Электрическая проводимость жидких диэлектриков

Ламповые электрометры могут  включаться в схему либо с измерительным  прибором в анодной или в катодной цепи, либо по принципу моста (Дю Бриджа, Барта, Колдуэлла), либо как компенсационное  устройство на двух лампах или на одной  двойной лампе. Весь прибор, включающий ламповый электрометр, характеризуется  чувствительностью по току и по напряжению и коэффициентом усиления. Прибор должен быть сбалансирован и стабилизирован так, чтобы колебания температуры и тока накала не влияли на его показания.

В последние годы все большее  применение для измерений слабых токов, порядка А находит вибрационный электрометр. Принцип действия его заключается в том, что заряд накапливается конденсатором, емкость которого изменяется во времени периодически вследствие механических колебаний одного из электродов:

                                           

где С — средняя емкость, k — постоянная, зависящая от амплитуды  колебаний электрода, — угловая частота колебаний. Измеряемое прибором напряжение на конденсаторе

                                             

Это напряжение имеет переменную составляющую, амплитуда которой  пропорциональна q и которая может быть легко усилена.

На рис. 5 показан разрез конденсатора с вибрирующим электродом . Верхний электрод 1 укреплен на изоляторе  высокого класса (например, из полистирола) и соединен с ионизационной камерой. Нижний электрод 2 представляет собой гибкую пластину, которая приводится в движение электромагнитом 3. Электрическая схема прибора приведена на рис. 6. Сопротивление R подключается только при измерении тока. Схема работает с отрицательной обратной связью, чтобы устранить флюктуации, вызванные изменением амплитуды k. Типичные параметры такого электрометра следующие: частота колебаний электрода конденсатора 550 Гц, амплитуда колебаний 0,5 мм, минимальное расстояние между электродами 0,13 мм, входная емкость 8 пФ, входное сопротивление Ом, измеряемый ток — б при сопротивлении Ом. Используя принцип измерения напряжения на заряжаемом конденсаторе, можно измерить ток до А и заряд до К с точностью около 2%. В тех случаях, когда измеряемый ток может изменяться на несколько порядков величины, применяются так называемые логарифмические электрометры, показания которых пропорциональны логарифму измеряемой величины. Основой логарифмического электрометра служит электронная лампа, внутреннее сопротивление которой играет роль входного. Такой лампой может быть, например, пентод, для которого связь между анодным напряжением и анодным током выражается формулой:

                                                   

где А и В — постоянные. С помощью такого электрометра можно  измерять токи в пределах А. Для нормальной работы необходимо, чтобы сопротивление ионизационной камеры было намного больше, чем входное сопротивление электрометра. Обычно это условие выполняется. Недостатком такого электрометра является зависимость его показаний от характеристик лампы и непропорциональность их силе измеряемого тока. Поэтому необходимо или работать только в линейной части характеристики или применять специальные электронные устройства для компенсации искажений.

Рис.5 Конденсатор с вибрирующим  электродом

1-верхний (неподвижный)  электрод; 2-вибрирующий электрод; 3-электромагнит; 4-обкадка конденсатора

 

Рис.6. Блок схема прибора с вибрационным электродом

К – ионизационная камера; R, R₁, R₂ – сопротивления; С – конденсатор с переменной емкостью; С₁ – конденсатор; У – усилитель; Д – фазовый детектор; О – осциллятор

 

 

 

 

 

 

 

3. Измерения диэлектрической  проводимости в жидких диэлектриках

3.1. Естественная (самостоятельная) проводимость

Если жидкость, тщательно  очищенную физико-химическими методами, поместить в ионизационную камеру, также тщательно очищенную и высушенную, то после приложения напряжения ток быстро уменьшается до некоторой минимальной величины. Этот процесс часто называют электроочисткой, так как проводимость жидкости, находящейся в электрическом поле, уменьшается (иногда за несколько десятков часов) на несколько порядков величины. После очистки жидкость не возвращается к начальному состоянию, если только ее не загрязнить; не обнаруживается также явление поляризации, так что заряды разных знаков, собирающиеся на электродах ионизационной камеры, равны по величине. Скорость спадания тока и его конечное значение показывают, достаточно ли хорошо очищена жидкость и можно ли ею пользоваться для точных измерений. Механизм электроочистки точно еще не известен. Обычно считается, что образец жидкости, взятый непосредственно после дистилляции, может содержать следы электролитических загрязнений, пузырьки воздуха и кислорода и пузырьки паров самой жидкости. Кроме того, камера, в которую наливается жидкость, может содержать те же, а также еще и другие загрязнения. Поэтому тщательная очистка камеры очень важна; последним этапом очистки должно быть прополаскивание ее исследуемой жидкостью. При электроочистке происходят следующие процессы:

