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液體介質(zhì)的體積電阻率
閱讀：809發(fā)布時(shí)間：2024-7-25
液體電介質(zhì)的電導(dǎo)
任何電介質(zhì)都不可能是理想的絕緣體，它們內(nèi)部總是或多或少地具有一些帶電粒子(載流子),，例如,，可遷移的正、負(fù)離子以及電子,、空穴和帶電的分子團(tuán),。在外電場的作用下,，某些聯(lián)系較弱的載流子會(huì)產(chǎn)生定向漂移而形成傳導(dǎo)電流(電導(dǎo)電流或泄漏電流)。換言之,，任何電介質(zhì)都不同程度地具有一定的導(dǎo)電性,，只不過其電導(dǎo)率很小而已，而表征電介質(zhì)導(dǎo)電性能的主要物理量即為電導(dǎo)率γ或其倒數(shù)——電阻率ρ,。
構(gòu)成液體電介質(zhì)電導(dǎo)的主要因素有兩種：離子電導(dǎo)和電泳電導(dǎo),。離子電導(dǎo)是由液體本身分子或雜質(zhì)的分子離解出來的離子造成的；電泳電導(dǎo)是由荷電膠體質(zhì)點(diǎn)造成的,，所謂荷電膠體質(zhì)點(diǎn)即固體或液體雜質(zhì)以高度分散狀態(tài)懸浮于液體中形成了膠體質(zhì)點(diǎn),，例如，變壓器油中懸浮的小水滴,，它吸附離子后成為荷電膠體質(zhì)點(diǎn),，本小節(jié)主要探究液體電介質(zhì)的電導(dǎo)。
3.2.1液體電介質(zhì)的離子電導(dǎo)
1.液體電介質(zhì)中離子來源
離子電導(dǎo)可以分為本征離子電導(dǎo)和雜質(zhì)離子電導(dǎo),。本征離子電導(dǎo)是指由組成液體本身的基本分子熱離解而產(chǎn)生的離子,，雜質(zhì)離子是指由外來雜質(zhì)分子或液體的基本分子老化的產(chǎn)物離解而生成的離子。極性液體分子和雜質(zhì)分子在液體中僅有極少的一部分離解成為離子,，可能參與電導(dǎo),。
離子電導(dǎo)的大小和分子極性及液體的純凈程度有關(guān)。非極性液體電介質(zhì)本身分子的離解是極微弱的,，其電導(dǎo)主要由離解性的雜質(zhì)和懸浮于液體電介質(zhì)中的荷電膠體質(zhì)點(diǎn)所引起,。純凈的非極性液體電介質(zhì)的電阻率ρ可達(dá)1018Ω·cm，弱極性電介質(zhì)ρ可達(dá)1015Ω·cm,。對(duì)于偶極性液體電介質(zhì),，極性越大，分子的離解度越大,，ρ為1010～1012Ω·cm,。強(qiáng)極性液體，如水,、酒精等實(shí)際上已經(jīng)是離子性導(dǎo)電液了,，不能用作絕緣材料。表3-3列出了部分液體電介質(zhì)的電導(dǎo)率和相對(duì)介電常數(shù),。
表 3-3 部分液體電介質(zhì)的電導(dǎo)率和相對(duì)介電常數(shù)
液體種類 | 液體名稱 | 溫度/℃ | 相對(duì)介電常數(shù) | 電導(dǎo)率/(S/cm) | 純凈程度 |
中性 | 變壓器油 | 80 | 2.2 | 0.5×10-12 | 未凈化 |
80 | 2.1 | 2×10-15 | 凈化 | ||
80 | 2.1 | 1015 | 兩次凈化 | ||
80 | 2.1 | 0.5×10-15 | 高度凈化 | ||
極性 | 三氯聯(lián)苯 | 80 | 5.5 | 10-11 | 工程上應(yīng)用 |
蓖麻油 | 20 | 4.5 | 10-12 | 工程上應(yīng)用 | |
強(qiáng)極性 | 水 | 20 | 8.1 | 10-7 | 高度凈化 |
乙醇 | 20 | 25.7 | 10-8 | 凈化 |
2.液體電介質(zhì)中的離子遷移率
液體分子之間的距離遠(yuǎn)小于氣體而與固體相接近,，其微觀結(jié)構(gòu)與非晶態(tài)固體類似，液體分子的結(jié)構(gòu)具有短程有序性,。另一方面,，液體分子的熱運(yùn)動(dòng)比固體強(qiáng)，分子有強(qiáng)烈的遷移現(xiàn)象,?？梢哉J(rèn)為液體中的分子在一段時(shí)間內(nèi)是與幾個(gè)鄰近分子束縛在一起,，在某一平衡位置附近作振動(dòng)；而在另一段時(shí)間,，分子因碰撞得到較大的動(dòng)能,，使它與相鄰分子分開，遷移至與分子尺寸可相比較的一段路徑后,，再次被束縛,。
液體中的離子所處的狀態(tài)與分子相似，可用如圖3-16的勢能圖來描述液體巾離子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),。
設(shè)離子為正離子,，它們處于A、B,、C等勢能低的位置上作振動(dòng),，其振動(dòng)頻率為v，當(dāng)離子的熱振動(dòng)能超過令鄰近分子對(duì)它的束縛勢壘時(shí),，離子即能離開其穩(wěn)定位置而遷移,，這種由于熱振動(dòng)而引起離子的遷移，在無外電場作用時(shí)也是存在的,。
設(shè)離子在液體中遷移需要克服的勢壘為U,，則液體中離子在加電場前后的勢能曲線如圖3-17所示：
