电介质物理课件(2013-3)

1、2021-10-151第三章第三章 电介质的电导电介质的电导 概述概述 气体介质的电导气体介质的电导 液体介质的电导液体介质的电导 固体介质的电导固体介质的电导2021-10-1523-1 3-1 概述概述一、载流子一、载流子 离子离子 从能带理论可知，主要为弱联系离子、本征离子从能带理论可知，主要为弱联系离子、本征离子 带电的分子团带电的分子团- -胶粒胶粒 液体介质中的水珠液体介质中的水珠 电子电子 极少，在特殊条件下出现极少，在特殊条件下出现二、导电机构二、导电机构 离子电导离子电导 由（晶格）结点上的离子产生的本征离子电导；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

2、质离子电导。由杂质离子产生的杂质离子电导。 电泳电导电泳电导 带电胶粒形成的基团产生的电导。带电胶粒形成的基团产生的电导。 电子电导电子电导 一般是由光辐照产生的电子形成电子电导。一般是由光辐照产生的电子形成电子电导。2021-10-153ALnqEjVsmEvvAnqvILAqnv2 nqj 为载流子的迁移率或的介质。则：，长度为取截面积为为载流子的电荷量；数；为单位体积中的载流子；载流子的迁移速度为设：Eqnjmmiiii0种载流子，如有三、电导率三、电导率 与迁移率与迁移率 的关系的关系2021-10-154欲提高介质的绝缘性能，可以从两个方面着手：欲提高介质的绝缘性能，可以从两个方面着

3、手：减小电介质的载流子数减小电介质的载流子数,(1) 降低迁移率。降低迁移率。极化和电导的区别：极化和电导的区别：离子微小位移离子微小位移产生产生离子从一个电极位移至另一离子从一个电极位移至另一个电极个电极形成电导形成电导2021-10-155介质的电导有介质的电导有: :体积电导体积电导: :西门子西门子/ /米（用米（用s/ms/m或者或者s/cms/cm表示）表示）表面电导表面电导: :西门子西门子 与电介质的性质有关，与电介质表面与电介质的性质有关，与电介质表面吸附的导电杂质有关。吸附的导电杂质有关。 2021-10-1563-2 3-2 气体介质的电导气体介质的电导一、气体介质的电流

4、一、气体介质的电流- -电压关系（伏电压关系（伏- -安特性曲线）安特性曲线）)/(2mAj)/(mVEIIIIII1E2ESj气体介质的电流气体介质的电流- -电压关系电压关系2021-10-157负离子的浓度。正离子的浓度；合的离子对数；单位体积、单位时间复离的离子数；单位体积、单位时间电设：nnZNNnnZnnnsmnnZZN即一般有：）（复合系数，对空气，平衡状态下，2312 /106.1 二、气体介质中的载流子浓度二、气体介质中的载流子浓度）是很小的。（），相对于（可得载流子浓度），（），（例：空气的31903363/11062.6/11580/106.1/153cmNcmnscms

5、cmN2021-10-158EEqNEnqjNnnNnqdj22 .1，弱电场时，在电流很小时，载流子的浓度与无电场的载流子浓度相同。在电流很小时，载流子的浓度与无电场的载流子浓度相同。电压满足欧姆定理。气体介质的电流，常数，因此在弱电场下这是一个与电场无关的）（，则：、分别为如正、负离子的迁移率Ne2021-10-159SjqNddnNdqjnqdj常数）（，电场较强时，22 .2高电场区高电场区 如电场很高，例如如电场很高，例如E10E106 6V/cmV/cm，离子在电场中获，离子在电场中获得很高的能量而产生新的碰撞和电离，使得很高的能量而产生新的碰撞和电离，使n n随随E E的增大指数

6、增加，导致电流的指数增大的增大指数增加，导致电流的指数增大。2021-10-1510 气体介质多处于饱和电流区工作气体介质多处于饱和电流区工作, ,气气体介质饱和电流大小的估算是有实际意体介质饱和电流大小的估算是有实际意义的义的. .如何估算如何估算? ?请同学考虑请同学考虑2021-10-1511上次课内容上次课内容: : 电导率宏观与微观电导率宏观与微观的关系的关系 提高介质的绝缘性能的方法提高介质的绝缘性能的方法 气体介质的电流气体介质的电流- -电压关系电压关系 2021-10-15123-3 3-3 液体介质的电导液体介质的电导液体介质结构特点：液体介质结构特点： 具有固定的体积，较

