电介质的电导课件

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1、电介质的电导电介质的电导一、载流子 电介质中离子电导为主。离子微小位移产生极化离子从一个电极位移至另一个电极形成电导SdSdRRVI Ej E 0,j E为电导率，即满足欧姆定理或，很小时，无宏观离子流动；,0电介质的电导载流子的种类：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。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。abc导带价带电子导电空穴导电受激激子：杂质离子与价带电子的复合（不参与导电）电介质的

2、电导物理性质半导体（Si、Ge）电介质（NaCl等）光吸收限m1.55电子空穴本征电导自由载流子浓度（m-3）T=300KT=300KT=500K2.8101810-181自由载流子迁移率（m2/sV）10-4110-8本征电导率（m）-14.5 10-50.45 10-4510-27有效质量比m*/m00.11杂质离子的非本征电导光频介电常数=n2162.5电离能（eV）5 10-32杂质浓度（m-3）101810241026电离杂质浓度（m-3）101810242 10-9105非本征电导率（m）-11.6 10510-35106V/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

3、N随E的增大指数增加，导致电流的指数增大。电介质的电导常见的液体电介质：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=10-1310-15（cm）-1，含有杂质的液体介质的电导率=10-910-13（cm）-1。电介质的电导一、液体介质的载流子离子本征离子杂质离子胶粒水（或悬浮状水珠）离子的来源：热离解产生直接离解：如H2O2H+O2-间接离解：先发生氧化组成新的物质，再离解。电介质的电导二、液体介质的离子电导电导率分别为：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

4、体看成类固体，则由热离子势垒模型，可、电导率与温度的关系、短程有序：接近固体、有流动性、液体介质的结构特征KTUKTqEvEKTUKTqnnvEKTUKTqnn0202000exp6exp6exp621)exp(6)exp(60220002200KTUKTqnqnEKTUKTqnEqnj电介质的电导）（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：如液体介质存在本征和电介质的电导三、液体介质的电泳电导1.载流子胶粒 来源：1）

5、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10-610-10m；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：12212120221011EEED ,ED电介质的电导2.电泳电导的计算胶粒的介电常数为；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：6电介质的电导3264444000020EvvrfErFrCq rrrC故：球球320nqEvnq胶粒的电导率：CONSTANTrn3820）（电介质

6、的电导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。电介质的电导本征离子的华尔顿定律）（本征离子的电导率为：）（液体的粘度：频率垒间距和分子固有振动势体分子迁移势垒高度、分别为液、式中）（液体分子的迁移率为：KTUKTqnKTU6KT UKTUKT022003002exp6exp1exp6常数qn UU 000,注：该关系式只适用于液 体的本征离子，杂质离子不能适用。电介质的电导一、固体介质的载流子离子：杂质离子和本征离子电子电介质的电导二、固体介质导电性质的判断SNI-+PalmFBIBvqF1.电子电导的判定：电介质

7、的电导+-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qmQMFQqFMm96496I II III电介质的电导三、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。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NNKTUNNnFrenkelKTUNn SchottkyDefects FrenkelDefects Schottky FFSS2expexp.1电介质的电导缺陷离子数）（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

8、子沿电场）（可由热离子模型求得缺陷离子的迁移率nKTUKTnqnqUKTUKTq022002exp6exp6电介质的电导所需克服的位垒；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.1UUTBAKTUUKTNqqnKTUNn SSSSS）（导的贡献：肖特基负离子空位对电）TBA 222exp.2电介质的电导。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电导的贡献。负空位（填隙）离子对同时，还存在弗兰克尔）（电导的贡献：弗兰克尔正空位离子

9、对）（电导的贡献：弗兰克尔正填隙离子对）UBTBAKTUATBA TBA 43expexpexp.4exp.343214433电介质的电导）（）（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-Aexp BB AATB-expA .2lnT1本征杂质低温时主要由活化能低的杂质离子引起电导；高温时主要由活化能高的本征离子引起电导。可由实验来确定活化能U=KB电介质的电导四、无定形固体介质的电导 玻璃为典型的无定形固体介质，它没有固定的活化能，活化能U为平均值。2550022000exp.13221BOBBSiOcm10 TBA17-：

10、）（）（纯玻璃：激活能大，电导率低电介质的电导C cnnn b.BU aLiNaK 0杂质离子的浓度结果：等的氧化物、在玻璃中加碱玻璃：）.2LiNaKRC651032210105.1%2.3105.06.1%2.3%01.042常数，）（常数，系玻璃；系玻璃马尔金经验公式：缪列尔C CC CnOBnSiOCONSTANTCBnARKARNaARLi33.195.065.0：电介质的电导KNa40%60%tan3）降低玻璃的电导：当玻璃中碱金属氧化物的总浓度较高，而用另一种碱金属来部分取代（总浓度保持不变），可降低玻璃的电导率和损耗，这种效应称为“中和效应”。：在碱金属氧化物玻璃中，加入二价碱

11、土金属氧化物（CaO、BaO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，并使势垒增高，从而降低玻璃的电导率和损耗。电介质的电导五、固体介质的表面电导ddSVVVVVVVVVEESIjGmVGVdSI）体积电导（）体积电导率（/11SSSSSSSSSEEIjGVGVdI）表面电导（）表面电导率（/11电介质的电导绝缘电阻与体积、表面电阻的关系 电介质的电导注：1测量电极 2.高压电极 3.保护电极 4.被测试样 电介质的电导体积电流的测量 表面电流的测量（M主电极；H对电极；G保护电极。）图、体积电流和表面电流的测量电介质的电导影响表面电导的因素：1.水对表面电导的影响2

12、.多孔结构的影响3.表面清洁度的影响4.表面粗糙的影响亲水介质：浸润角90电介质的电导六、固体介质的电子电导主要为：禁带宽度（Eg）较小的电介质和薄膜介质。来源：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（Energy Band Model）；跳跃模型（Hopping Model）；自由电子气模型（Free Electron Gas Model）电介质的电导1.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

13、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电介质的电导KTEEnFFCCFeEf KTEEKTEEEE）（，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(2KTEVCgeNNpn pn2，故：全由价带激发，即电介质中，导带电子完电介质的电导ECmaxECEVEVminEFEg施主能级ECmaxECEVEVminEFEg受主能级当Eg3ev时，本征激发的电子和空穴浓度很低，故电子电导不明显。但介质中同样存在类似半导体的杂质，这些杂质形成浅能级。电介质的电导2.跳跃模型 各分子的电子越过分子间的势垒，形成导电。越过势垒的方式有：高电场下的隧道效应；温度引起的热激发。aUKTU2eKTea 6迁移率为：热激发越过势垒的电子KTU22eKTanene6电介质的电导3.自由电子气模型 在强电场下，出现场致冷发射，电子通过电极注入方式引起电荷注入型电流。32089dUjChild Law