第三章 电介质的电导
大工13春高电压技术》辅导资料五

高电压技术辅导资料五主题:第三章液体和固体介质的电气特性(第1节)学习时间:2013年4月29日-5月5日内容:我们这周主要学习第三章第一节液体和固体介质的极化、电导和损耗的相关内容。
希望通过下面的内容能使同学们加深液体及固体介质的极化、电导和损耗相关内容的理解。
第三章液体和固体介质的电气特性第一节液体和固体介质的极化、电导和损耗在高压电气设备中,液体和固体电介质作为内绝缘被广泛的使用。
这是因为液体和固体电介质的绝缘强度比气体大得多,用它们作电气设备的内部绝缘可是绝缘的尺寸缩小、设备结构紧凑。
由液体和固体电介质构成的内绝缘具有的特点:(1)不受外界大气条件变化的影响。
(2)对包含固体介质的内绝缘,绝缘击穿是非自恢复的(一般的液体介质的内绝缘是可自恢复的,但是击穿多次,也不能使用了)。
(3)长时间工作下逐渐老化(空气介质不会老化)。
因此,对于由液体和固体组成的内绝缘,不仅要考虑它在短时过电压下的特性,还要考虑在长时间的工作电压下的特性。
电介质的电气特性,表现为在电场作用下的:导电性能——电导率γ介电性能——介电常数ε、介质损耗角正切tanδ电气强度——击穿场强E b液体和固体电介质在运行过程中会出现逐渐老化的现象,使它们的物理、化学性能及各种电气参数发生改变,从而影响绝缘的电气强度及其寿命。
所以对液体和固体电介质,我们不仅要了解它们在强电场下的击穿特性,还要了解它们在弱电场下的电气特性,如极化、电导、损耗等。
气体电介质在弱电场强下的极化、电导、损耗很微弱,一般可以忽略不计(弱电场是指电场强度远没有达到击穿场强)。
1.电介质的极化和介电常数(1)极化:在外加电场的作用下,电介质中的正、负电荷沿电场方向作有限位移或转向,形成电矩(偶极矩)的现象。
电矩是指由大小相等、符号相反、彼此相距一定距离的两个异号电荷组成的系统称为电矩或偶极矩。
电矩是有方向和大小的,方向是由负电荷指向正电荷,大小是指带电量与两个电荷垂直距离的乘积。
第三章 介质电导

∴
E1
=
d τμ
τ、μ对给定的材料为定值,也可通过实验测得。
E 1随d的增加而增加。
17
§3-2 气体介质的电导
3. 高电场区 当电场强度很高,例如E>106V/cm,离子在电场中获得
很高的能量而产生新的碰撞和电离,使离子生成速率N随 电场强度E的增大而呈指数式增加,导致电流密度的指数 增大。
18
3
2. 电场较强时
当电场强度增大时,电流密度增大。
如果
j >> ξ ⋅ n2 qd
N≈ j qd
或
j ≈ Nqd = 常数 = jS
通常所说的电导率均是指饱和区的电导率。
此时,电流密度与电场强度 无关,即电流达到饱和; 由电离作用生成的离子全部 到达极板上进行复合。
E1 = ?
