1

1. Fenomenuldeconduciendielectrici

Proprietatea corpurilor de a manifesta existena materiei prin transportul de sarcini

electrice, sub aciunea unui gradient de potenial, se constituie ca fenomen de conductibilitate electric. Conductibilitatea electric, fiind proprietatea a corpurilor, o numim conducie electric n momentul n care se manifest. Msura conductibilitii electrice o constituie conductivitatea electric -[Sm1],(sigma) iar unitatea de masura siemens pe metru care, n condiiile date, reprezint o constant de material.

Mecanisme de conducie electric

Procesele de conducie n dielectrici difer dup tipul purttorilor de sarcin care particip la conducie. Se disting mai multe tipuri de conducie:

conducie ionic sau electrolitic; conducie molionic sau electroforetic; conducie electronic. Conducia ionic este condiionat de deplasarea ordonat, sub aciunea cmpului

electric, a ionilor pozitivi i negativi provenii de la materialul de baz sau de la impuritile interstiiale. Tot conducie de tip ionic este considerat i micarea ordonat a ionilor pe defecte de tip vacane, care are ca efect migrarea vacanelor.

Conducia molionic este produs prin micarea ionilor moleculari (molioni) sau grupri de molecule ionizate. Acest tip de conducie, ntlnit n special n dielectricii amorfi i lichizi, are rol important n sistemele coloidale la contactul dielectric solid dielectric lichid etc.

Conducia electronic este condiionat de micarea electronilor liberi sub aciunea cmpului electric aplicat. Electronii liberi apar n dielectric prin injecie din electrozi, prin efect fotoelectric, prin salt ntre ionii aceluiai element de valen diferite, etc.

Materialele electroizolante prezint n general o conducie electric combinat, conductivitatea lor fiind dependent de factorii intrinseci (natura dielectricului, starea de agregare, structur, defecte, etc.) i de factori extrinseci (cmp electric, temperatur, umiditate, radiaii, etc.).

Conductivitatea electric total este dat de suma dintre conductivitatea ionic ion i conductivitatea electronic e:

eiontot += , Conductivitatea electric a materialelor electroizolante este dependent de intensitatea

cmpului electric. n figura 1 este reprezentat dependena tot = f(E) pentru cazul unui materiale electroizolant care are conductivitate ionic i electronic.

n cazul cmpurilor electrice de intensitate mic i medie ion i e depind puin de intensitatea cmpului electric aplicat, astfel c tot nu depinde de cmp. Domeniul n care tot = const. este domeniul Ohm, de comportament liniar al dielectricului, n care este valabil legea lui Ohm.

2

n cazul cmpurilor intense procesele de conducie ionic se intensific i conductivitatea ionic crete, ca i conductivitatea electronic. Este domeniul Pool.

Fig.1

n apropiere i peste valoarea de 108 V/m toate materialele dielectrice prezint fenomenul de cretere pronunat a conductivitii electronice. Are loc strpungerea dielectricilor. Valoarea intensitii cmpului electric Estr pentru care apare strpungerea electric se numete rigiditate dielectric.

Conductivitatea electric n cazul general al unui material electroizolant, care conine mai multe specii de purttori de sarcin este de forma:

...qnqntot ++= 222111 , n materialele electroizolante cristaline contribuia esenial la conducia electric o au

ionii de impuritate. Astfel, la un cristal ionic, la temperaturi joase este posibil s predomine conducia

datorit impuritilor de tip ioni interstiiali. La temperaturi nalte poate aprea o contribuie semnificativ de curent prin generarea de vacane (conducie intrinsec, asemntoare cu cea a materialelor semiconductoare). Dependena de temperatur a conductivitii electrice este tipic (Fig. 2).

Domeniul I se afl n zona temperaturilor sczute, unde fenomenul de conducie este asigurat de anumite specii de ioni interstiiali.

