3. Литература

1. Электрорадиоматериалы /под ред. Б. М. Тарева/. – М.: Высшая школа,

1978.

Справочные данные к лабораторной работе

МЕДЬ

l = 5 м (длина) d = 0.13 мм (диаметр)

ВОЛЬФРАМ

l = 5 м d = 0.072 мм

НИХРОМ

l = 5 м d = 0.2 мм

2) ρ _t = ρ₀ ·(1 + ТКρ ·ΔT) ΔT = T – T₀

ρ _t – удельное сопротивление проводника

(мкОм·м) при нагреве до температуры

T (градус)

ρ₀ – удельное сопротивление проводника

(мкОм·м) при комнатной температуре

T₀ (градус)

ТКρ – температурный коэффициент удельного

сопротивления

T₀ – комнатная температура (градус)

T – текущая температура (градус)

Контрольные вопросы к лабораторной работе

1. Объясните характер электропроводности проводниковых материалов.

2. Опишите основные параметры проводниковых материалов. Приведите

числовые значения параметров для основных проводниковых материалов.

3. Приведите и объясните зависимость удельного сопротивления проводни-

Ков от температуры. Дайте определение температурного коэффициента

удельного сопротивления.

4. Объясните увеличение удельного сопротивления при сплавлении двух ме-

таллов. Приведите примеры.

5. Опишите свойства меди и приведите примеры её марок.

6. «Водородная болезнь» меди.

7. Опишите свойства вольфрама и молибдена, их особенности и область при-

менения.

8. Опишите важнейшие металлы высокой проводимости.

9. Охарактеризуйте наиболее широко применяемые сплавы высокого сопро-

тивления.

СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ

ГОРНО-МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

Кафедра электронные приборы

Лабораторная работа № 4

Определение удельных электрических сопротивлений

твёрдых диэлектриков

ВЛАДИКАВКАЗ

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Практическое ознакомление с характеристиками исследуемых диэлектрических материалов и методикой их измерения.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ

По сравнению с электропроводностью проводников и полупроводников электропроводность диэлектриков имеет ряд характерных особенностей.

Во-первых, технические диэлектрики всегда имеют некоторое количест-во свободных зарядов, благодаря чему в диэлектрике под действием электри-ческого поля возникают слабые токи I_V и поверхностной I_S утечки (рис.1). Величина этих токов зависит от удельного объёмного и удельного поверх-ностного электрических сопротивлений диэлектрика:

Общее сопротивление изоляции определяют как результирующее двух парал-лельно включённых сопротивлений

Второй характерной особенностью электропроводности диэлектриков является постепенное спадение тока со временем (рис.2) после подключения постоянного напряжения (замыкания контакта на рис.1).

Рис.1. Пути токов объёмной и поверхностной

утечки:

1. диэлектрик

2. электроды (обкладки) конденсатора

Рис.2. Изменение тока в диэлектрике после

подключения постоянного напряжения

В начальный промежуток времени в цепи протекает быстро спадающий ток смещения I_см , плотность которого

Этот ток прекращается за время порядка постоянной времени схемы ис-точник-образец, которое очень мало. Однако ток продолжает изменяться и после этого, часто в течение длительного времени (минут, часов). Медленно изменяющуюся составляющую тока, обусловленную перераспределением свободных зарядов в объёме диэлектрика, называют током абсорбции (I_абс).

Ток абсорбции связан с поглощением носителей заряда объёмом ди-электрика: часть носителей встречает на своём пути ловушки захвата – де-фекты решётки, захватывающие и удерживающие носители. Со временем, когда все ловушки заполняются носителями, ток абсорбции прекращается и остаётся только не изменяющийся со временем сквозной ток I_скв , который обусловлен прохождением носителей заряда от одного электрода до другого и равен сумме объёмного и поверхностного токов:

Ток абсорбции приводит к накоплению носителей заряда в определён-ных местах диэлектрика – дефектах решётки, границах раздела, неоднород-ностях. Вследствие появления объёмных зарядов распределение напряжён-ности поля в диэлектрике становится неоднородным. Накопление в диэлект-рике объёмных зарядов приводит и к такому нежелательному явлению, как неполный разряд конденсатора при коротком замыкании его обкладок.

При измерении удельного сопротивления ток абсорбции необходимо исключить, выдерживая образец под напряжением в течение некоторого вре-мени.

