Свободные и связанные электрические заряды, токи проводимости и смещения

Свободные и связанные электрические заряды, токи проводимости и смещения

Частицы, из которых состоят любые вещества, обладают электрическими зарядами. Электрон имеет отрицательный заряд е = 0,16 • 10 -18 к, а протон — такой же положительный заряд. Суммарный заряд атома, молекулы или тела, состоящего из множества молекул, может быть положительным, отрицательным или равным нулю в зависимости от соотношения между общими положительными и отрицательными зарядами составляющих их элементарных частиц.

В зависимости от способности перемещаться в электрическом поле заряды могут быть разделены на две большие группы. Заряды первой группы характеризуются возможностью неограниченного перемещения в электрическом поле и поэтому называются свободными зарядами. Вторая группа зарядов не имеет этой возможности, их перемещение ограничивается структурой атома, молекулы, кристалла или неоднородностью строения вещества. Эти заряды называются связанными.

Разделение на свободные и связанные заряды не всегда зависит только от физической природы рассматриваемых частиц. Заряды, являющиеся свободными в однородной среде, могут оказаться связанными при образовании композиций, состоящих из различных материалов.

Свободные электроны и ионы вещества под действием электрического поля перемещаются от одного электрода к другому, образуя ток проводимости.

Связанные электрические заряды под действием электрического поля имеют возможность перемешаться только в некоторых, часто очень ограниченных, пределах. Этот процесс перемещения, называемый поляризацией, характеризуется вектором поляризации, и существенно зависит от физических связей между зарядами. При поляризации смещаются заряды под действием электрического поля и появляется ток смещения.

Диэлектрик содержит равное количество положительных и отрицательных связанных между собой зарядов, и влияние внешнего электрического поля сказывается на взаимном смещении центров положительных и отрицательных зарядов и в появлении электрических моментов пар разноименных зарядов — дипольных моментов. В однородном поле вектор поляризации представляет собой среднее значение суммарного дипольного момента единицы объема. Поляризации диэлектрика зависит от напряженности электрического поля.

Материалы, в которых имеют значение только токи проводимости, а токами смещения можно пренебречь, называются проводниками. Материалы, в которых токи проводимости ничтожны и ими можно пренебречь, называются изоляторами. Материалы, в которых большое значение имеет поляризация, называются диэлектриками (смотрите — Металлы и диэлектрики — в чем отличие). Те материалы, в которых необходимо учитывать как токи проводимости, так и токи смещения, относят к категории полупроводников.

Явление поляризации диэлектриков и появления тока смещения в промышленности используется при высокочастотном нагреве диэлектриков (например, сушка древесины, картона, нагрев в пищевой промышленности) и полупроводников.

Нагреваемый материал помещается между пластинами конденсатора, к которым подведено напряжение высокой частоты. Токи проводимости и смещения, возникающие в материале, помещенном в электрическом поле высокой частоты, вызывают выделение тепла в материале и его нагрев. Этот вид нагрева называется диэлектрическим нагревом.

Процесс сушки влажных материалов, т. е. удаление из них влаги, может происходить за счет двух явлений: непосредственного испарения влаги внутри материала и выхода ее в виде пара и перемещения влаги в жидкой фазе из внутренних областей к поверхности. Наличие электрического поля в материале оказывает существенное влияние на испарение и перемещение влаги, позволяя значительно интенсифицировать процесс сушки.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Смещение электрических зарядов в диэлектрике под действием электрического поля имеет характер упругой деформации: когда прекращается действие электрического поля, прекращается и смещение. Если же напряженность электрического поля возрастает, то возрастает и смещение в диэлектрике. При этом может произойти пробой диэлектрика. Электрический пробой в газах, твердых и жидких диэлектриках протекает неодинаково.  [1]

Смещение электрических зарядов в диэлектрике под действием электрического поля обнаруживается как соответствующий ток смещения. Его мерой является величина диэлектрического тока ID, определяющегося как электрический заряд, который в процессе зарядки или разрядки конденсатора пересек единицу поверхности, находящуюся перпендикулярно направлению перемещения заряда.  [2]

Смещение электрических зарядов / равно — 10 — 10 м, а элементарный электрический заряд Q 1 602 — 10 — 19 Кл ( 4 8 — 10 — 10 ед.  [3]