设:τ
=
d ,而v v
= μ E1
三、液体介质的电泳电导
1.载流子——胶粒 来源:1)加树脂(提高粘度、稳定性)——悬浮离子; 2)过量的水——细小水珠。
特点:1)胶粒为分子的聚集体,大小在10-6~10-10m; 2)胶粒为分散体系,作布朗热运动; 3)胶粒为带电体,带电规律:
¾ε胶粒>ε液体,胶粒带正电
¾ε胶粒<ε液体,胶粒带负电
§3-1 电介质电导总论
1. 由电子(或空穴)热激发带间跃迁中所产生的本征载流子对电介质 (绝缘体)的传导没有显著的贡献,甚至在较高温度(500K)下也是 如此。
2. 在室温或低于室温时,由杂质能级中电子(或空穴)热激发所产生的 非本征载流子对电介质(绝缘体)的传导没有贡献;在较高温度 (500K)下由于杂质的热电离而产生的电导率可达到检测的极限值, 即10-21 (Ω·m)-1量级的限值。
电介质第三章复习资料

电介质的电导:弱联系的带电质点在电场作用下作定向漂移从而构成传导电流的过程 电介质的导电形式:(1)离子电导 载流子是正、负离子(或离子空位)在弱电场中,主要是离子电导。
(2)电子电导 载流子是电子(或电子空穴),在强电场中,禁带宽度比较小,薄层介质中主要是电子电导。
(3)电泳电导 载流子是带电的分子团,分子团可以是老化了的粒子、悬浮状态的水珠或者杂质胶粒,在电场作用下进行定向漂移,形成电泳电导。
电介质的击穿:当外加电场增加到相当强,达到某一临界值时电介质的电导不再服从欧姆定律,电导率突然剧增,电介质由绝缘状态变成导电状态。
电介质击穿形式:热击穿,电击穿,电化学击穿 固体电介质的离子电导:1.本征离子电导 决定了高温电导,来自热缺陷中的填隙离子和离子空位. 而离子空位的移动是由离子的移动来完成的.特点:a.离子晶体的本征电导的载流子浓度与晶体结构的紧密程度和离子半径的大小有关。
b.结构紧密的晶体主要是肖特基缺陷,肖特基缺陷往往是成对产生的,但正离子和负离子对电导的贡献有差别。
c.结构松散的晶体主要是弗能克尔缺陷,载流子主要是正填隙离子和正离子空位。
迁移率,电导率计算 顺电场方向、逆电场方向跃迁的几率分别是 假设单位体积中弱系离子数为n,顺电场方向跃迁的离子数 每个离子,在单位时间,单位体积顺电场方向跃迁的次数乘以离子跃迁经过的距离----离子的平均跃迁速度 这时离子的平均迁移速度为 离子的迁移率为2.弱系离子电导:与晶格点阵联系较弱的离子活化而形成导电载流子,主要是杂质离子和晶体位错与宏观缺陷处的离子引起的电导。
它往往决定了晶体的低温电导。
晶体电介质中离子电导的机理具有离子跃迁的特征,而且参与导电的也只是晶体中部分活化了的离子或离子空位。
在非离子晶体、或离子晶体中低温热缺陷数目很少的情况下是低温电导的主要成分低温时,以弱系离子电导为主: 高温时,以本征离子电导为主 在很宽的温度范围内,实验所得到的lnγ~f (1/T )的关系是具有不同斜率的两条直线。
5 电介质的极化、电导和损耗

电介质分类: 按状态分气体、液体和固体三类 气体介质广泛用作电气设备的外绝缘; 液体和固体介质广泛用作电气设备的内绝缘。
常用的液体介质:变压器油、电容器油、电缆油; 常用的固体介质:绝缘纸、纸板、云母、塑料、电瓷、玻璃、 硅橡胶。 电介质的电气特性表 现在电场作用下的:
2、介质损耗
交流时流过电介质的电流:
I=I R+I C
介质损耗(有功损耗):
P UI cos=UIR UIC tan=CU 2 tan
由上式可见,介质功率损耗P与试验电压、被试品尺寸等因 素有关,不同试品间难以互相比较;而对于结构一定的被试 品,在外施电压一定时,介质损耗只取决于tan δ。 tan δ被称为介质损耗角正切,它只与介质本身特性有关, 与材料尺寸无关,因而不同试品的tan δ可相互比较。
①偶极子极化;②夹层极化
偶极子极化(转向极化) 非弹性极化; 特点: 极化时间较长; 频率对极化有影响; 有能耗;
(a)无外电场 (b)有外电场
温度较低时,T↑→分子间作用力↓→转向容易→极化↑; 温度较高时→热运动加剧阻碍转向→极化↓
夹层极化 合闸瞬间:
U1 U2
t 0
C2 C1
稳定后: U1
对同类试品绝缘的优劣可用tan δ来代替P对绝缘进行判断。
tanδ的物理含义:表征单位体积均匀介质内能量损失的大小
介质损耗的等值电路分析可用并联等效电路或串联等效电路
Ir U /R 1 tg p I c U C p C p R
U2 Pp U 2 C p tg R
2、影响电介质电导的因素
