知識貼:電介質的電導與電阻率

2021-01-15 介電高分子材料
電介質在電場下主要的電特性是極化和電導,其本質都是一種電荷遷移現象。在往期內容中,我們詳細介紹了電介質極化及極化產生的機理。從本意上講,電介質應該是不導電的,其電阻率無限大。實際上,所有電介質在直流電壓作用下總會有微弱的電流通過(漏導電流)。那麼,電介質的電導與我們常說的導體電導有何區別電介質的導電特性能反映材料哪些特性?本期將介紹(固體)電介質的電導和其產生機理



註:本文所提電介質電導指固體電介質,後文將不再贅述。



電介質在電場下主要的電特性是電導和極化,本質上它們都是一種電荷的遷移現象。電導率或電阻率是表徵材料導電性能的宏觀參數,與材料的幾何尺寸無關。電導則指的是導電能力,對於某一種導體允許電流通過它的容易性的量度。電介質的電導是電介質中存在的少量載流子貫穿整個介質而構成「洩漏電流」的物理現象,如下圖所示。


電介質導電模型


從本意上講,電介質就應該是不導電的,換言之,電介質的電阻率應該是無限大的。但實驗證明對大多數絕緣材料都存在著微量的導電性。實際上,所有電介質在直流電壓作用下總會有微弱的電流通過(漏導電流)。


電介質導電的載流子是離子而不是自由電子,這是與導體有本質的區別。但作為電介質的有機高分子材料即高聚物的導電性範圍極廣,隨著導電機理的改變可以出現導電聚合物、半導體聚合物,甚至超導聚合物。


電導率(conductivity)物理學概念,是表示物質傳輸電流能力強弱的一種測量值。電導率是表徵電導大小的物理量,用符號γ表示,它的倒數是電阻率ρ。電氣絕緣材料的電阻率ρ一般為1010~1022Ω·cm。


對於各向同性介質,電導率是標量;對於各向異性介質,電導率是張量。除非特別指明,電導率的測量溫度是25°C電導率的物理意義是表示物質導電的性能。電導率越大則導電性能越強,反之越小。固態半導體的摻雜程度會使電導率發生很大變化,增加摻雜程度會提高電導率。


一般而言,電介質的電導按照載流子的類型不同可以分為三種


1.本徵離子電導或電離電導。這種電導的載流子是材料本身的本徵離子或雜質離子及空格點。完整的晶體不會產生離子電導,電導離子主要為晶體內的缺陷離子,如Schottky Defects 和Frenkel Defects。


2.離子化分子電導或電泳電導。之中電導是由於離子化的分子或分子團引起的。在固體中較少見,主要出現在玻璃和無定形固體中。


3.電子電導。這種電導是由自由電子和空穴引起的。載流子來自光電效應、電極注入、施主或受主摻雜。


在高溫時主要以本徵電導為主,低溫時以雜質離子電導(弱系離子)為主,而電子電導主要發生於含鈦陶瓷中。對於電介質來說,導電載流子可以是離子和電子,但在大多數情況下,主要為離子導電,其與導體和半導體電子導電機理不同。


電子與離子電導的特性


電介質離子電導按照離子的來源,又可分為本徵離子電導和雜質離子電導。其中,本徵離子是由構成材料的分子離解而產生的,雜質電導則是混入材料的雜質產生的。有機絕緣材料的電導大多數是混入的雜質引起的熱離子電導,雜質對液體絕緣材料的電導特別敏感。如純淨變壓器油在80°C下電導率為0.5*10-15 Ω-1·cm-1,而工程上使用的礦物油因為雜質的存在,電導率增至10-11 Ω-1·cm-1。


區別絕緣材料和半導體有兩大特徵。一是採用能帶理論,半導體的禁帶寬度較大,且其導電粒子是電子和空穴;絕緣材料的禁帶寬度小,導電粒子是離子。二是相比半導體,絕緣材料中載流子密度和遷移率都非常小。


