電介質(zhì)物理課件(2013-3)

2023/2/21第三章電介質(zhì)的電導

本章講解實際介質(zhì)在電場作用下的有限電導過程及微觀機理。

概述氣體介質(zhì)的電導液體介質(zhì)的電導固體介質(zhì)的電導2023/2/22§3-1概述一、載流子

離子從能帶理論可知，主要為弱聯(lián)系離子、本征離子

帶電的分子團-膠粒液體介質(zhì)中的水珠

電子極少，在特殊條件下出現(xiàn)二、導電機構離子電導由（晶格）結點上的離子產(chǎn)生的本征離子電導；由雜質(zhì)離子產(chǎn)生的雜質(zhì)離子電導。電泳電導帶電膠粒形成的基團產(chǎn)生的電導。電子電導一般是由光輻照產(chǎn)生的電子形成電子電導。2023/2/23AL三、電導率與遷移率的關系2023/2/24欲提高介質(zhì)的絕緣性能，可以從兩個方面著手：減小電介質(zhì)的載流子數(shù),

降低遷移率。極化和電導的區(qū)別：離子微小位移——產(chǎn)生離子從一個電極位移至另一個電極——形成電導2023/2/25介質(zhì)的電導有:體積電導:西門子/米（用s/m或者s/cm表示）表面電導:西門子與電介質(zhì)的性質(zhì)有關，與電介質(zhì)表面吸附的導電雜質(zhì)有關。2023/2/26§3-2氣體介質(zhì)的電導一、氣體介質(zhì)的電流-電壓關系（伏-安特性曲線）IIIIII氣體介質(zhì)的電流-電壓關系2023/2/27二、氣體介質(zhì)中的載流子濃度2023/2/28在電流很小時，載流子的濃度與無電場的載流子濃度相同。2023/2/29高電場區(qū)如電場很高，例如E>106V/cm，離子在電場中獲得很高的能量而產(chǎn)生新的碰撞和電離，使n隨E的增大指數(shù)增加，導致電流的指數(shù)增大。2023/2/210

氣體介質(zhì)多處于飽和電流區(qū)工作,氣體介質(zhì)飽和電流大小的估算是有實際意義的.如何估算?請同學考慮2023/2/211上次課內(nèi)容:

●電導率宏觀與微觀的關系

●提高介質(zhì)的絕緣性能的方法

●氣體介質(zhì)的電流-電壓關系

2023/2/212§3-3液體介質(zhì)的電導液體介質(zhì)結構特點：具有固定的體積，較大的密度（近似固體，是氣體介質(zhì)的1000多倍),具有較大的流動性。常見的液體電介質(zhì)：礦物油——變壓器油、電容器油；植物油——蓖麻油、桐油；有機溶劑——苯、甲苯、四氯化碳；新型液體介質(zhì)——十二烷基苯、硅油、酯類油。液體電介質(zhì)的電導率：純液體介質(zhì)具有很低的電導率=10-13～10-15（cm）-1，含有雜質(zhì)的液體介質(zhì)的電導率=10-9～10-13（cm）-1。液體電介質(zhì)的電導種類：離子電導，電泳電導2023/2/213一、液體介質(zhì)的離子電導離子的來源:本征離子：液體本身的基本分子熱離解.

雜質(zhì)離子：外來雜質(zhì)分子離解，液體本身的基本分子老化的產(chǎn)物二、離子電導率與溫度的關系2023/2/2142023/2/215本征雜質(zhì)液體介質(zhì)中雜質(zhì)離子電導與本征離子電導過程相同2023/2/216二、液體介質(zhì)的電泳電導1.載流子——膠粒來源：1）加樹脂（提高粘度、穩(wěn)定性）——懸浮離子；

2）過量的水——細小水珠。特點：1）膠粒為分子的聚集體，大小在10-6～10-10m；

2）膠粒為分散體系，作布朗熱運動；

3）膠粒為帶電體，帶電規(guī)律：膠粒的介電常數(shù)比液體大，帶正電膠粒的介電常數(shù)比液體小，帶負電2023/2/2172.華爾頓定律電場力F摩擦力f運動方向2023/2/218華爾頓定律適用范圍有限：①溫度范圍有限②不適合雜質(zhì)離子電導2023/2/2193.液體電導主要是雜質(zhì)和膠粒，這都不是液體介質(zhì)的本征特性。可以通過在液體介質(zhì)中加硅膠和活性劑的精制方法來改善液體介質(zhì)的性能。液體的本征離子電導是不能去除的,是其本身特性.符合華爾頓定律.液體介質(zhì)的電泳電導注意兩點:

電導率與介電常數(shù)的平方成正比電泳電導對液體電導率的影響高于液體的離子性電導2023/2/220§3-4固體介質(zhì)的電導固體介質(zhì)按結構可分為：晶體非晶體固體介質(zhì)的電導按導電載流子的種類可分為：離子電導在弱場中主要是離子電導電子電導某些物質(zhì)，例如鈦酸鋇，鈦酸鈣，鈦酸鍶等鈦酸鹽類，在常溫時，除離子電導外也呈現(xiàn)出電子電導的特性。固體介質(zhì)導電性質(zhì)的判斷：霍爾效應―――判斷電子電導法拉第效應―――判斷離子電導2023/2/221SNI-+PalmFBI霍耳效應2023/2/222法拉第效應：上次課內(nèi)容:●液體介質(zhì)的離子電導率與溫度的關系

●華爾頓定律●液體介質(zhì)的電泳電導特點●

固體介質(zhì)的本征離子電導來源

2023/2/225參與電導的離子為本征和雜質(zhì)離子SchottkyFrenkel一、晶體介質(zhì)的離子電導2023/2/2262023/2/2272023/2/2282023/2/229本征雜質(zhì)低溫時主要由活化能低的雜質(zhì)離子引起電導；高溫時主要由活化能高的本征離子引起電導。2023/2/230二、無定形固體介質(zhì)的電導

玻璃為典型的無定形固體介質(zhì)，它沒有固定的活化能，活化能U為平均值。激活能大，電導率低2023/2/231LiNaKR2．含堿玻璃的電導:雜質(zhì)：Na2O，K2O，Li2O（典型的弱束縛離子）形成斷鍵引入一價金屬離子的影響：1．結構松散，使U下降，電導增加。2．缺陷離子數(shù)增加

，電導增加，也與R2O的濃度成正比2023/2/232KNa40%60%中和效應：當玻璃中堿金屬氧化物的總濃度較高，而用另一種堿金屬來部分取代（總濃度保持不變），可降低玻璃的電導率和損耗，這種效應稱為“中和效應”。壓抑效應：在堿金屬氧化物玻璃中，加入二價堿土金屬氧化物（CaO、BaO等），由于二價堿土金屬可使玻璃結構比單一含一價堿金屬時的結構更緊密，并使勢壘增高，從而降低玻璃的電導率和損耗。3）降低玻璃的電導方法:2023/2/233三、固體介質(zhì)的表面電導2023/2/234絕緣電阻與體積、表面電阻的關系芯片電容器不同工藝斷面圖2023/2/236注：1測量電極2.高壓電極3.保護電極4.被測試樣三電極系統(tǒng)2023/2/237體積電流的測量表面電流的測量（M—主電極；H—對電極；G—保護電極。）體積電流和表面電流的測量2023/2/2381.表面吸附的水膜對表面電導的影響2.表面清潔度對表面電導的影響表面污染，特別是含有電解質(zhì)的污染，將會引起介質(zhì)表面導電水膜的電阻率下降，從而使表面電導率上升。3.分子結構對表面電導的影響親水介質(zhì)疏水介質(zhì)親水介質(zhì)：浸潤角<90疏水介質(zhì)：浸潤角>90強極性對水分子的吸引力強，超過水分子之間的分子內(nèi)聚力，這類介質(zhì)表面所吸附的水分子容易形成連續(xù)的水膜，使表面電導增加。非極性對水分子的吸引力小于水分子之間的內(nèi)聚力，吸附水在介質(zhì)表面成為孤立的水滴，大氣濕度對表面電導的影響很小影響表面電導的因素：2023/2/239六、固體介質(zhì)的電子電導主要為：禁帶寬度（Eg）較小的電介質(zhì)和薄膜介質(zhì)。來源：金屬電極、熱電子發(fā)射、場致冷發(fā)射和碰撞電離。運動形式：能帶模型（EnergyBandModel）；跳躍模型（HoppingModel）；自由電子氣模型（FreeElectronGasModel）2023/2/2401.能帶模型ECmaxECEVEVminEFEg2023/2/2412023/2/242

當Eg>3ev時，本征激發(fā)的電子和空穴濃度很低，故電子電導不明顯。但介質(zhì)中同樣存在類似半導體的雜質(zhì)，這些雜質(zhì)形成淺能級。2023/2/2432.跳躍模型

各分子的電子越過分子間的勢壘，形成導電。越過勢壘的方式有：高電場下的隧道效應；溫度引起的熱激發(fā)。aU2023/2/2443.自由電子氣模型

在強電場下，出現(xiàn)場致冷發(fā)射，電子通過電極注入方式引起——電荷注入型電流。ChildLaw2023/2/2451．試分析氣體介質(zhì)的載流子來源？解釋氣體介質(zhì)的j—E曲線？2．試分析液體介質(zhì)的載流子來源？并推導液體介質(zhì)中離子的平均遷移率公式。3．什么是華爾屯定律？闡述它的用途及應用范圍？4．電泳電導的定義？