场强、杂质和温度。
(1)电压(电场强度):
(2)杂质:
第三章 介电材料

第三章 介电材料(电介质)
dielectric materials
无电场时
d. 空间电荷极化 施加电场时
离子极化 离子化合物是由正负离子按照一定堆积方式形成的, 正负离子之间依靠静电引力形成离子键。离子晶体中,正负离子 没有平动和转动,只有振动,粒子间距离虽有微动,但其方向和 大小都是随机的。因此,整体上正电和负电重心是重合在一起的, 保持电中性。在电场作用下,正、负离子分别沿着不同电场方向 取向,趋向于与外电场一致的方向,产生的极化称作离子极化。
在钙钛矿结构中,有一 种非常重要的结构---氧 八面体结构。钙钛矿结构 中氧八面体结构和金刚石 结构中的正四面体结构是 固体物理学中两类非常重 要的典型结构。
W 2fE02 ' tan
7. 电导率 漏电电导率和位移电导率引起
8. 击穿电压 电介质承受的电压超过一定值后,就丧失了电 介质的绝缘性,这个电压叫做击穿电压
高介电常数材料和低介电常数材料 介电常数k比Si3N4(k>7)大的材料称为高介电常数 材料,而其k值比SiO2(k<3.9)小的材料称为低 介电常数材料。k的最小值为1(空气中),最大k值 材料(铁电体)为24700(频率1kHz时) 高介电常数材料 DRAM(动态随机存取存储器)上单个电容器的面 积在急剧减小,解决这一问题的办法是使用较薄 的传统电介质-SiO2和Si3N4。随着存储器芯片 (速度)超过64M(位),这一方法不再有效, 因为欲达到所需元件电容量,材料需薄至1nm以 下,这样,它们(随着现代存储器芯片工作电压 的下降)就会产生不能容忍的漏电流或严重的
华南理工考研电介质物理基础课后习题整理版

第一章 电介质的极化1.什么是电介质的极化?表征介质极化的宏观参数是什么?若两平行板之间充满均匀的电介质,在外电场作用下,电介质的内部将感应出偶极矩,在与外电场垂直的电介质表面上出现与极板上电荷反号的极化电荷,即束缚电荷σˊ。
这种在外电场作用下,电介质内部沿电场方向产生感应偶极矩,在电介质表面出现极化电荷的现象称为电介质极化。
为了计及电介质极化对电容器容量变化的影响,我们定义电容器充以电介质时的电容量C与真空时的电容量C 0的比值为该电介质的介电系数,即0r C C=ε,它是一个大于1、无量纲的常数,是综合反映电介质极化行为的宏观物理量。
2.什么叫退极化电场?如何用一个极化强度P 表示一个相对介电常数为r ε的平行板介质电容器的退极化电场、平均宏观电场、电容器极板上充电电荷产生的电场。
电介质极化以后,电介质表面的极化电荷将削弱极板上的自由电荷所形成的电场,所以,由极化电荷产生的场强被称为退极化电场。
退极化电场:00εεσPE d -='-= 平行宏观电场:)1(0-=r PE εε充电电荷产生的电场:)1()1(0000000-=+-=+===+=r r r d PP P P E D E E E εεεεεεεεεεσ 3.氧离子的半径为m 101032.1-⨯,计算氧原子的电子位移极化率按式304r πεα=代入相应的数据进行计算。
240310121056.2)1032.1()1085.8(14.34m F ∙⨯≈⨯⨯⨯⨯⨯=---α4.在标准状态下,氖的电子位移极化率为2101043.0m F ∙⨯-。
试求出氖的相对介电常数。
单位体积粒子数253231073.24.221010023.6⨯=⨯⨯=Ne r N αεε=-)1(0 12402501085.81043.01073.211--⨯⨯⨯⨯+=+=∴εαεer N 5.试写出洛伦兹有效电场的表达式。
适合洛伦兹有效电场时,电介质的介电系数r ε和极化率α有什么关系?其介电系数的温度系数的关系式又如何表示。
电介质的电导

1 ) . 肖特基正离子空位对电 导的贡献: U S1 nS1 N exp ( ) KT U S1 U 0 B1 Nq 2 2 1 nS1 q exp ( ) A1 exp ( ) 6 KT KT T U S1 — 产生一个肖特基正离子 空位所需的能量; U 0 — 正离子沿电场方向迁移 所需克服的位垒;
杂质离子与价带电子的复合不参与导电物理性质半导体sige电介质nacl等光吸收限m15025禁带宽度ev08电子空穴电导自由载流子浓度m3t300kt300kt500k2810181018sv104108本征电导率m14510504510451027有效质量比m杂质离子电导光频介电常数n1625电离能ev103杂质浓度m3101810241026电离杂质浓度m31018102410910非本征电导率m1161010351022半导体与电介质物理性能对比半导体与电介质物理性能对比二电导率与迁移率的概念的介质