Электропроводность твёрдых диэлектриков чаще всего носит не элект-ронный, а ионный характер. Это связано с тем, что ширина запрещённой зо-ны в диэлектриках W >> k·T и лишь ничтожное количество электронов мо-жет отрываться от своих атомов за счёт теплового движения. Ионы же часто оказываются слабо связанными в узлах решётки, и энергия W, необходимая для их срыва, сравнима с k·T. Например, в кристалле NaCl ширина запрещён-ной зоны W = 6 эВ, а энергия отрыва иона (энергия активации) натрия W_a = 0.85 эВ. Поэтому, несмотря на меньшую подвижность ионов (μ_ион) по сравне-нию с подвижностью электронов (μ_эл) ионная проводимость оказывается больше электронной за счёт значительно большей концентрации свободных ионов:

Удельная электрическая проводимость твёрдых диэлектриков с ростом температуры по экспоненциальному закону

При этом зависимость (T) часто обусловлена не экспоненциальным ростом концентрации носителей, а ростом подвижности

Обычно в диэлектрике имеется несколько видов носителей заряда. На-пример, кроме ионов основного вещества могут иметься слабо связанные ио-ны примесей. В этом случае удельная проводимость складывается из собст-венной с энергией активации W_а и примесной с энергией активации W_пр:

В широком диапазоне температур зависимость логарифма удельной проводимости от обратной величины абсолютной температуры должна со-стоять из двух прямолинейных участков с различными значениями угла на-клона и оси абсцисс (рис.3).

Рис.3. Зависимость удельной диэлектрической

проводимости диэлектрика от температуры

При температуре выше точки излома А электропроводность определяет-ся в основном собственными дефектами – эта область высокотемпературной, или собственной электропроводности. Ниже излома, в области низкотемпера-турной, или примесной электропроводности, зависимость более пологая. Температура, при которой наблюдается излом зависимости ln(1/T), сильно за-висит от степени чистоты и совершенства кристалла. При увеличении содер-жания примесей и дефектов примесная удельная проводимость растёт и ока-зывается при более высоких температурах. По наклонам участков прямых (рис.3) зависимостей ln(1/T) можно определить энергию активации носителей заряда и их природу. Собственная электропроводность твёрдых тел и измене-ние её от температуры определяются структурой вещества и его составом.

В телах кристаллического строения с ионной решёткой электропровод-ность связана с валентностью ионов. Кристаллы с одновалентными ионами обладают большей удельной проводимостью, чем кристаллы с многовалент-ными ионами.

В анизотропных кристаллах удельная проводимость неодинакова по разным его осям. Например в кварце удельная проводимость в направлении, параллельном главной оси, примерно в 1000 раз больше, чем в направлении, перпендикулярном этой оси. В кристаллических телах с молекулярной ре-шёткой (сера, полиэтилен) удельная проводимость мала и определяется толь-ко примесями.

Величина удельной проводимости аморфных тел связана прежде всего с их составом.

Высокомолекулярные органические полимеры обладают удельной про-водимостью, зависящей в значительной степени от ряда факторов: от хими-ческого состава и наличия примесей; от степени полимеризации (для фено-ло-формальдегидной смолы), от степени вулканизации (для резины). Органи-ческие неполярные аморфные диэлектрики, как например, полистирол, отли-чаются очень малой удельной проводимостью.

У твёрдых диэлектриков при наличии в них влаги даже в ничтожных количествах удельная проводимость значительно увеличивается.

Для сравнительной оценки объёмной и поверхностной электропровод-ности разных материалов используют также удельное объёмное сопротивле-ние ρ_V и удельное поверхностное сопротивление ρ_S.

Для определения удельного объёмного электрического сопротивления применяют образец диэлектрика с тремя металлическими электродами 1, 2 и 3 (рис.4). Удельное объёмное сопротивление диэлектрика определяется по формуле

где R_V – объёмное электрическое сопротивление образца, Ом,

S – площадь верхнего электрода, м²

S = π·d²/4

h – толщина образца диэлектрика, м

Рис.4. Электроды (№1,2,3) и образец (5)

для измерения удельного объёмного

и поверхностного сопротивлений

Для определения удельного поверхностного электрического сопротив-ления также применяют образец диэлектрика с тремя электродами (рис.4). Удельное поверхностное электрическое сопротивление находят по формуле:

где R_S – поверхностное электрическое сопротивление поверхности образца,

заключённой между электродами 1 и 3, Ом

d₁ = 25 мм – диаметр электрода 1

d₂ = 30 мм – внутренний диаметр кольцевого электрода 3