液體電介質的電導

任何電介質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、負離子以及電子、空穴和帶電的分子團。在外電場的作用下，某些聯(lián)系較弱的載流子會產(chǎn)生定向漂移而形成傳導電流(電導電流或泄漏電流)。換言之，任何電介質都不同程度地具有一定的導電性，只不過其電導率很小而已，而表征電介質導電性能的主要物理量即為電導率γ或其倒數(shù)——電阻率ρ。

構成液體電介質電導的主要因素有兩種：離子電導和電泳電導。離子電導是由液體本身分子或雜質的分子離解出來的離子造成的；電泳電導是由荷電膠體質點造成的，所謂荷電膠體質點即固體或液體雜質以高度分散狀態(tài)懸浮于液體中形成了膠體質點，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點，本小節(jié)主要探究液體電介質的電導。

3.2.1液體電介質的離子電導

1.液體電介質中離子來源

離子電導可以分為本征離子電導和雜質離子電導。本征離子電導是指由組成液體本身的基本分子熱離解而產(chǎn)生的離子，雜質離子是指由外來雜質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。

離子電導的大小和分子極性及液體的純凈程度有關。非極性液體電介質本身分子的離解是極微弱的，其電導主要由離解性的雜質和懸浮于液體電介質中的荷電膠體質點所引起。純凈的非極性液體電介質的電阻率ρ可達1018Ω·cm，弱極性電介質ρ可達1015Ω·cm。對于偶極性液體電介質，極性越大，分子的離解度越大，ρ為1010～1012Ω·cm。強極性液體，如水、酒精等實際上已經(jīng)是離子性導電液了，不能用作絕緣材料。表3-3列出了部分液體電介質的電導率和相對介電常數(shù)。

表 3-3 部分液體電介質的電導率和相對介電常數(shù)

2.液體電介質中的離子遷移率

液體分子之間的距離遠小于氣體而與固體相接近，其微觀結構與非晶態(tài)固體類似，液體分子的結構具有短程有序性。另一方面，液體分子的熱運動比固體強，分子有強烈的遷移現(xiàn)象?？梢哉J為液體中的分子在一段時間內(nèi)是與幾個鄰近分子束縛在一起，在某一平衡位置附近作振動；而在另一段時間，分子因碰撞得到較大的動能，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動狀態(tài)。

設離子為正離子，它們處于A、B、C等勢能低的位置上作振動，其振動頻率為v，當離子的熱振動能超過令鄰近分子對它的束縛勢壘時，離子即能離開其穩(wěn)定位置而遷移，這種由于熱振動而引起離子的遷移，在無外電場作用時也是存在的。

設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

因此??n為

每個離子在電場方向的宏觀平均漂移率為

遷移率為

3.液體電介質電導率與濕度的關系

將上面得到的遷移率代入電導率公式，就可以得到液體電介質中的離子電導率為

當溫度變化時，指數(shù)部分影響遠大于分數(shù)部分，因此可以把分數(shù)部分近似看成與溫度無關的常數(shù)，則上式可以簡化為

其中，

從上式可見，液體離子電導率與溫度呈指數(shù)關系，當溫度升高時，電導率呈指數(shù)迅速增大，反之則很快降低。

在工程實際中，往往采用攝氏溫度1，則液體介質的離子電導率可以表示為

當溫度不高，即t2=2732時，上式可以近似等價為

可以進一步簡寫為

其中，，a=B/2732。

當t=0℃時，γ0=C，即為攝氏零度的電導率。則：

若用電阻率表示為ρ=ρ0e-at，其中ρ0=1/γ0。

若考慮到雜質離子的電導，則，其中A1、B1和A2、B2為本征離子電導和雜質離子電導的有關常數(shù)。對于工程液體電介質，本征離子的遷移勢壘U比雜質離子的遷移勢壘大很多，雜質離子電導往往占主導地位，本征離子電導常被淹沒。則：

可以看出為一條直線。

3.2.2液體電介質的電泳電導與華爾頓定律

1.電泳電導

施加電場以后，膠粒沿電場方向漂移形成電流，稱為電泳電導或膠粒電導。

液體中膠粒來源主要有：①塵埃、氣泡、水分、液體及固體雜質等，線度在1～100nm范圍內(nèi)的顆粒懸浮在分散液體介質中成為膠粒；②液體電介質運輸存放過程因氧化、受潮、受熱的因素產(chǎn)生的有機酸、蠟狀物等；③為改善液體電解質的性能，部分添加劑會以膠粒形式分散在液體介質中。

膠體電荷主要來源有：①膠粒本身含有可解離基團，如羧基羥基等，這些基團解離后膠粒帶電；②不帶電的雜質吸附液體中的雜質離子或本征離子而帶電；3膠粒由于熱運動摩擦帶電。Cohen 經(jīng)驗規(guī)則：節(jié)點系數(shù)大的失電子帶正電，另一項帶負電。

2.華爾頓(Walden)定律

設膠粒呈球形，球體半徑r，液體的相對介電常數(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

則電泳電導率為

式中 η——液體電介質黏度。

則有

在n0、εr、U0、r保持不變的情況下，γη將為一常數(shù)，這一關系稱為華爾頓(Walden)定律。

定律表明：某些液體介質的電泳電導率和黏度雖然都與溫度有關，但電泳電導率與黏度的乘積則可能為一個與溫度無關的常數(shù)。

3.液體電介質在強電場下的電導

在弱電場區(qū)，液體介質的電流正比于電場強度，遵循歐姆定律。當E≥107V/m的強電場區(qū)時，電流隨電場強度呈指數(shù)關系增長，除極純凈的液體介質外，一般不存在明顯的飽和電流區(qū)，如圖3-18所示。

液體介質在強電場區(qū)(E≥E2)的電流密度按指數(shù)規(guī)律隨電場強度增加而增加，即

式中 j0——液體介質在場強E=E2時的電流密度；

C——常數(shù)。

式中可用離子遷移率和離子解離度在強電場中的增加來說明，在E>2kT/qδ的強電場區(qū)，離子遷移率隨場強增加而增加，可以寫為

以E=E2時的電流密度代入上式，得

其中，。

液體電介質在強電場下電導有電子碰撞電離的特點，圖3-19表明液體介質在強電場下的電導可能是電子電導所引起的。強極性液體電介質的加入可以使弱電場下的離子電導增加，使電子電導下降。