B ln T 如液体介质存在本征和 杂质离子,则: B B A1 exp ( 1 ) A2 exp ( 2 ) T T ln ln 1 ln 2 ln ln A B1 B2 ln A1 ln A2 T T
本征
杂质
1
T
三、液体介质的电泳电导 1.载流子——胶粒 来源:1)加树脂(提高黏度、稳定性)——悬浮离子; 2)过量的水——细小水珠。 特点:1)胶粒为分子的聚集体,大小在10-6~10-10m; 2)胶粒为分散体系,作布朗热运动; 3)胶粒为带电体,带电规律:
胶粒的介电常数比液体大,带正电 胶粒的介电常数比液体小,带负电
D1 1 , 0 E1 D2 2 0 E2
1
2
1 2 E1 E 2
安全用电全部简答题

(第一章 )问答题1、简述电子式极化和偶极子式极化的特点及区别。
答: 电子式极化:在所有电介质中都会发生,其特点是形成极化的时间极短,约在10-15~10-14s ,可看作瞬时完成,故其r ε不随频率改变;电子式极化具有弹性,即当外电场消失后,依靠正负电荷间的引力,正负电荷作用中心会立即重合而呈中性,没有能量损耗,不使介质发热;温度对电子式极化的影响极小,温度升高时,介质略有膨胀,单位体积内的分子数减少,引起r ε下降,即r ε具有很小的负温度系数。
偶极子式极化:在一切极性介质中都会发生。
这类极化的特点是极化属于非弹性极化;因极性分子转向时需要克服分子间的作用力,故在极化过程中需要消耗能量,极化所需的时间也较长,约为10-6~10-2s ;它的r ε与频率有关,开始会随着频率增加而增大,但当频率较高时偶极子的转向跟不上电场方向的变化,使r ε减小;温度对极性介质的影响较大,当温度升高时,分子间作用力减弱使极化加强,同时分子热运动加剧使极化减弱,故极性介质的r ε在温度较低时会随温度升高而增大,在温度较高热运动变得剧烈时会随温度升高而减小。
2简述电介质电导的特点。
答:1)电介质的电导是离子性的,而金属的电导是电子性的;2)电介质的电导极小,其电阻率高达109~1022Ω·cm ,而金属的电导则极大,电阻率仅为10-6~10-2Ω·cm ;3)电介质的电导率就会随温度升高按指数规律上升,即电介质的电阻具有负的温度系数。
而金属电导会随温度升高降低,即金属电阻具有正的温度系数4)当施加在电介质上的电压达到一个临界值时,会发生显著的、快速增长的自由电子导电现象,此时其电导大增,绝缘电阻剧烈下降。
2、简述提高气隙击穿电压的各种方法。
答:1).改进电极形状及表面状态2).在极不均匀电场中采用极间障3).采用高气压气体4).采用高真空气体5).采用高电气强度气体3、简述提高沿面放电的各种方法。
第三章电介质电导和击穿详解

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2.气体为何能导电?如何对其导电过程进行理论分 析?(掌握)
(1)气体导电机理 (2)气体电导过程的理论分析
第八页,共55页。
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(1)气体导电机理
气体能导电是因为气体中存在一定浓度的带电正 负离子(载流子),载流子存在则是因为气体中随 时随地进行着下述两个过程:
第二十七页,共55页。
n0
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③ 击穿电压的确定---------巴申定律
BP
APe E
ed 1 1
Vm
BPd
ln
APd
/ln
1
1
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(4)结果分析
① 理论和实验结果相当 吻合
② 随Pd的变化存在极小
Vm
BPd
ln
APd
/ln
1
1
值
③ 在压力较小时提高 真空度或在压力较大 时提高气体压力均可 提高击穿电压
第三十五页,共55页。
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3.什么是电子电导?有何特点?(掌握)
通过电子的运动而产生的电导称为电子电导,电介质可 以通过以下几种方式形成电子电导
(1)本征激发:
从价带跃迁到导带,随温度呈指数增长关系,一般 电介质在常温下其电导率可忽略
(2)隧道效应:
当电场较强时,电子则可能通过隧道效应穿过 势垒后到达导带或阳极而形成电子电导。包括 的隧道效应有:阴极→导带 价带→阳极。强 电场作用下比较明显。
当电场较大时
x1
N n
1
n 1 cE 1
x x 2 1 2x
J E qn d
所以电流密度达到饱和不随电场的变化而变化
第十六页,共55页。
第1节 液体和固体介质的极化、电导和损耗

此时功率损耗为:
U2 p= = U 2ωC P tgδ R
(3-9)
与式(3-7)所得介质损耗完全相同。
2、串联等值电路
有损电介质可用一 只理想的无损耗电容 Cs 和一个电阻r 相串联的 等值电路来代替,如图 所示。
由向量图有:
放置固体介质时,电容量将增大为:
C ε 相对介电常数: ε r = = C0 ε 0
Q0 + Q ' εA C= = U d
ε0---真空的介电常数 εr---介质的相对介电常数 d ---极间距离,cm A ---极板面积,cm2 ε ---介质的介电常数
下面的表3-1列出了常用电介质的εr值(20°C时)
(二) 离子式极化
固体无机化合物大 多属离子式结构,无外 电场时,晶体的正、负 离子对称排列,各个离 子对的偶极矩互相抵消, 故平衡极矩为零。
在出现外电场后,正、 负离子将发生方向相反的偏 移,使平均偶极矩不再为零, 介质呈现极化。 离子式极化的特点: 1、离子相对位移有限,外 电场消失后即恢复原状; 2、所需时间很短,其 ε
ε
tgδ
Eb
第一节 液体和固体介质的极化、电导和损耗
电介质的极化 电介质的电导 电介质的损耗
一、电介质的极化 电介质的极化是电介质在电场作用下,其束缚电 荷相应于电场方向产生弹性位移现象和偶极子的取向 现象。介电常数来表示极化强弱。对于平行平板电容 器,极间为真空时:
Q0 ε 0 A C0 = = U d
Ir tgδ = = ωC S r I / ωC S
由于:
r=
tgδ ωC S
I = U CS ωC S = U cos δ ⋅ ωC S
第三章 电介质材料 (基础知识)

130~150 陶瓷: 陶瓷 80~110
陶瓷: 陶瓷 9.5~11.2
聚乙烯 2.26
聚四氟乙烯 2.11
聚氯乙烯 4.55
环氧树脂 3.6~4.1
天然橡胶 2.6~2.9
酚醛树脂 5.1~8.6
2.2 介质极化强度和极化率
v
为了描述电介质在外场中的极化情况,引入极化强度矢量 为了描述电介质在外场中的极化情况,引入极化强度矢量 P ,它等于单位 体积内感生偶极矩的矢量和: 体积内感生偶极矩的矢量和:
Q'
= (εr -1)ε0 E
P = n0αEe
εr =
Q 0 + Q' Q' = 1+ Q0 Q0
Q0 U
n0αEe εr = 1+ ε0 E
提高电介质的介电常数: 提高电介质的介电常数: 提高单位体积内的极化粒子数n 提高单位体积内的极化粒子数 0; 大的粒子组成电介质; 选取极化率α 大的粒子组成电介质; 增强作用于极化粒子上的有效电场E 增强作用于极化粒子上的有效电场 e。
4)极性分子电介质和非极性分子电介质 ) 极性分子:分子的正负电荷重心不重合。 极性分子:分子的正负电荷重心不重合。
v 极性分子具有固有偶极矩 电偶极矩: 固有偶极矩, 极性分子具有固有偶极矩, 电偶极矩:µ = ql v
。
v l
q
电偶极子 例如, 例如,HCl、NH3、CO、SO2、H2S、CH3OH 、 、 、
v E' :退极化场 v v v 介质中的总场强: 介质中的总场强:E = E 0 + E '
v E 0 :外电场
2.1 介电常数(ε) 介电常数( ) 比值来反映介质的极化能力: 取D/E比值来反映介质的极化能力: 比值来反映介质的极化能力
电介质的电导

高压绝缘基本理论
Hale Waihona Puke 高压绝缘基本理论 2、电介质的电导 电导G表征电介质导电性能的主要物理量, 其倒数为电阻R=1/G。
电导G、泄漏电流Ig、绝缘电阻R 均反应绝缘好坏, 实际中多用R或Ig 按载流子的不同,电介质的电导又可分为离子电导 和电子电导两种。
电子电导:一般很微弱,因为介质中自由电子数 极少;如果电子电流较大,则介质已被击穿。 离子电导:本征离子电导:极性电介质有较大的本 征离子电导,杂质离子电导:在中性和弱极性电介质中, 主要是杂质离子电导。
高压绝缘基本理论