Domeniul II corespunde temperaturilor mai nalte, n care procesele de conducie electric pot fi determinate prin creterea concentraiei de vacane etc.

Cu creterea temperaturii conductivitatea electrice scade. Se nrutesc condiiile de izolare electric.

Schimbarea pantei caracteristicii lnion = f(1/T) indic schimbarea mecanismului de conducie.

3

Fig. 2. Dependena general de temperatur a conductivitii electrice la cristale electroizolante. Fenomenul de conducie depinde de starea de agregare a materialelor, manifestndu-se diferit n cazul gazelor, solidelor i lichidelor.

1.1. Fenomenul de conducie n gaze

Gazele i chiar vaporii metalici sunt izolani deoarece moleculele i atomii fiind neutre, nu constituie purttori de sarcin mobili. Gazele devin materiale conductoare daca reuim s cream suficieni de muli purtatori de sarcina mobili, pentru ca, curentul pe care-l realizam s poata fi detectat cu instrumentele de msur. In gaze purtatorii mobili de sarcina pot fi electrinii si ionii. Ionii sunt molecule sau atomi care au un electron n plus - ionii negativi sau un electron in minus - ioni pozitivi. Ionii se produc n aer 20% datorita razelor cosmice i 80% datorita radiaiilor substantelor radioactive din scoarta Pamntului. n aer la presiune i temperatura normala, intr-un centimetru cub exista circa 1000 de ioni fata de cele 3.1019 molecule. Numarul acesta se mentine constant deoarece pe secund si centimetru cub se produc cate 10 ioni care dispar datorita agitatiei termice prin recombinare cu ionii de sarcina i semn contrar. Importanta ionizarii pentru conductivitatea gazelor poate fi pus n eviden simplu, experimental, considernd un dispozitiv format din doi electrozi plani paraleli de suprafa S situai la distanta l i introdui ntr-un tub n care se gsete un gaz la presiune joas. Prin gaz se stabilete un curent electric sesizat de un microampermetru dac la electrozi se aplic o tensiune orict de mic.

I

U O

A B

C

Ucr U0

Fig. 4

l

U

Fig. 3

4

Din graficul din fig. 4 se constat faptul c curba de variaie I=f(U) prezint trei poriuni

distincte. Pe poriunea OA se constat faptul c curentul variaz liniar cu tensiunea, adic are loc o

variaie dup legea lui Ohm, variaie nregistrat n cazul unor cmpuri electrice cu intensiti mici. Pe segmentul AB corespunztor creterii intenistii cmpului electric, curentul nu este influenat de creterea cmpului electric. Pe poriunea BC corespunztoare strapungerii are loc o cretere accentuat a curentului electric, n prezenta unor cmpuri electrice foarte puternice.

Variaia pe OA se obine pe cmpuri electrice slabe, deoarece ntr-un cmp electric are loc ionizarea moleculelor de gaz exprimat analitic prin:

n= n1+ n2 unde:

n- nr. Numrul total de particule ionizate n unitatea de volum n1 numarul de particule care se recombin n2 nr de particule care particip la fenomenul de conducie prin migrarea ctre electroni Pe poriunea de caracteristic OA n1>> n2. De unde se constat c datorit numrului

foarte sczut de particule ce particip la fenomenul de conducie orice cretere a intensitii cmpului electric ( a tensiuni U) n limitele 0... U0 conduce la o cretere a numrului de particule care se recombin. Drept urmare, ntre curentul I i cmpul electrice E se stabilete relaia: I=ct E, fapt care esplic variaia liniar a intensitii curentului fa de tensiune. Pe poriunea de grafic AB unde n2>> n1 practic toate particulele sunt ionizare i migreaz ctre electroni contribuind astfel la stabilizarea fenomenului de conducie .