7、大的密度（近似固体，是气体介质的具有固定的体积，较大的密度（近似固体，是气体介质的10001000多倍多倍),),具有较大的流动性。具有较大的流动性。常见的液体电介质：常见的液体电介质： 矿物油矿物油变压器油、变压器油、电容器油；电容器油； 植物油植物油蓖麻油、桐油；蓖麻油、桐油； 有机溶剂有机溶剂苯、甲苯、苯、甲苯、四氯化碳；四氯化碳； 新型液体介质新型液体介质十二烷基苯、十二烷基苯、硅油、硅油、酯类油。酯类油。液体电介质的电导率：液体电介质的电导率： 纯液体介质具有很低的电导率纯液体介质具有很低的电导率 =10=10-13-131010-15-15（cmcm）-1-1， 含有杂质的液体介质

8、的电导率含有杂质的液体介质的电导率 =10=10-9-91010-13-13（cmcm）-1-1。液体电介质的电导种类：液体电介质的电导种类：离子电导，电泳电导离子电导，电泳电导2021-10-1513一、液体介质的离子电导一、液体介质的离子电导离子的来源离子的来源: : 本征离子：本征离子：液体本身的基本分子热离解液体本身的基本分子热离解. . 杂质离子：杂质离子：外来杂质分子离解，外来杂质分子离解， 液体本身的基本分子老化的产物液体本身的基本分子老化的产物二、离子电导率与温度的关系二、离子电导率与温度的关系000u)u +)unnee)neee)uuKTKTuuKTKTKT（ （00（6（

9、6KTqEu22021-10-1514电导率分别为：故离子电导电流密度和）（离子的迁移率为：）（为：离子宏观平均漂移速度）（：将液体看成类固体，则由热离子势垒模型，可KTUKTqEEKTUKTqnnEKTUKTqnn0202000exp6vexp6vexp6)exp(6)exp(60220002200KTUKTqnqnEKTUKTqnEqnj2021-10-1515）（项变化显著温度变化的指数项远比）（：电导率关系式可简化为TBA TaTBTaexpexplnT1本征杂质TBATBATBATBATBA2211212211lnlnlnlnlnexpexplnln）（）（杂质离子，则：如液体介质存

10、在本征和液体介质中杂质离子电导与本征离子电导过程相同液体介质中杂质离子电导与本征离子电导过程相同2021-10-1516二、液体介质的电泳电导二、液体介质的电泳电导1.1.载流子载流子胶粒胶粒 来源：来源：1 1）加树脂（提高粘度、稳定性）加树脂（提高粘度、稳定性）悬浮离子；悬浮离子； 2 2）过量的水）过量的水细小水珠。细小水珠。特点：特点：1 1）胶粒为分子的聚集体，大小在）胶粒为分子的聚集体，大小在1010-6-61010-10-10m m； 2 2）胶粒为分散体系，作布朗热运动；）胶粒为分散体系，作布朗热运动； 3 3）胶粒为带电体，带电规律：）胶粒为带电体，带电规律：12212120

11、221011EEED ,ED2021-10-15172.2.华尔顿定律华尔顿定律胶粒的介电常数为；为胶粒与液体间的电位差；胶粒所带电荷为；胶粒为球状，半径为设：Vqr07.005.0电场力F摩擦力f运动方向fFvvrfEqF平衡时：胶粒的迁移速度液体的粘度，式中摩擦力：电场力：62021-10-151832644q 40000EvvrfErFrCrC故：球球320nqEvnq胶粒的电导率：CONSTANTrn3820）（适用范围有限：温度范围有限适用范围有限：温度范围有限 不适合杂质离子电导不适合杂质离子电导2021-10-15193. 3. 液体电导主要是液体电导主要是杂质和胶粒杂质和胶粒，

12、这都不是液体介质的本征，这都不是液体介质的本征特性。可以通过在液体介质中特性。可以通过在液体介质中加硅胶和活性剂的精制加硅胶和活性剂的精制方法方法来改善液体介质的性能。来改善液体介质的性能。液体的本征离子电导是不能去除的液体的本征离子电导是不能去除的, ,是其本身特性是其本身特性. .符合华符合华尔顿定律尔顿定律. .液体介质的电泳电导注意两点液体介质的电泳电导注意两点: 电导率与介电常数的平方成正比电导率与介电常数的平方成正比 电泳电导对电泳电导对液体电导率的影响高于液体的离子性电导液体电导率的影响高于液体的离子性电导2021-10-15203-4 3-4 固体介质的电导固体介质的电导固体介

