1.2.3. Проводимость жидкостей и электролитов.

Жидкости. Современные представления о проводимости диэлектрических жидкостей состоят в следующем. Здесь носителями заряда являются ионы, т.к. электроны легко прилипают к нейтральным молекулам жидкости и не могут существовать в свободном состоянии. Кроме того, в жидкости заряды могут переноситься молионами, частицами и даже пузырьками. Ионизация облегчена по сравнению с газами за счет большей диэлектрической проницаемости, ибо высота потенциального барьера (энергия ионизации) понижена примерно в e раз. Это можно показать рассматривая кулоновскую энергию взаимодействия двух зарядов +e и -e, разошедшихся на расстояние r. W= e 2 /(4p· e 0 e ·r). Рекомбинация носителей заряда в жидкости затруднена, поскольку заряды легко окружаются соседними молекулами, ориентированными соответствующими концами постоянных или индуцированных диполей к ионам.

Эффект взаимодействия со средой называется сольватацией. Ионизироваться могут молекулы основной жидкости, или примесей, если они являются ионофорами , т.е. имеющими преимущественно ионную связь между частями молекулы. Характерный пример ионофора - молекула NaCl, которую можно представить состоящей из ионов Na + и Cl -. В жидкости молекула NaCl может растворяться и существовать сразу в виде ионов, либо ионных пар (Na + Cl). Превращение молекулы в пару ионов называется диссоциацией . Помимо ионофоров, в жидкости могут существовать ионогены . т.е. вещества, образующие ионы только при взаимодействии друг с другом. Например вода, растворенная в диэлектрической жидкости, может облегчать ионизацию других примесей, растворенных в жидкости. Оценка по выражению (1.23) степени ионизации примеси с потенциалом ионизации 4 В, растворенной в жидкости с e =2 в количестве 1% с учетом рекомбинации (Kr

10 -15 м 3 /cек) дает, что практически вся примесь оказывается диссоциированной на ионы.

Что касается подвижности, то она определяется движением жидкости. При этом подвижности любых ионов близки друг другу, т.к. ионы “вморожены” в жидкость и переносятся “микроструйками” жидкости.

Наши эксперименты по исследованию движения носителей заряда и микропузырьков в нитробензоле под действием сильных импульсных электрических полей показали, что и пузырьки и ионы движутся при временах воздействия не более 1 мкс. Отсюда был сделан вывод, что они переносятся микроструйками, которые образуются за времена менее 1 микросекунды. Доказательством образования струек являлось зарегистрированное оптическим способом, в сочетании с электрооптическим способом, движение различных носителей заряда и пузырьков с одинаковыми скоростями.

Подвижность, связанная с движением жидкости, называется электрогидродинамической подвижностью . Она составляет m эгд

(10 -7 - 10 -8 ) м 2 /Вc. т.е. на три-четыре порядка меньше подвижности ионов в газах. Оценка для вышеприведенного примера с диссоциацией примеси с учетом ЭГД подвижности дает s

10 -9 Cм/м.

Таким образом, в жидкостях обычно проводимость больше, чем в газах и твердых телах за счет облегченной ионизации и затрудненной рекомбинации. С другой стороны, отсутствие формы жидкости, легкость очистки дают возможность уменьшения электропроводности, что невозможно сделать с твердыми диэлектриками. В настоящее время существуют несколько новых технологий очистки жидкостей, например электродиализ . благодаря которым некоторые жидкости очищали до проводимости, не хуже лучших образцов твердых диэлектриков, типа янтаря, s

10 -19 Ом м.

Еще необходимо рассмотреть электропроводность электролитов. В энергетике они применяются, в основном, в аккумуляторах. Кроме того, естественные электролиты обеспечивают электропроводность в системах заземления энергетических объектов. Дело в том, что земля имеет преимущественно электролитический характер электропроводности. При этом, наиболее важным видом электролитов являются водные электролиты, т.к. вода признается самым распространенным жидким веществом, она считается самым сильным растворителем и самой сильной ионизирующей средой.

В электролитах заряды появляются в жидкости за счет электролитической диссоциации молекул на ионы. Условно все вещества, растворенные в жидкости и частично диссоциирующие на ионы, делят на два типа: сильные электролиты и слабые. Сильные электролиты - вещества полностью диссоциирующие на ионы. Это соли типа NaCl, сильные кислоты типа HCl. Слабые электролиты - малодиссоциирующие вещества, т.е. они растворяются в виде молекул, только малая часть молекул диссоциирует на ионы. Пример - спирты, органические кислоты (например, уксусная кислота). Число ионов зависит от концентрации растворенных веществ. Подвижность ионов в электролитах невелика, обычно она составляет порядка 10 -8 м 2 /(В·с).

За счет большой растворяющей способности воды, обычно электропроводность влажных сред оказывается достаточно великой, т.к. растворенные вещества зачастую содержат сильно диссоциирущие соли. Причиной электропроводности увлажненных диэлектриков является растворение в воде различных примесей и их последующая диссоциация на ионы. Поэтому обычно самым большим “врагом” электрической изоляции является вода , попадание которой в диэлектрик ухудшает электрофизические характеристики материала.