In punctul B creia i corespunde tensiunea Ucr intervine fenomenul de strpungere, posibil de obinuit n cmpuri electrice foarte puternice. Purttorii de sarcin, ionii, sunt accelerai puternic astfel inct prin ciocnirea unor molecule de gaze se creaz ionizari prin ciocnire, la acest efect adugndu-se i efectul electronilor smuli din metalul electrozilor sub ciocnirea creat de ioni, care ceaz la rndul lor ciocniri, deci ionizri suplimentare. Se ajunge astfel la un fenomen n avalan ceea ce conduce la strpungerea gazului dintre electrozi.

1.2 Conducia electric n lichide electroizolante

Conducia electric n lichide este realizat, n principal, prin convecia ionilor pozitivi

i/sau negativi care provin de la descrierea moleculelor proprii (pentru lichide cu legturi ionice) sau a impuritilor solubile.

Spre deosebire de solide, la care atomii oscileaz doar n jurul unor poziii de echilibru, moleculele i ionii unui lichid efectueaz, pe parcursul unei durate de relaxare , un numr de oscilaii n jurul unui punct fix, cu o frecven de ordinul f = 1012 1013 Hz, dup care i schimb vecinii. Astfel, conductivitatea electric la lichide i chiar i materiale vsco-elastice (rini, compounduri etc.) este puternic dependent de viscozitate.

5

Fenomenul de viscozitate sau de frecare intern se caracterizeaz prin coeficientul dinamic de viscozitate i/sau prin coeficientul cinematic de viscozitate .

Coeficientul dinamic de viscozitate este definit n funcie de fora F de rezistena dintre dou straturi de fluid de arie S unitar, situate la o distan d unitar i care se deplaseaz cu viteza unitar. Din relaia:

dv

SF = ,

rezult unitatea de msur pentru [ ]Si = Pa s. n sistemul CGS se msoar n cP (centipoise), relaia de conversie fiind 1 Pa s = 103 cP.

Coeficientul cinematic de viscozitate este determinat de raportul dintre coeficientul dinamic i densitatea fluidului dm:

md= ,

Unitatea de msur n SI este []Si = m2/s. n sistemul CGS unitatea de msur este []CGS = 1 St (Stokes), relaia de conversie fiind 1 m2/s = 104 St.

n practica inginereasc de multe ori viscozitatea uleiurilor i lacurilor se determin cu viscozimetrul Engler, msurat n uniti convenionale.

Viscozitatea scade sensibil cu temperatura, dependena coeficientului dinamic de temperatura T fiind exponenial:

=TkWT exp)A( ,

unde A(T) este factorul preexponenial uor dependent de temperatur, W este energia de activare a curgerii vscoase.

Legea lui Stokes furnizeaz o relaie pentru viteza unei particule sferice care se deplaseaz uniform n procesul de curgere viscoas:

6 rFv = ,

unde r este raza particulei iar este coeficientul dinamic al frecrii. Cu aceste relaii se poate stabili expresia conductivitii electrice ntr-un fluid n care

conducia electric este de tip ionic. La aplicarea unui cmp electric de intensitate E fora F care acioneaz asupra ionului sau molionului este:

EqF i = , unde qi este sarcina ionului.

Rezult pentru densitatea de curent J expresia:

6

== rEqqWqnJ iiiii 6

,

de unde conductivitatea ionic este:

= rqn ii

ion 6

2

,

rezult:

=

TkW

TrqTnT iiion exp)A(6

)()(2

,

Relaia de mai sus, pentru cazul cnd concentraia de purttori de sarcin se modific, conduce la legea Pisarevski-Valden:

= const., Cu creterea temperaturii viscozitatea scade i, ca urmare, conductivitatea electric crete. Pentru dielectrici lichizi, procentul conduciei electrice nc nu este elucidat sub aspectul

comportrii purttorilor de sarcin. O parte din purttorii de sarcin apar datorit ionizatorilor externi. Datorit ns faptului c energia de disociere a moleculelor lichidului este mai mic dect energia de ionizare a gazului, n lichide apar mai muli purttori de sarcin dect n gaz, sub aciunea aceluiai ionizator. Pe de alt parte, n lichidele polare, cmpul electric al dipolilor nlesnete procesul de disociere. De asemenea n lichid i energia de ionizare este mai mic dect n gaze. Ca urmare, sub aciunea ionizatorilor externi, n lichide apar aproximativ 200 [perechi de ioni/cm3s].