Смещение упругосвязанных электрических зарядов и ориентация дипольных молекул диэлектрика под действием электрического поля называется поляризацией диэлектрика. Поляризация, связанная со смещением электронов в атоме, называется электронной, а диэлектрики, в которых проявляется только электронная поляризация, называют неполярными. Электронная поляризация не связана с потерями энергии и происходит практически мгновенно. Она бывает во всех диэлектриках независимо от наличия в них других видов поляризации.  [4]

В момент смещения электрических зарядов в молекулах диэлектрика в нем возникает так называемый ток смещения.  [6]

Существующий тип смещения электрического заряда известен под названием индуктивного эффекта или / — эффекта. Хотя, как было показано выше, можно считать, что он обусловлен резонансом, но допустимо использовать в описании и чисто классические термины; для его понимания не обязательно необходима идея резонанса, так как можно полагать, что более электроотрицательный атом просто оттягивает к себе электроны вследствие своего большого сродства к ним.  [7]

Поляризация происходит вследствие смещения электрических зарядов в диэлектрике пропорционально напряженности электрического поля и характеризуется величиной электрического момента. Электрический момент некоторого объема вещества при этом имеет значение, отличное от нуля.  [8]

Диэлектрические свойства материала обусловлены смещением электрических зарядов .  [9]

Эта реакция состоит в смещении электрических зарядов под действием поля световой волны.  [10]

Поляризация диэлектриков заключается в смещении электрических зарядов атомов и молекул, образующих диэлектрик, под действием сил электрического поля. Существует несколько видов поляризации.  [11]

Ток поляризации — ток, обусловленный смещением электрических зарядов при изменении поляризации диэлектрика.  [12]

При действии внешнего электрического поля в диэлектрике происходит смещение электрических зарядов и появление поверхностных зарядов.  [13]

При действии внешнего электрического поля в диэлектрике происходит смещение электрических зарядов и появление поверхностных зарядов. Смещение зарядов внутри материала взаимно нейтрализуется, поэтому поляризация происходит лишь на поверхностях, контактирующих с пластинами конденсатора. Свак UeaK / U m — В переменных электрических полях поляризация изменяется во времени периодически, но, поскольку быстрые движения зарядов затруднены, это приводит к рассеянию энергии в виде тепла. В то время как в вакууме вектор электрического тока образует с вектором напряжения угол, равный 90, при поляризации диэлектрика фазовый угол уменьшается.  [14]

Молекулярная связь ( или связь Ван-дер — Ваальса) возникает вследствие смещения электрических зарядов в молекулах и атомах и появления слабого электрического притяжения. Этот тип межатомной связи характерен для инертных газов с завершенными электронными оболочками.  [15]

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 = εε_oЕ):

(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.

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.

Токи смещения, абсорбции и сквозной проводимости

Трайк сначала резко увеличивается, затем постепенно уменьшается, асимптотически приближаясь к значению постоянного установившегося состояния(рис. 3.3). Резкое увеличение тока в начале и его последующее уменьшение вызвано током смещения 1 см в диэлектрике. Плотность тока смещения USM определяется скоростью изменения вектора электрического смещения D (или вектора E, D=eoee): jCM=dD/dr=£OE(dE/dt). (3.4) ток смещения / см обусловлен как мгновенной (деформированной)

В первом случае из-за короткого периода установления электронной и ионной поляризации/см невозможно зафиксировать с помощью измерительного прибора. Ток смещения, индуцированный поляризационным вариантным типом, является существенным в работе р-р-перехода в полупроводниковых приборах и подробно рассматривается в главе 8.6. Во втором случае ток смещения наблюдается в техническом диэлектрике от нескольких минут до нескольких десятков минут после подачи напряжения, называемого током поглощения / AB.

Ток поглощения 1А обусловлен типом поляризационной релаксации и перераспределением свободного заряда диэлектрического объема. Последнее приводит к накоплению носителей заряда в местах наибольшей концентрации дефектов решетки, неоднородностей, ловушек типа интерфейсов (уровней захвата). Это способствует поляризации организма. При поляризации диэлектрика на поверхности, обращенной к электроду, образуется поверхностно связанный заряд (см. главу 2.1.2). Для того чтобы компенсировать эти заряды на электродах, далее протекают сторонние заряды+0D и — (?)d (см. 2.1, J) образование и рост связаны с возникновением и ростом токов поглощения.

