislost výkonu uvolňování tepla (Ptelevize) a výkon odvodu tepla (Pže) na teplotě pro nepolární dielektrikum. Jak je vidět z výše uvedeného obrázku, v teplotním rozsahu od bodu a do bodu b výkon odvádění tepla převyšuje výkon uvolňování tepla, takže se teplota nezvyšuje. Mimo tuto oblast výkon uvolňování tepla převyšuje výkon odvodu tepla a dielektrikum se zahřívá. Zahřívání dielektrického materiálu může vést k jeho praskání, roztavení, zuhelnatění, což snižuje elektrickou pevnost dielektrika a vede k jeho destrukci.

ČTĚTE VÍCE
Jaké typy betonu se vyrábějí pomocí polymerů?

Je zřejmé, že odolnost proti elektrickému tepelnému průrazu závisí jak na vlastnostech samotného materiálu, tak na konstrukci izolantu. Čím vyšší je povrch izolantu, tím více tepla se odvádí do okolí a tím nižší je pravděpodobnost elektrického tepelného průrazu.

Je třeba také poznamenat, že v případě, kdy se provozní teplota izolátoru blíží bodu b, jakékoli zvýšení teploty povede k selhání izolace. Zároveň v případě, kdy je provozní teplota pod bodem, a kolísání teplot není tak nebezpečné. Zahřívání dielektrika zvýší výkon odvodu tepla. Proto budou výkony uvolňování a odvodu tepla stejné.

Nejnebezpečnější teploty jsou tedy teploty blízko bodu b. Proto závislost elektrické pevnosti dielektrik na teplotě vypadá tak, jak je znázorněno na Obr. 44.

Vstupenka č. 26

1. Objemové vady v krystalových mřížkách. Vliv objemových vad na vlastnosti materiálů.

Objemové nebo trojrozměrné defekty v krystalové mřížce zahrnují praskliny a póry. Přítomnost trhlin prudce snižuje pevnost materiálů na bázi kovů i nekovových materiálů. To je způsobeno skutečností, že ostré hrany trhlin jsou koncentrátory napětí. Je důležité poznamenat, že při stejné geometrii trhlin zůstává tažnost kovových materiálů vyšší než tažnost nekovových.

Přítomnost pórů v materiálu také snižuje pevnost kovových materiálů, protože skutečný průřez součástí je zmenšen. U nekovových materiálů není vliv pórů na vlastnosti materiálu tak jasný. Velké póry snižují pevnost materiálu, protože se zmenšuje průřez výrobků. Malé póry zároveň mohou zvýšit pevnost materiálů. To je způsobeno skutečností, že když se objeví póry, objeví se volný povrch. Na atomy umístěné na povrchu pórů tedy působí tlaková napětí. Nekovové materiály s iontovými nebo kovalentními vazbami mezi atomy mají dobrou odolnost vůči tlakovým napětím a špatnou odolnost vůči napětí v tahu. Při všech reálných zatěžovacích schématech (například ohybu) vzniká v materiálu jak tahová, tak tlaková napětí. V přítomnosti pórů kompenzují tlaková napětí na jejich povrchu vnější tahová napětí. Proto přítomnost malých pórů vede ke zvýšení pevnosti nekovových materiálů.

Jelikož je energie atomů na povrchu objemových defektů zvýšená, jsou zdrojem vakancí. Při zahřátí se zdá, že praskliny a póry se „vypaří“ a promění se v prázdná místa. Po ochlazení se volná místa opět „zahustí“. Během „kondenzace“ volné „páry“ má systém sklon k minimu energie, a tedy k minimu povrchové energie. Ostré trhliny se tak při zahřívání a následném ochlazování mění na kulovité póry, tedy střídavým ohřevem s ochlazováním se nebezpečné trhliny mohou přeměnit na póry méně nebezpečné.

ČTĚTE VÍCE
Ve kterém směru je tepelná vodivost dřeva větší?

Snížení průřezu materiálu v přítomnosti pórů a trhlin, stejně jako zkreslení krystalové mřížky v blízkosti jejich povrchu, vede ke zvýšení elektrického odporu kovových materiálů. V nekovových materiálech přítomnost objemových defektů snižuje elektrický odpor v důsledku zvýšené pohyblivosti iontů prostřednictvím vakancí v materiálech s iontovými vazbami a snadnějšímu uvolňování elektronů v materiálech s kovalentními vazbami.