另外,從電導率與溫度的關係中可以看到電介質導電機理與金屬導電機理的不同點。


假設,單位體積(1 cm3)內有n0個離子,每個離子帶有電量q,在外電場作用下,離子遷移的平均速度為v,得到的電流密度J為


上式中,α為離子遷移率,E為外加電場。因此有,


故得電導率為

可見,γ由離子所帶電量、離子濃度、離子遷移率決定。一般α與溫度關係服從指數規律,即

式中,B為常數,T為絕對溫度。因此γ可變換為

電介質絕緣材料的電導率隨溫度按指數規律上升,電阻率按指數規律下降這一結果與金屬導電情況相反。從物理意義上看,當溫度上升時,電導的離子數將因熱離解而增加,同時,溫度上升粘滯性下降,分子間互相作用力下降,這有利於離子的遷移。因此,溫度上升,γ將增大


對於離子電導的電介質而言,是不會出現霍爾電場的。因為離子質量比電子大得多,磁場力不能使離子發生橫向位移,因而不會產生橫向電場。但是,電介質中出現自由電子時,電介質已經變成導體——電介質被擊穿





 在外加直流電壓u的作用下,流過絕緣材料的電流I是微弱的,因此材料的絕緣電阻就是

但測量時通常取加上電壓一分鐘後的讀數,這是因為通過絕緣材料的微弱電流會隨時間降落,出現吸收現象。


電介質材料中電流與時間的關係


在加電壓的初期,總電流Io為



其中,I1 (t)是隨時間很快降到零的位移極化電流(充電電流),I2(t)是隨時間較慢地降低到零的夾層極化吸收電流;I是取決於材料的本徵粒子電導和雜質離子電導的洩露電流(電導電流),這種電導電流與時間幾乎無關,不是時間t的函數。


接下來分析下以上幾種電流:


I1-充電電流。主要是介質極化相應產生的,又可細分為快速響應和緩慢響應兩部分。這兩個過程同樣都是由於自由電荷在電場作用下的運動引起的,只不過對於電導而言,載流子能夠從一個電極貫穿整個介質達到另一個電極。而在(超)慢極化過程中,載流子中止在介質內部,以空間電荷的形式貯存在電介質中。


I2-吸收電流。它是一種充電時隨時間緩慢衰減,而在放電時並不可逆的電流。吸收電流與超慢極化電流還是不同的,後者在放電時把充電過程中累積的全部電荷完全可逆放出,而吸收電流似乎將充電流入的電荷吸收到介質內部。實際上這個電荷是被介質中的深能級陷阱所俘獲,不再參與放電過程。只有在加熱或光照時,才能擺脫陷阱的束縛,以熱激電流(Thermally stimulated Current, TSC)或光激電流(Optically Stimulated Current, OSC)的形式重新放出。


I-不隨時間變化的漏導電流。這一電流才真實反映了貫穿電介質內部的導電過程


因此,通常在1~2分鐘後



這時通過絕緣材料的電流就只有I,由於固體介質受到表面狀態的影響,I中包含通過體積的Iv和通過表面的Is,即



Rv和Rs


以平板電極為例,對於Rv,設d為式樣厚度(cm),A為電極面積(cm2)。對於Rs,設b為極板間距(cm),I為電極寬度(cm)。則有

所以對於平板材料,體積電阻率


表面電阻率


如下圖所示,常採用三點系統測量Iv和Is,用以比較材料的性能。


三級系統測試



絕緣材料的最終壽命取決於絕緣材料的擊穿強度,但通過電導可以觀察到屬於擊穿前奏的擊穿先導現象,為絕緣的非破壞性實驗提供了重要數據。


固體電介質的先導電流


以固體電介質為例,如上圖所示。圖中I區為符合歐姆定律的低場強區;III為非線性的強電場區,IV為擊穿前的電導電流迅速增長區。這時不是離子電導而是出現電子電導的擊穿前的先導電流,可以說明擊穿破壞即將到來。uj為擊穿電壓,因此在電介質的溫度、厚度等一定條件下,可用u~I 特徵曲線來評價絕緣性能。



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