La cmpuri mici i mijlocii conductibilitatea este de natur ionic. Din aceast cauz n electrotehnic se folosec dielectricii lichizi nepolari sau foarte slabipolari. n lichide, cea mai mare probabilitate de disociere o prezint impuritile, sau particulele coloidale ale acestora , care mresc astfel foarte mult conductivitatea. Sub aciunea cmpului electric, impuritile disociaz i se ionizeaz i mai uor. Mobilitatea purttorilor de sarcin, la temperatura camerei este de numai 101 104 [cm2/Vs]. Din cauza drumului mediu liber parcurs, foarte scurt, seciunea ionizat a electronilor este neglijabil, la cmpuri mici. Electronii se asociaz moleculelor formnd ioni negativi, cu mai mare probabilitate chiar dect apariia electronilor liberi.

La cmpuri electrice intense intervine n mod predominant micarea electronilor i aciunea lor ionizat n raport cu cea a ionilor.

Conducia se studiaz n absena cmpului electric exterior cnd are loc numai difuzia (micorarea dezordonat) a ionilor, respectiv sub aciunea cmpului electric exterior cnd are loc i o micare ordonat dup direcia acestui cmp.

n absena cmpului electric difuzia ionilor n lichid e afl n echilibru dinamic, nct nu rezult un transport de sarcin dup o direcie preferenial, deci curentul electric este nul.

7

Cauzele difuziei sunt att de natur termic ct i electric.Rezult c dielectricii lichizi i mresc conductivitatea cu creterea temperaturii.

La cmp electric exterior nenul, energia de activare a moleculei (U) (necesar pentru a trece dintr-o poziie n alta vecin) este micorat corepunztor energiei poteniale a cmpului (ceea ce se va arta n cazul dielectricilor solizi).

Datorit contribuiei eseniale a impuritilor i moleculelor polare la creterea conductivitii, se impune pstrarea n exploatare a dielectricilor lichizi (uleiurilor) n cea mai bun stare de puritate.

Fig. 5

Rezistivitatea de volum a dielectricilor lichizi se determin cu puni de msur a

rezistenelor, folosindu-se fie un sistem de electrozi cilindrici concentrici, care cuprind ntre pereii lor un strat de lichid cu grosimea de 1 [cm], generatoarea cilindruluifiind de 100 [mm], fie un sistem de sond cilindric de sticl, deschis la baza inferioar, n interiorul creia se afl doi electrozi metalici de form ptrat cu latura de 1 [cm], aezai paralel la distana de 1 [cm].

1.3 Conducia electroizolanilor solizi

Conductibilitatea dielectricilor solizi depinde de structura lor. Dielectricii solizi cu structur amorf au conductibilitate de natur ionic i cum pot fi considerai ca nite lichide suprarcite, rezult c expresia conductivitii este aceeai ca i n cazul lichidelor cu observaia c difer frecvena de oscilaie termic i timpul de relaxare , fa de cazul lichidelor. De exemplu dac la lichide = 10111012 [s], la solidele amorfe este de ordinul zecilor sau sutelor de ani.

n cazul dielectricilor solizi cu structur cristalin, conductibilitatea este de natur ionic la cmpuri mici i mijlocii i temperaturi uzuale, iar la cmpuri foarte intense, apare i o

8

conductibilitate de natur electroniccare se suprapune peste prima, efectul cumulativ putnd s duc la strpungere.