• Когда поляризация диэлектрика начинает завершаться, рост заряда третьей стороны замедляется, а затем полностью прекращается, так что по мере завершения поляризации ток поглощения уменьшается и становится нулевым. Поток поглощения при постоянном напряжении наблюдается только в момент включения / выключения, переменное напряжение-при каждом полупериоде изменения электрического поля, то есть во все время приложения переменного напряжения. В результате поляризации диэлектрика, вызванной релаксацией вида, а также под действием образующегося объемного заряда, образец заряжается.

В диэлектриках возникает электрическое поле (ЭКФ), вектор которого направлен в противоположную сторону от приложенного магнитного поля. Если внешний источник напряжения от него и его короткозамкнутого выключается, а в паттерне идет обратный так называемый ток деполяризации, который образуется в результате высвобождения носителя в различные ловушки, то временная зависимость тока деполяризации включает информацию о молекулярной подвижности, структурных дефектах и в некоторых случаях предсказывает закономерность протекания тока полимерного диэлектрика или генерируется термически стимулированный ток деполяризации (ТДК).

Составляющая тока, которая не изменяется при подаче постоянного напряжения, представляет собой постоянный поток заряженных частиц, разряженных в электрод, называемый сквозным током 1СК (сквозным током, током утечки или остаточным током), а величина сквозного тока определяет удельную объемную (или поверхностную) проводимость диэлектрика. Ток проводимости обусловлен направленным движением свободного заряда за счет обязательного разряда на электроде. Эти заряды питаются ионообразующими примесями, самими диэлектриками, и инжектируются с электродов сильным магнитным полем.

Только в результате разряда носителя заряда на электродах внешнего контура (положительные ионы принимают электроны с катода, отрицательные ионы излучают электроны на анод), если ток, протекающий в диэлектрике, имеет ионную величину, то во внешнем контуре-электроны. В результате ток преобразуется из ионного типа в электронный на электроде. Ток сквозной проводимости измеряется при подаче на образец постоянного напряжения, а затем ток поглощения падает почти до нуля. Это время, как упоминалось выше, составляет от нескольких минут до нескольких десятков минут и определяется экспериментально.

71 величина проникающего тока при длительном приложении постоянного напряжения может существенно изменяться в результате электрохимического процесса, а также образования объемного заряда. Величина сквозного тока не изменяется только при чисто электронных видах проводимости. Когда постоянное напряжение непрерывно прикладывается к твердому или жидкому диэлектрическому току, проходящему через проводимость, оно продолжает уменьшаться со временем (см. Рисунок). 3. 3, кривая 2), это означает, что электропроводность этого материала в основном обусловлена примесными ионами и снижается в результате электрической очистки образца.

Кроме того, проникающий ток уменьшается, если носители заряда, приближающиеся к электродам, не разряжаются над ними из-за высокого потенциального барьера на границе металл-диэлектрик. Накапливаясь в области вблизи электрода, носитель заряда образует объемный заряд (положительный на катоде, отрицательный на аноде), который препятствует прохождению тока. Объемный заряд области вблизи электрода также может формироваться (в сильном магнитном поле) в результате инжекции заряда с электрода, но в этом случае знак объемного заряда не совпадает с полярностью электрода.

Перед подачей электрического поля диэлектрик электрически нейтрален, то есть суммарный заряд всех малых объемов равен нулю, а после приложения электрического поля заряд (электрод или образец поляризуется) на макроскопическом расстоянии. Разряженный на электроде заряд образует ток сквозной проводимости. Таким образом, поляризация и проводимость всегда появляются одновременно, и через некоторое время поляризация завершается, а проводимость сохраняется. Если ток сквозной проводимости увеличивается со временем(см. Рисунок). 3.3, кривая 7), что указывает на участие в формировании тока заряда, являющегося структурным элементом материала.

При этом хронологический возраст материала-в нем происходит необратимый электрохимический процесс, постепенно приводящий к разрушению (разложению) образца (см. Главу 5). Например, прикладывая постоянное напряжение к нагретому неорганическому стеклу, дендрит может расти по всей толщине диэлектрика от катода к аноду и образовывать проводящий канал через ответвление отложений продукта — достаточное время прохождения тока за счет того, как электролитические продукты в стекле, особенно металлический натрий, выделяющийся на катоде, являются проводящими.

Образовательный сайт для студентов и школьников

Копирование материалов сайта возможно только с указанием активной ссылки «www.lfirmal.com» в качестве источника.

© Фирмаль Людмила Анатольевна — официальный сайт преподавателя математического факультета Дальневосточного государственного физико-технического института