(3)固体电介质电导 通常是杂质离子参与导电 接近击穿时碰撞游离和阴极释放出大量电子参与导电
体积电导和表面导电:
表面电导通常远大于体积电导,受环境影响很大, 如受潮、脏污。所以,在测量体积电阻率时,应尽 量排除表面电导的影响,应清除表面污秽、烘干水 分、并在测量电极上采取一定的措施。 电介质电导受温度影响较大:温度高,电导大,泄 漏电流大,绝缘电阻低。
高压绝缘基本理论
(2)液体电介质电导 分类:
离子电导:电介质分子或杂质分子离解成离子参与电导。 中性、弱极性液体介质电导小。 电泳电导:载流子为带电的分子团,通常是乳化状态的 胶体粒子(例如绝缘油中的悬浮胶粒)或细小水珠,他 们吸附电荷后变成了带电粒子。 液体绝缘的电导主要是含杂质(水、纤维、气体 等),构成小桥,电导电流增大,并恶性循环。
高压绝缘基本理论
(1)气体电介质电导 气体电介质在低于气 体击穿电场强度下,泄 漏电流极小,故可作为 标准电容器的介质。
I
放电
Uj
U
当气体电介质场强达到其击穿场强时,气体分子发 生碰撞游离大量电子参与导电。气体由绝缘状态变为 导电状态 提高气体耐电强度的措施:提高气体压力
高电压技术_第3章_液体和固体介质的电气特性

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高电压技术
第三章 液体和固体介质的电气特性
第一节 液体和固体介质的极化、电导和损耗
二.电介质的极化
1. 极化的概念和相对介电常数
① 电介质的极化——电介质在电场作用下,其束缚电荷相应于 电场方向产生弹性位移现象和偶极子的取向现象。
实验显示,加同样大小直流电压U
极板中为真空时:极板上电荷量 为Q0;
介电常数越大,表明介质越容易极化
气体分子间的距离很大,密度很小,气体的极化率很小, 一切气体的相对介电常数都接近1,液体和固体多在2~6 之间(表3-1)。
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高电压技术
第三章 液体和固体介质的电气特性
第一节 液体和固体介质的极化、电导和损耗
2. 电介质极化的种类
⑴ 电子式极化
极化机理
极化机理 无外电场时:晶体的正、负 离子对称排列,各个离子对 的偶极矩互相抵消,故平衡 极矩为零。 在出现外电场后:正、负离 子将发生方向相反的偏移, 使平均偶极矩不再为零,介
质呈现极化。
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高电压技术
第三章 液体和固体介质的电气特性
第一节 液体和固体介质的极化、电导和损耗
离子式极化的特点 ① 离子式极化存在于一些固体无机化合物中,如云母, 陶瓷等; ② 极化需要的时间极短10-15s,εr与电源频率无关; ③ 极化具有弹性,不产生能量损耗。
极化机理 无外电场时:极性分子的 偶极子因热运动而杂乱无 序的排列着,宏观电矩为 零,整个介质对外不表现 出极性; 在出现外电场后:杂乱的 偶极子将沿电场方向转动, 有规则的排列,显示出极 性。介质内部电场与外加 电场相反。
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第三章 液体和固体介质的电气特性
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二,固体介质导电性质的判断 1.电子电导的判定: 霍耳效应
v v v F = qv × B
S
I B F I N Palm
+
法拉第效应: I II III
+
-
M m = Q qF F — 法拉第常数 = 96496; M — 离子的原子量; Q — 析出m物质所需的总电量; q — 离子的电荷
三,晶体中的离子电导 参与电导的离子为缺陷和杂质等弱联系离子.
二,气体介质的电流-电压关系(伏-安特性曲线)
j( A / m2 )
设: N — 单位体积,单位时间电 离的离子数; M — 单位时间电离的离子总 数 = N V; N ′ — 单位体积,单位时间复 合的离子对数; n + — 正离子的浓度; n — 负离子的浓度.
I
II
jS
III
E1
N ′ = ξn+ n 在无外电场时,N = N ′,即n = 平衡时的离子浓度为:n = n+ = n N ξ ∴ N ′ = ξn 2
E1 = ? v d 设:τ = v ,而V = E1 V d ∴ E1 = τ,对给定的材料为定值,也可通过实验测得. τ E1随d的增加而增加.
