液體電介質(zhì)的電導

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(zhì)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(zhì)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(gòu)成液體電介質(zhì)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(zhì)的分子離解出來的離子造成的；電泳電導是由荷電膠體質(zhì)點造成的，所謂荷電膠體質(zhì)點即固體或液體雜質(zhì)以高度分散狀態(tài)懸浮于液體中形成了膠體質(zhì)點，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，本小節(jié)主要探究液體電介質(zhì)的電導。

3.2.1液體電介質(zhì)的離子電導

1.液體電介質(zhì)中離子來源

離子電導可以分為本征離子電導和雜質(zhì)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(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。

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(zhì)本身分子的離解是極微弱的，其電導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)點所引起。純凈的非極性液體電介質(zhì)的電阻率ρ可達1018Ω·cm，弱極性電介質(zhì)ρ可達1015Ω·cm。對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(zhì)的電導率和相對介電常數(shù)。

表 3-3 部分液體電介質(zhì)的電導率和相對介電常數(shù)

2.液體電介質(zhì)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(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，液體分子的熱運動比固體強，分子有強烈的遷移現(xiàn)象。可以認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(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)離子的電導，則，其中A1、B1和A2、B2為本征離子電導和雜質(zhì)離子電導的有關常數(shù)。對于工程液體電介質(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(zhì)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(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(zhì)的性能，部分添加劑會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，如羧基羥基等，這些基團解離后膠粒帶電；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(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(zhì)在強電場下的電導

在弱電場區(qū)，液體介質(zhì)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(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(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)的加入可以使弱電場下的離子電導增加，使電子電導下降。