單位時(shí)間單位體積內(nèi)，沿電場方向遷移的載流子數(shù)量為
式中 n——單位體積中的離子數(shù),；
V——離子在平衡位置的振動(dòng)頻率,；
??U——外加電場在距離δ/2上產(chǎn)生的勢能變化，??U =qpδE/2,；
δ——離子平均遷移率,。
在弱場作用下??U=KT時(shí)
因此??n為
每個(gè)離子在電場方向的宏觀平均漂移率為
遷移率為
3.液體電介質(zhì)電導(dǎo)率與濕度的關(guān)系
將上面得到的遷移率代入電導(dǎo)率公式，就可以得到液體電介質(zhì)中的離子電導(dǎo)率為
當(dāng)溫度變化時(shí),，指數(shù)部分影響遠(yuǎn)大于分?jǐn)?shù)部分,，因此可以把分?jǐn)?shù)部分近似看成與溫度無關(guān)的常數(shù)，則上式可以簡化為
其中,，
從上式可見,，液體離子電導(dǎo)率與溫度呈指數(shù)關(guān)系，當(dāng)溫度升高時(shí),，電導(dǎo)率呈指數(shù)迅速增大,，反之則很快降低。
在工程實(shí)際中,，往往采用攝氏溫度1,，則液體介質(zhì)的離子電導(dǎo)率可以表示為
當(dāng)溫度不高,，即t2=2732時(shí),，上式可以近似等價(jià)為
可以進(jìn)一步簡寫為
其中,，
，a=B/2732,。
當(dāng)t=0℃時(shí),，γ0=C,，即為攝氏零度的電導(dǎo)率。則：
若用電阻率表示為ρ=ρ0e-at，其中ρ0=1/γ0,。
若考慮到雜質(zhì)離子的電導(dǎo)，則
,，其中A1,、B1和A2、B2為本征離子電導(dǎo)和雜質(zhì)離子電導(dǎo)的有關(guān)常數(shù),。對(duì)于工程液體電介質(zhì),，本征離子的遷移勢壘U比雜質(zhì)離子的遷移勢壘大很多，雜質(zhì)離子電導(dǎo)往往占主導(dǎo)地位,，本征離子電導(dǎo)常被淹沒,。則：
可以看出為一條直線。
3.2.2液體電介質(zhì)的電泳電導(dǎo)與華爾頓定律
1.電泳電導(dǎo)
施加電場以后,，膠粒沿電場方向漂移形成電流,，稱為電泳電導(dǎo)或膠粒電導(dǎo)。
液體中膠粒來源主要有：①塵埃,、氣泡,、水分、液體及固體雜質(zhì)等,，線度在1～100nm范圍內(nèi)的顆粒懸浮在分散液體介質(zhì)中成為膠粒,；②液體電介質(zhì)運(yùn)輸存放過程因氧化、受潮,、受熱的因素產(chǎn)生的有機(jī)酸,、蠟狀物等；③為改善液體電解質(zhì)的性能,，部分添加劑會(huì)以膠粒形式分散在液體介質(zhì)中,。
膠體電荷主要來源有：①膠粒本身含有可解離基團(tuán)，如羧基羥基等,，這些基團(tuán)解離后膠粒帶電,；②不帶電的雜質(zhì)吸附液體中的雜質(zhì)離子或本征離子而帶電；3膠粒由于熱運(yùn)動(dòng)摩擦帶電,。Cohen 經(jīng)驗(yàn)規(guī)則：節(jié)點(diǎn)系數(shù)大的失電子帶正電,，另一項(xiàng)帶負(fù)電。
2.華爾頓(Walden)定律
設(shè)膠粒呈球形，球體半徑r,，液體的相對(duì)介電常數(shù)為εr,，膠粒的帶電量q，它在電場E的作用下,，受到的電場力為
則電泳電導(dǎo)率為
式中 η——液體電介質(zhì)黏度,。
則有
在n0、εr,、U0,、r保持不變的情況下，γη將為一常數(shù),，這一關(guān)系稱為華爾頓(Walden)定律,。
定律表明：某些液體介質(zhì)的電泳電導(dǎo)率和黏度雖然都與溫度有關(guān)，但電泳電導(dǎo)率與黏度的乘積則可能為一個(gè)與溫度無關(guān)的常數(shù),。
3.液體電介質(zhì)在強(qiáng)電場下的電導(dǎo)
在弱電場區(qū),，液體介質(zhì)的電流正比于電場強(qiáng)度，遵循歐姆定律,。當(dāng)E≥107V/m的強(qiáng)電場區(qū)時(shí),，電流隨電場強(qiáng)度呈指數(shù)關(guān)系增長，除極純凈的液體介質(zhì)外,，一般不存在明顯的飽和電流區(qū),，如圖3-18所示。
液體介質(zhì)在強(qiáng)電場區(qū)(E≥E2)的電流密度按指數(shù)規(guī)律隨電場強(qiáng)度增加而增加,，即
式中 j0——液體介質(zhì)在場強(qiáng)E=E2時(shí)的電流密度,；
C——常數(shù)。
式中可用離子遷移率和離子解離度在強(qiáng)電場中的增加來說明,，在E>2kT/qδ的強(qiáng)電場區(qū),，離子遷移率隨場強(qiáng)增加而增加，可以寫為
以E=E2時(shí)的電流密度代入上式,，得
其中,，
。
液體電介質(zhì)在強(qiáng)電場下電導(dǎo)有電子碰撞電離的特點(diǎn),，圖3-19表明液體介質(zhì)在強(qiáng)電場下的電導(dǎo)可能是電子電導(dǎo)所引起的,。強(qiáng)極性液體電介質(zhì)的加入可以使弱電場下的離子電導(dǎo)增加，使電子電導(dǎo)下降,。
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