3. 高电场区 如电场很高,例如E>106V/cm,离子在电场中获 得很高的能量而产生新的碰撞和电离,使N随E 的增大指数增加,导致电流的指数增大.
§3-3 液体介质的载流子和电导
1. 载流子的种类: 离子——从能带理论可知,主要为弱联系离子,本征 离子; 带电胶粒——如水离解; 电子——对窄禁带电介质. 2. 载流子的形成: 离子电导:由(晶格)结点上的离子产生的本征离子 电导;由杂质离子产生的杂质离子电导. 电泳电导:带电胶粒形成的基团(游子)产生的电导. 电子电导:一般是由光辐照产生的电子形成电子电导. a. 电子导电 b. 空穴导电 c. 受激激子:杂质离 子与价带电子的复 合(不参与导电) 导带 a 价带
B ln γ = ln A ln γ T 如液体介质存在本征和杂质离子,则: B B γ = A1 exp 1 ) A2 exp 2 ) ( + ( T T ln γ ≈ ln γ 1 + ln γ 2 B1 B2 = ln A1 + ln A2 T T
本征 杂质
1 T
三,液体介质的电泳电导 1.载流子——胶粒 来源:1)加树脂(提高黏度,稳定性)——悬浮离子; 2)过量的水——细小水珠. 特点:1)胶粒为分子的聚集体,大小在10-6~10-10m; 2)胶粒为分散体系,作布朗热运动; 3)胶粒为带电体,带电规律: 胶粒的介电常数比液体大,带正电 胶粒的介电常数比液体小,带负电 D D2 Q ε1 = 1 , ε 2 = ε 0 E1 ε 0 E2 ε1 > ε 2 E1 < E 2
离子
胶粒——水(或悬浮状水珠) 离子的来源: 直接离解:如H2O——2H++O2热离解产生 间接离解:先发生氧化组成新 的物质,再离解.
二,液体介质的离子电导
1,液体介质的结构特征:接近固体,有流动性,短程有序 2,电导率与温度的关系 由热离子势垒模型,可将液体看成类固体,则: n0 qδν U0 ( )E n = exp KT 6 KT 离子宏观平均漂移速度为: U0 qδ ν n v= δ = ( )E exp n0 KT 6 KT
S
Vm
如有m种载流子, v v m j = ∑ ni q i i E
i =0
结论: 1. 对电介质来说,导电载流子可以是离子和电子, 但在大多数情况下,主要为离子导电,这与导体 和半导体的电子导电机理有所不同; 2. 研究电介质的导电性质,应了解载流子的性质和 其迁移机理,揭示宏观介电参数与微观导电机构 间的规律性.
常见的液体电介质: 矿物油——变压器油,电容器油; 植物油——蓖麻油,桐油; 有机溶剂——苯,甲苯,四氯化碳; 新型液体介质——十二烷基苯,硅油,酯类油. 纯液体介质具有很低的电导率γ=10-13~10-15(cm)-1, 含有杂质的液体介质的电导率γ=10-9~10-13(cm)-1.
一,液体介质的载流子 本征离子 杂质离子
二,电导率γ与迁移率的概念
设: 载流子的迁移速度为v m; n为单位体积中的载流子数; q为载流子的电荷量; 取截面积为S,长度为v m的介质.则: v v v v I = nqv m S 或 j = nqv m v m2 v Q v m = E 为载流子的迁移率 s V v v j = γE ∴ γ = nq
N ξ
说明在电流很小时,载流子的浓度与无 电场的载流子浓度相同.
6 5 例:空气的 N = 3 ~ (1 / cm 3 s), ξ = 1 .6 × 10 ( cm 3 / s),可得
载流子浓度 n = 1580 1 / cm 3),相对于 N 0 = 6 .62 × 10 19 1 / cm 3)是 ( ( 很小的.
§3-2 气体介质的载流子和电导
一,载流子的产生 体积电离——体内气体分子相互碰撞而发生的电离,又 称为本征电离; 表面电离——金属电极表面电子逸出而使气体发生的电 离,又称为非本征电离. 气体介质只有在气体分子电离的情况下,才会产 生电流.气体分子的相互碰撞,光,热,辐射等都可 能引起气体电离.