13、质按结构可分为：固体介质按结构可分为： 晶体晶体 非晶体非晶体固体介质的电导按导电载流子的种类可分为：固体介质的电导按导电载流子的种类可分为： 离子电导离子电导 在弱场中主要是离子电导在弱场中主要是离子电导 电子电导电子电导 某些物质，例如某些物质，例如钛酸钡，钛酸钙，钛酸钡，钛酸钙， 钛酸锶钛酸锶等钛酸盐类，在常温时，除离子电导外也呈等钛酸盐类，在常温时，除离子电导外也呈现出现出电子电导电子电导的特性。的特性。固体介质导电性质的判断：固体介质导电性质的判断： 霍尔效应霍尔效应 判断电子电导判断电子电导 法拉第效应法拉第效应判断离子电导判断离子电导2021-10-1521SNI-+PalmFB

14、IBvqF2021-10-1522离子的电荷物质所需的总电量；析出离子的原子量；法拉第常数qmQMFQqFMm96496上次课内容上次课内容: : 液体介质的离子电导率与温度的关系液体介质的离子电导率与温度的关系 液体介质的电泳电导特点液体介质的电泳电导特点 固体介质的本征离子电导来源固体介质的本征离子电导来源 CONSTANTrn3820）（2021-10-1525参与电导的离子为参与电导的离子为本征和杂质离子本征和杂质离子SchottkyFrenkel。晶体点阵间隙位置浓度；晶体点阵上的离子浓度）（：）（：离子数。和离子，如的缺陷电导离子主要为晶体内子电导，完整的晶体不会产生离本征离子电导

15、NNKTUNNnFrenkelKTUNn SchottkyDefects FrenkelDefects Schottky FFSS2expexp.1一、晶体介质的离子电导一、晶体介质的离子电导2021-10-1526缺陷离子数）（电导率为：缺陷离子所形成的离子所需克服的位垒高度。方向迁移时产生的缺陷离子沿电场）（可由热离子模型求得缺陷离子的迁移率nKTUKTnqnqUKTUKTq022002exp6exp62021-10-1527所需克服的位垒；正离子沿电场方向迁移空位所需的能量；产生一个肖特基正离子）（）（）（导的贡献：肖特基正离子空位对电）011101221111expexp6exp.1U

16、UTBAKTUUKTNqqnKTUNn SSSSS）（导的贡献：肖特基负离子空位对电）TBA222exp .22021-10-1528。平均激活能（活化能）晶体中本征离子电导的平均温度指数；晶体中本征离子电导的）（）（：本征离子的总电导率为献。负离子空位对电导的贡负填隙同时，还存在弗兰克尔）（电导的贡献：弗兰克尔正空位离子对）（电导的贡献：弗兰克尔正填隙离子对）UBTBAKTUATBATBAexpexp,exp .4exp .343214443332021-10-1529）（）（为：晶体中总的离子电导率此：较本征离子低的多，因由于杂质离子的激活能）（杂质离子的电导：总TB-expATB-Aex

17、p BB TB-expA .2AAlnT1本征杂质低温时主要由活化能低的杂质离低温时主要由活化能低的杂质离子引起电导；子引起电导；高温时主要由活化能高的本征离高温时主要由活化能高的本征离子引起电导。子引起电导。2021-10-1530二、无定形固体介质的电导二、无定形固体介质的电导 玻璃为典型的无定形固体介质，它没有固定的活玻璃为典型的无定形固体介质，它没有固定的活化能，活化能化能，活化能U U为平均值。为平均值。2550022000exp. 13221BOBBSiOcm10 TBA17-：）（）（纯玻璃：激活能大，电导率低激活能大，电导率低2021-10-1531LiNaKRC2 2含碱玻璃

18、的电导含碱玻璃的电导: :杂质：杂质：Na2ONa2O，K2OK2O，Li2OLi2O（典型的弱（典型的弱束缚离子）形成断键束缚离子）形成断键引入一价金属离子的影响：引入一价金属离子的影响：1 1结构松散，使结构松散，使U U下降，电导增加。下降，电导增加。2 2缺陷离子数增加缺陷离子数增加 ，电导增加，电导增加，也与也与R2OR2O的浓度成正比的浓度成正比2021-10-1532KNa40%60%tan：当玻璃中碱金当玻璃中碱金属氧化物的总浓度较高，属氧化物的总浓度较高，而用另一种碱金属来部分而用另一种碱金属来部分取代（总浓度保持不变），取代（总浓度保持不变），可降低玻璃的电导率和损可降低玻