Conductibilitatea ionic este cauzat de ioni care primes n decursul timpului o energie suficient, generat de vibraiile reelei, nct prsesc nodu reelei i migreaz fie ntr-un interstiiu, fie ntr-un alt nod vacant. Ali purttori de sarcin provin din ionii impuritilor care formeaz de asemenea defecte de reea de interstiiu. Ionii care formeaz defecte fiind mai slab legai de reea contribuie la conducia electric.

Lund n considerare toate sursele de purttori de sarcin, inclusiv electronii ce pot fi promovai la cmpuri foarte intense n banda de conducie, ct i golurile rmase n urma lor n banda de valen, expresia general a conductivitii dielectricilor solizi este:

kTw

ici

i

e=

n care Wi este formata din energia corespunztoare barierei de potenial i energia necesar formrii defectelor.

Din relaia de mai sus, se deduce c la dielectricii solizi, conductivitatea crete sensibil cu temperatura. Relaiile stabilite pentru conductivitate sunt valabile pn la limita temperaturii care nu schimb structura i calitile electroizolante ale corpului. Dac se reprezint grafic relaia anterioar ca n figura 6, se poate constata c n domeniul temperaturilor uzuale conductivitatea este predominant ionic, datorit defectelor de reea, iar la temperaturi mai mari, apare i conductivitatea electronic.

Fig. 6 Dependena de temperatur a conductivitii solidelor

De asemenea, din relaia conductivitii rezult c nu depinde de intensitatea cmpului

electric, n domeniul cmpurilor mici i mijlocii. La cmpuri ns ce depesc 106 V/m, cum s-a artat n figura 1, conductivitatea depinde de intensitatea cmpului electric E.

Rezistivitatea de suprafa este datorat depunerii pe suprafaa dielectricilor solizi a vaporilor din atmosfer n amestec cu diverse impuriti. Se formeaz n acest fel o pelicul la suprafaa dielectricului care prezint conductivitate, n general, mai mare dect conductivitatea volumetric. n stare uscat i curat, suprafaa dielectricului poate avea rezistivitatea superioar, ca ordin de mrime, rezistivitii de volum. Aceasta este ns o situaie ideal, care n practic nu se poate realiza. Starea suprafeei dielectricului, din punct de vedere al conduciei electrice se

9

caracterizeaz prin rezistivitatede suprafa ce se determin experimental aa cum s-a artat anterior.

Pentru a avea mrimi de referin univoc determinate msurrile se efectueaz pe suprafeele necontaminate ale dielectricului. Pe suprafeele dielectricilor n exploatare ntre elementele de contaminare predomin scamele care fiind foarte higroscopice absorb din atmosfer vapori de ap, uleiuri, acizi etc. Ceea ce mrete considerabil conductivitatea. Pe de alt parte impuritile ionizate din atmosfer pot fi antrenate la suprafaa dielectricilor i de cmpurile electrice ale mainilor i aparatelor electrice. La mainile i aparatele electrice deschise conducia stratului de contaminare este influenat i de umiditatea i temperatura atmosferic.

Pentru a evita scurgerile de cureni pe suprafaa dielectricului se impune pstrarea suprafeei acestuia n stare ct mai curat i folosirea unor lacuri de acoperire la care s nu adere impuritile i umezeala. Consecinele grave ale nerespectrii acestei condiii (sau a folosirii unor materiale neadecvate) se ntlesc la plcile de borne ale mainilor electice; la bateriile uscate; la indusul mainii electrice cu colector, unde datorit depunerii n pericula de pe suprafaa izolaiei a pulberii de grafit rezultate din uzura periilor, apar scurtcircuite ntre lamele i, n final, explozia colectorului. Avaria este grav mai ales la motoarele de traciune, la generatoarele locomotivelor Diesel electrice i a excitatoarelor din centralele electrice etc.

Meninerea la valori ridicate a rezistivitilor de volum i de suprafa, este determinant pentru longevitatea oricrui sistem de izolaie i implicit a produselor electrotehnice.