1. удаление следов электролитических загрязнений из активного 
   объема камеры;
2. исчезновение пузырьков газа в жидкое  (главным образом, воздуха и кислорода);
3. исчезновение пузырьков газа, адсорбированного на поверхности электродов;
4. удаление случайных носителей электрических зарядов (свободных электронов и ионов), накопившихся в жидкости до вливания ее в ионизационную камеру;
5. возможное упорядочение молекул жидкости в квазикристаллическую пространственную решетку и постепенный переход жидкости из состояния донорного полупроводника р-типа в состояние изолятора.

В плохо очищенной жидкости первый из перечисленных процессов  идет очень медленно и, как правило, не дает положительных результатов. Эффект электроочистки сравнительно мал, причем очень часто после выключения напряжения в камере происходит поляризация, а иногда жидкость возвращается в первоначальное состояние по проводимости. Такую жидкость лучше сразу вылить и, если следующая проба ведет себя так же, то следует повторить дистилляцию.

Процессы 2, 3 и 4-й приводят к быстрому и необратимому уменьшению проводимости в первый момент после включения и затем к более медленному ее уменьшению вплоть до установившегося значения. Последний 5-й процесс представляется гипотетическим и нужны специальные измерения, чтобы подтвердить его существование. Пример изменения плотности тока j со временем t представлен на рис. 1. Кривая 1 соответствует жидкости с электролитическими примесями, кривая 2 (теоретическая) — чистой жидкости, для которой конечная величина плотности тока должна быть на 2—3 порядка меньше начальной.

Рис. 7. Зависимость плотности тока естественной проводимости от времени

1 — эксперимент; 2 — теоретическая  кривая

Несмотря на то, что это  явление общеизвестно, до сих пор  не проведены прямые измерения с целью выяснения его природы.

Первый процесс очистки, происходящий очень быстро, описывается  формулой вида:

  )                                          (7)

поскольку количество удаляемых  загрязнений (пузырьков газа или  пара) пропорционально их общему количеству, причем это начальное значение тока, а λ — постоянная. Время полураспада , равное  = 0,693/λ, обычно лежит в пределах 15—30 мин, в зависимости от вида жидкости.

Дальнейший процесс электроочистки следует приписать более тонким изменениям структуры жидкости, происходящим при упорядоченных некоторых  областей квазикристаллической молекулярной решетки, подобно тому, как это  можно наблюдать в некоторых твердых электронных полупроводниках. Разница между твердыми телами и жидкостями заключается в том, что в жидкостях такие искажения, деформации и чужеродные примеси подвижны и могут быть удалены электрическим током, проходящим через жидкость. Можно дать описание этого явления, подобное тому, которое представил Фаулер  для полиэтилена:

                                          (8)

где — наинизший уровень ловушки, W — уровни других ловушек, — постоянная, — начальный ток.

Уменьшение проводимости происходит по этому механизму медленно, продолжаясь десятки часов. В некоторых работах наблюдались такие два различных процесса, что хорошо видно при изображении получаемой зависимости тока от времени в полулогарифмическом масштабе: кривая i (t) имеет вид ломаной с одним изломом.

В работе для тщательно очищенной жидкости была найдена зависимость

                                                     (9)