2
离子的迁移率为:
U0 v qδ 2 ν = = ( ) exp E 6 KT KT 故离子电导电流密度和电导率分别为:
n0 q 2 δ 2 U0 )E j = n0 qE = ν exp( 6 KT KT n0 q 2 δ 2 U0 ) γ = n 0 q = ν exp( 6 KT KT
a B 电导率关系式可简化为:γ = exp ) ( T T a Q 温度变化的指数项远比 项变化显著 T B γ ≈ A exp ) ∴ ( T
1. 本征离子电导 完整的晶体不会产生离子电导, 电导离子主要为晶体内的缺陷 离子,如Schottky Defects和 Frenkel Defects. ( Schottky:离子数 n S = N exp ( Frenkel:n F = N N ′ exp US ) KT
UF ) 2 KT N — 晶体点阵上的离子浓度; N ′ — 晶体点阵间隙位置浓度.
b
+
+
c
Hale Waihona Puke hν半导体与电介质物理性能对比
物理性质 光吸收限λ(m) 禁带宽度(eV) 电子 空穴 本征 电导 自由载流子浓度(m-3) 半导体(Si,Ge) 1.5 0.8 T=300K 2.8×1018 自由载流子迁移率 (m2/sV) 本征电导率(m)-1 有效质量比m*/m0 杂质 离子 的非 本征 电导 光频介电常数ε=n2 电离能(eV) 杂质浓度(m-3) 电离杂质浓度(m-3) 非本征电导率(m)-1 10-4~1 4.5 ×10-5~0.45 0.1 16 5 ×10-3 1018~1024 1018~1024 <1.6 ×105 <2 ×10-9 <10-35 < 10-45 1 2.5 2 1026 <105 <2 ×10-22 T=300K 10-18 <10-8 <10-27 电介质(NaCl等) <0.25 >5 T=500K 1
1 . 肖特基正离子空位对电导的贡献: ) U S1 ( ) n S 1 = N exp KT U S1 + U 0 B1 Nq 2 δ 2 ν γ 1 = n S 1 q = exp ≈ ( ) A1 exp ) ( 6 KT KT T U S 1 — 产生一个肖特基正离子空位所需的能量; U 0 — 正离子沿电场方向迁移所需克服的位垒;
8πn(ε 0 ε ) r ∴γ η = = CONSTANT 3
2
华尔顿定律
3. 液体电导主要是杂质和胶粒,这都不是液体介 质的本征特性.可以通过在液体介质中加硅胶和 活性剂的方法来改善液体介质的性能.
本征离子的华尔顿定律
液体分子的迁移率为: ′ U0 δ′ 2 ν ′ ′ = exp ( ) 6 KT KT ′ 式中U 0 ,δ′,ν ′分别为液 体分子迁移势垒高度,势 垒间距和分子固有振动频率 1 Q 液体的粘度:η = ′δ′ ′ U0 6KT ( ) ∴ η = 3 exp KT δ′ ν ′ 本征离子的电导率为: n0 q 2 δ 2 ν U0 γ= exp ( ) 6 KT KT
2. 杂质离子的电导: B′ γ ′ = A′exp ( - ) T 由于杂质离子的激活能 较本征离子低的多,因 此: A′ p A B′ p B 晶体中总的离子电导率 为: B B′ γ 总 = γ + γ ′ = Aexp ( - ) A′exp ( - ) + T T
由于本征离子是由液体分子 电离而来,因此可认为本征 离子的性质与液体分子基本 相同,即:
δ = δ ′, ν = ν ′, U 0 = U 0
∴
′
n 0q 2 γ η = = 常数 δ′
注:该关系式只适用于液 体的本征离子,杂质 离子不能适用.
§3-4 固体介质的电导
一,固体介质的载流子
离子:杂质离子和本征离子 电子
E2 E(V / m)
ξ — 复合系数,对空气ξ = 1.6 × 10 12 m 3 / s) (
单位时间内从一个电极 到达另一个电极的离子 数为: N ′′ = M N ′ = N ξn 2)S d ( ∴ j = q(Nd ξn 2 d)
j 1. 弱电场时, pp ξ n 2,N ≈ ξ n 2 n = qd ∴ j = nq E = N q E = γE ξ
如正,负离子的迁移率分别为 +, ,则: N γ = e ( + + ) ξ 这是一个与电场无关的常数,因此在弱电场下,气体介质 的电流 电压满足欧姆定理.