19、璃的电导率和损耗，这种效应称为耗，这种效应称为“中和中和效应效应”。：在碱金属氧化物玻璃中，加入二价碱土金在碱金属氧化物玻璃中，加入二价碱土金属氧化物（属氧化物（CaOCaO、BaOBaO等），由于二价碱土金属可使玻等），由于二价碱土金属可使玻璃结构比单一含一价碱金属时的结构更紧密，并使势璃结构比单一含一价碱金属时的结构更紧密，并使势垒增高，从而降低玻璃的电导率和损耗。垒增高，从而降低玻璃的电导率和损耗。3 3）降低玻璃的电导方法）降低玻璃的电导方法: :2021-10-1533三、固体介质的表面电导三、固体介质的表面电导ddSVVVVVVVVVEESIjGmVGVdSI）体积电导（）体积电导

20、率（/11SSSSSSSSSEEIjGVGVdI）表面电导（）表面电导率（/112021-10-1534绝缘电阻与体积、表面电阻的关系绝缘电阻与体积、表面电阻的关系 芯片电容器不同工艺断面图芯片电容器不同工艺断面图2021-10-1536注：注：1 1测量电极测量电极 2.2.高压电极高压电极 3.3.保护电极保护电极 4.4.被测试样被测试样 2021-10-1537体积电流的测量体积电流的测量 表面电流的测量表面电流的测量 （M M主电极；主电极； H H对电极；对电极； G G保护电极。）保护电极。）体积电流和表面电流的测量体积电流和表面电流的测量2021-10-15381.1.表面吸附

21、的水膜对表面电导的影响表面吸附的水膜对表面电导的影响 2.2.表面清洁度对表面电导的影响表面清洁度对表面电导的影响 表面污染，特别是含有电解质的污染，将会引起介质表表面污染，特别是含有电解质的污染，将会引起介质表面导电水膜的电阻率下降，从而使表面电导率上升。面导电水膜的电阻率下降，从而使表面电导率上升。3.3.分子结构对表面电导的影响分子结构对表面电导的影响 亲水介质亲水介质 疏水介质疏水介质亲水介质：浸润角亲水介质：浸润角 90 9090mv510强极性 对水分子的吸引力强，超过水分子之间的分子内聚力，这类介质表面所吸附的水分子容易形成连续的水膜，使表面电导增加。非极性 对水分子的吸引力小于

22、水分子之间的内聚力，吸附水在介质表面成为孤立的水滴，大气湿度对表面电导的影响很小影响表面电导的因素：影响表面电导的因素：2021-10-1539六、固体介质的电子电导六、固体介质的电子电导主要为：主要为： 禁带宽度（禁带宽度（EgEg）较小的电介质和薄膜介质。）较小的电介质和薄膜介质。来源：来源： 金属电极、热电子发射、场致冷发射和碰撞电离。金属电极、热电子发射、场致冷发射和碰撞电离。运动形式：能带模型（运动形式：能带模型（Energy Band ModelEnergy Band Model）；）； 跳跃模型（跳跃模型（Hopping ModelHopping Model）；）； 自由电子气模

23、型（自由电子气模型（Free Electron Gas ModelFree Electron Gas Model）2021-10-15401. 1. 能带模型能带模型ECmaxECEVEVminEFEg。能级上电子的占有几率导带的能级状态密度；晶体的体积；）（。，价带上的空穴浓度为为浓度设晶体中导带上的电子)()()(1maxEfEDVdEEDEfVnpnnEEnCC为普朗克常数。为电子有效质量，为：导带底附近的状态密度hmEEhmVEDece*21323*)()2(4)(KTEEnFeEfE11）（占据的几率为：的量子态被一个电子能量为2021-10-1541KTEEnFFCCFeEf KT

24、EEKTEEEE）（，故：，即，而对电介质量应满足导带中电子所具有的能导带有效状态密度CeCKTEECNhKTmNeNnFC323*)2(2价带有效状态密度ppVKTEEVNhKTmNeNpVF323*)2(2KTEgepn2VCNNpn ，故：全由价带激发，即电介质中，导带电子完2021-10-1542 当当E Eg g3ev3ev时，本征激发的电子和空穴浓度很低，时，本征激发的电子和空穴浓度很低，故电子电导不明显。故电子电导不明显。 但介质中同样存在类似半导体的杂质，这些杂质但介质中同样存在类似半导体的杂质，这些杂质形成浅能级。形成浅能级。KTEgepn2VCNNpn ，故：全由价带激发，即电介质中，导带电子完2021-