где b — постоянная, a — начальный ток. Однако экспериментальные результаты не очень хорошо совпали с теорией, так как в эксперименте имели место оба процесса, описываемые формулами (1). В работах последних лет, выполненных в Англии [14,стр110], большое внимание уделяется дегазации жидкости. Весь цикл физико-химической очистки, фракционной дистилляции и переливания в ионизационную камеру проводится в стеклянной аппаратуре, так что жидкость совершенно не соприкасается с окружающим воздухом. Аппаратура может быть откачана и затем заполнена нейтральным газом (азотом). Результаты этих работ пока не однозначны. Иногда проводимость сильно зависит от содержания газа в жидкости, иногда практически не зависит. По мнению автора, при электроочистке происходит также и обезгаживание и поэтому во многих случаях вместо того, чтобы вести все исследования в полностью автономной стеклянной аппаратуре, можно ограничиться электроочисткой. Измерения зависимости начальных токов от времени и от температуры подтвердили, что в этом явлении происходят два процесса: один быстрый, завершающийся в течение нескольких десятков минут, и другой медленный, продолжающийся несколько десятков часов. Графики Ln _i = f(1/T)  имели вид двух пересекающихся прямых; вторая прямая соответствует, по-видимому, процессу упорядочения внутренней структуры жидкости. Многие экспериментаторы для уменьшения возможности загрязнения жидкости помещали ионизационную камеру непосредственно в дистилляционную колонку, прополаскивая ее испытуемой жидкостью несколько раз перед экспериментом. Так поступал Никурадзе и некоторые сотрудники Колледжа королевы Марии в Лондоне, однако для большинства насыщенных углеводородов это не повлияло на конечную проводимость, и поэтому, как правило, эта дорогая и трудоемкая технология эксперимента не применяется.

Кроме электроочистки жидкости следует обратить внимание на те явления, которые обусловлены структурой молекул жидкости и  влияют на механизм протекания тока. Особенно большая разница в этом смысле существует между насыщенными углеводородами и ароматическими, в которых имеются делокализованные - электроны. Насыщенные углеводороды в состоянии наивысшей химической чистоты обнаруживают проводимость , в то время как у ароматических после такой же обработки в раз больше. В последние годы были выполнения измерения тока, подвижности и рекомбинации и ионов в бензоле; измерения самостоятельной проводимости в большой группе ароматических углеводородов с исследованием распределения поля между электродами и ряд других работ в этой области [15,стр.87].

Согласно теории Форстера, самостоятельная проводимость складывается из двух процессов: электронная проводимость и проводимость, вызванная возбужденными молекулами. Свободные электроны перескакивают от молекулы к молекуле, задерживаясь у каждой на короткое время (так называемый ловушечный механизм проводимости). Молекулы, находящиеся на самом низшем уровне возбуждения, существуют в определенном количестве в жидкости при комнатной температуре. При столкновении таких молекул друг с другом может возникнуть пара ионов (п.и.). Форстер показал, что во многих случаях можно связать энергию активации проводимости синергией возбуждения молекулы.

Причинами естественной проводимости могут быть также следующие явления:

1. эмиссия электронов из катода под действием приложенного поля (с учетом снижения работы выхода электрона из металла в диэлектрик), что, вообще говоря, имеет место в сильных полях;
2. следы электролитических примесей в жидкости;
3. диссоциация молекул посторонних веществ;
4. диссоциация молекул жидкости под действием электрического поля;
5. ионизация в результате воздействия излучения радиоактивных загрязнений, находящихся на стенках сосуда и в воздухе;
6. ионизация космическими лучами;
7. тепловые процессы, протекающие так же, как в электронных полупроводниках.

Каждая из этих причин может  играть определенную роль в соответствующих условиях; например, эмиссия электронов из катода легко обнаруживается при большой напряженности электрического поля (порядка В/см). В любых экспериментальных условиях легко можно обнаружить влияние электролитических примесей. Систематические исследования проводимости циклогексана, в который добавлялась в малых количествах вода, показали, что при температуре 50°С максимальное количество ионов образуется при полном насыщении циклогексана водой, а минимальное число пар ионов для совершенно свободного от воды циклогексана (полученное экстраполяцией) составляет 200 п. и. на 1 см³ в 1 сек, что хорошо согласуется с другими непосредственными измерениями [9,стр.220].

В развита теория диссоциации молекул жидкости в сильных электрических полях; эта теория не получила широкого признания.

Этот эффект можно наблюдать  только в жидкостях высшей степени  чистоты, с естественной проводимостью  порядка [1,стр.98] Он проявляется при экранировании ионизационной камеры толстыми стенками из олова (до 15 см), когда измеряемый ток уменьшается с увеличением толщины стенки. Воздействием космического излучения можно объяснить тот факт, что в различных исследованиях различными способами достигается одна и та же наименьшая проводимость (γ =). Дальнейшее ее уменьшение удается получить только с помощью экранирования толстыми оловянными стенками.