CC BY
13
ИЗВЕСТИЯ
ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО Том 71. ИНСТИТУТА им. С. М. КИРОВА 1952 г.
ОБ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ ТВЁРДЫХ РАСТВОРОВ
А. Ф. ГОРОДЕЦКИЙ
Существующие теории электрического пробоя твёрдых диэлектриков по-разному учитывают влияние примесей в диэлектрическом кристалле.
Так, Хиппель [1] рассматривает ударную ионизацию электронами как основной процесс, приводящий к пробою, и приходит к выводу, что примеси должны увеличивать электрическую прочность диэлектрика за счёт нарушения примесями правильного хода потенциальной функции в кристалле. Искажения потенциальных барьеров увеличивают вероятность захвата электронов.
Фрёлих [2] рассчитывает напряженность поля из условия, что электрон должен получать от поля больше энергии, чем он отдаёт кристаллической решётке в виде тепла. Окончательное выражение, получаемое Фрёлихом, связано с длиной свободного пробега электрона в решётке таким образом, что электрическая прочность должна возрастать с уменьшением длины свободного пробега. Следовательно, чем менее упорядочена структура, тем большей должна быть электрическая прочность.
Проведённые Хиппелем эксперименты [3] с твердыми растворами
КС1 -RbCl и КС1-КВг показали, что в ходе зависимости электрической прочности от состава имеется максимум для системы КС1—RbCl и возрастание прочности до границ области распада твердого раствора для системы КС1—КВг.
При этом наибольшее возрастание электрической прочности (около 30°/0) соответствует приблизительно одинаковому количеству обеих компонент (фиг. 1, 2, сплошные кривые).
Эти результаты опытов могли быть истолкованы как в рамках теории Хиппеля, так и рамках теории Фрёлиха.
Дальнейшее изучение зависимости электрической прочности от состава в твёрдых растворах было проведено Хиппелем и Ли |4] для системы :NaCl--AgCl, а также Богдановой [5]—для систем KI—Nal и KI КВг.
Хиппелем было показано, что введение к NaCl до 15 мол.°/0 AgCl повышает электрическую прочность в два раза.
Однако результаты, полученные Богдановой, показали, что примеси также могут понижать электрическую прочность. Так, в случае системы KI —Nal прибавление к чистому KI примесей до 40 мол.% Nal ведет к понижению электрической прочности смешанных кристаллов, по сравнению с чистым KI, примерно вдвое. Для системы KI—КВг наблюдалось понижение электрической прочности от значения её для чистого KI до минимума при составе 50 мол.°/о KI + 50 мол.% КВг, а затем возрастание до значения электрической прочности чистого КВг (фиг. 3, 4, сплошные линии).
Результаты Богдановой, таким образом, противоречили предсказываниям теорий Хиппеля и Фрёлиха.
Предпринятая Богдановой попытка связать электрическую прочность твёрдых растворов с температурой плавления, по нашему мнению, также не привела к положительным результатам. Единой закономерности построить не удалось [6].
f AIL
I
I
300 200
/00
0
!30(h
(20&
//00
R6C¿
MOOx
нее moe%
Фиг. 2
I
$00
700 600 500
400 ООО 200 /00 О
Ю mog%
♦иг. 3
no j
nOOßfo
Фиг. 4
Анализ этих результатов, а также имевшиеся в нашем распоряжении данные о сравнительно малой термодинамической устойчивости твёрдых растворов щёлочно-галоидных солей [7, 8, 9| указывали на целесообразность сопоставления данных по электрической прочности твёрдых растворов с их термодинамической устойчивостью.
Использовав данные Жемчужного и Рамбаха [8], а также Курнакова и Жемчужного [9] о поглощённой при образовании твёрдых растворов энергии, мы нанесли эти значения на диаграммы электрическая прочность— состав (фиг. 1 4, пунктирные кривые).
Как легко видеть, зависимость получается совершенно однозначной : системы, характеризуемые убылью электрической прочности KI — Nal, Ю — КВг, поглощали относительно большую энергию. При этом для одной и той же системы рост поглощаемой энергии при её образовании соответствует убыли электрической прочности.
В случае системы KCl—КВг имеет место аналогичная, по существу, зависимость для состава соответствующего области распада твёрдых растворов.
Характерно, что при комнатной температуре через 2,5 месяца твёрдый раствор 50 мол.°/0 KI в системе KI -Nal распадается примерно на 2/3; твёрдый раствор 50 мол. °/о KI в системе KI—КВг распадается примерно на 3/2; твёрдый раствор 50 мол.°/о KCl в системе KCl—КВг распадался на 2/:. при комнатной температуре через 1,5 месяца после его образования.
В то же время в случае твёрдого раствора KCl—RbCl при этих же условиях не обнаружено никаких следов распада. ;
Изложенные результаты позволяют высказать предположение о том, что в случае систем KI—Nal, Kl—КВг и частично KCl—КВг процесс распада твёрдого раствора приводит к понижению электрической прочности, наблюдаемому на опыте. При этом перекрывается эффект упрочнения, связанный с выводами теорий Хиппеля и Фрёлиха.
Наоборот, в системе KCl—RbCl, где явление распада практичёски не имеет места, основную роль играет эффект упрочнения примесями.
Таким образом, в связи с диффузионным характером процесса распада твёрдых растворов [10] при изучении электрической прочности необходимо учитывать диффузионные явления в системах.
Накопление дополнительных экспериментальных данных, начатое в нашей лаборатории, позволит, вероятно, сделать дальнейшие выводы.
Пользуюсь случаем выразить благодарность профессору - доктору А. А. Воробьеву за интересные дискуссии по затронутым вопросам.
ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. А. V. H i р р е 1, I. Appl. Phys., 8, 815, 1937.
2. H. Frölish, Proc. Roy. Soc., (A) 160, 230, 1937.
3. A. v. Hippel, Zs f. Physik, 88, 358, 1934.
4. A. v. Hippel and G. M. Lee, Phys, Rev., 59, 824, 1941.
5. H. Б. Б огданова. ЖЭТФ, 14, 30, 1944.
в. А. А. Воробьев. Известия Томского политехнического института, 63, 3, 1944.
7. В. Я. Аносов и С. А. Погодин. Основные начала физико-химического анализа, изд. АН СССР, 1947.
8. С. Ф. Жемчужный и Ф. Р а м 6 а х. Известия СПБ ПИ, 12, 349, 1909.
9. Н. С. К у р н а к о в и С. Ф. Жемчужный. Собрание избранных работ Н. С. Курнакова, т. 1, стр. 186, 1938.
10. Я. С. У м а н с к и и, Б. Н. Ф и н к е л ь ш т е й н, M. Е. Б л а н т е р. Физические основы металловедения, 1949.
