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三種類の移動度を有するキャリアが存在する場合の絶縁液体中の過渡空間電荷制限伝導

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Academic year: 2021

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(1)Title. 三種類の移動度を有するキャリアが存在する場合の絶縁液体中の過渡空 間電荷制限伝導. Author(s). 中村, 岩美; 佐藤, 淳. Citation. 北海道教育大学紀要. 第二部. A, 数学・物理学・化学・工学編, 31(2) : 91-101. Issue Date. 1981-03. URL. http://s-ir.sap.hokkyodai.ac.jp/dspace/handle/123456789/6065. Rights. Hokkaido University of Education.

(2) . 北海道教育大学紀要 (第2部A) 第31巻 第2号 lo fHokka i i i journa do Un t i Se i IA)Vo l t ve r s t on( c onl yofEduca .31 ,2 ,No. Mar 1 ch ,198 昭和5 6年3月. 三種類の移動度を有するキャリアが存在する場合の絶. 縁液体中の過度空間電荷制限伝導. 中. 村. 岩. 美・佐. 藤. 淳*. 北海道教育大学岩見沢分校電気工学研究室 *岩手大学工学部電力工学研究室. Trans ient SCLCin lnsu1at ing Li l i ies quid by the Carriers with Three M[ t obi lwami N AKAMURA and TadashiSATO* E1 i IEng i i r t l l ect ca nee r ng Labo i do Un i i r a ry f Educa o i l l . l zawa Co ty o ege r t ve s on ,1wa , Hokka , .Wan i z . awa 068 *De ar i t i i ivers i ec r c Powe r Eng ty p tmentofE1 neer ng e Un ,lwat. Abstract Trans ientspace chargel imi ted conduct ion phenomenainduced by chargecarr ieri ion ject n into d i f l i t l t t l i a e e ect r i r s e cs ton wi l lplaneelectrode configuration were thparal p vo age app ca e. i analysed by charge layer s ion me n c ー ulat thod i i but ions tr s . lnduced currents, charge carrier d ion ofin andthe propagat iers wereobtained whenthreespeciesofchar ecarr jected carr ierso f g. di ferent mobi f l i ty werein jec tedf rom one electrode wi th variousinjection rates.. Threecurrent peaks were always obs henin ionra t erved jec tesofchargecarrier wi th . Vr. the mobi l i ty 〆A( l i i 3 mobi i fythecond t i ion t essat s i ttransitt ime rs ,”A>”B>“c)increased ,thef decreased t h d hi 13currentpeaksrose Furtherthesecond l rdincreased whi e al , esecon andthet . i ime decreased t trans tt i t andthe thi rs l i rd ones increased t current peak e the f , he f rs , whi. dec l ined ionratesofchargecarr rdonesroseasin ject i l ththemobi i ty ,thesecondandthethi erwi ”B increased.. S I. 緒. 言. これまでに絶縁物中の過渡空間電荷制限伝導(TSCLC)現象を数値解析した結果はいく つか報告. されている. 単極性の電荷注入においては Many 氏の 見事な理論解析があり( 1 2 ) ( )両極性の電荷注入 3 4 や正弦波電圧印加時においては Zahn氏が解 析を試みている( } ( ) また拡散条件を考慮に入れた 場合 . 5 6 ) ( ) しかし これらの数値解析ではいずれも試料内部には単 においては岩本, 日野氏の報告がある( 。 , 91) (.

(3) . 中村岩美・佐藤 淳. -の可動イオンが存在するという条件 が加えられている 筆者 らも種々 の条件下における TSCLC . 1 0 7 ) ~ ( )そして前報 では試料内部に二種類の可動イオ ンが存在する場合の計算結 結果を報告してきた( . 果を示したが, 本論文では同じ方法 (体積電荷を面電荷に置換して計算する) を用いて三種 類の可 動イオンが存在する 場合の TSCLC の数値解析を行っ たので報告する . 一般 的に液体の構成分子は数種の電荷担体と成り得るの で 液体中の可動イオンは-種類とは限 , らない. とくに鉱油は パラフィ ン系, オレフィ ン系, 芳香族等々 の炭化水素より構成されて おり , 電荷担体は必ずしも一種類ではなく, 複数種類あると考えなけれ ばならない また 一方の電極が , . 十分な電荷注入能力を有する平行平板電極を絶縁液体中に置き, ステッ プ電圧を印加 した場合 そ ,. の電流波形に極大現象が現 われる。 またよく知られている極性反転時に電流波形にピー ク値が発生 1 1 ( 1 2 ) ) こ れ ら の 極 大 値 付 近 は ま る み を お びて い る の が 普 通 で あ る そ し て こ の ま る み が 出 す る( て . , .. くる一つの原因として液体中のキャリア移動度にある幅が存在することが考えられる これらを考 . 慮して, 本論文では, 各種パラメータを変えた 場合の電流波形 電荷密度 電界等々の経時変化お , , よび電荷の移動状態について述べる. S2. 過度現象のモデル 1 1 0 { 3 } ) 過渡現象のモデルは前報( ,と同じなので, 異なる部分についてだけ述べることにするので, く わしくは前報を参照されたい.. t=0十 時(直流ステッ プ電圧の立上り時間)において移動度の異なる三種類の電荷が注入される. とする. 電荷注入時の注入電荷密度比 飲:G B: 化 (以下注入比という) に応じて一定の面密度の電 荷層 (〆 と表わす) が順番に注入されるとする. 例えば, 移動度が” ” A A>”B>〆c とす , “B , 〆c ( る) B と ”c の電荷層 , 電荷層の注入比が4:1: 1の場合は ”Aの電荷層が4層注入され, その後 “ が1層ずつ注入される. 以下これを繰り返す. つまり 伍~乾, 鱗~蚤o , ……は移動度が”Aの電荷層 であり, 簾, 鋲, , ……は移動度が“Bの電荷層 であり, 乾, 蚤2……は移動度が〆cの電荷層 である. そして時間tが △ t変化したときの各々 の電荷層の移動距離は次のようになる. G Bの 電 荷 層 な ら ば. △為 =〆AE曙( t )△t f △為 =“BEα( t )△t f. 叱の 電荷層 な らば. △為=“cE鱗(い△t. 娠 の 電荷層 な らば. S3. 計算結果及 び考察 1 3 - 〔F/ 0 cm〕 計算における条件は,印加電圧V=1000〔V〕 .0〔 .誘電率 e=2.0×1 .電極間距離d=1 cm〕とした. 絶縁液体の残留導電率, キャリアの拡散等は 無視している. また電圧印加時に 伴う幾何 学的静電容量を充 電する電流分は無視 して示した.. 4〔cm2 4〔cm2 /V・ /V・s 〕, “c=1.OXIO- 〕, ”B=1.5×10- /V ・s 第 1 図 は 移 動 度 〆A=2.oxlo- cm2. s〕 とし, 注入比をパラメータとした場合の電流波形である. 図によると極大現象は三つ現われ, ・は大きくなり, 第2およ び第3の電流極大 値 飲の存在率 が増加するに従って第1の電流極大値jm ・はわずかに早く な m ふ2 ,ほどではないが大きく なるのに対して, 第1の極大発 生時間t 3もJm , Jm り, 第2および第3の極大発生時間t .とは逆にかなり遅くなる. また電流初期値 3はt m 2およ びt m m ) ( 92.

(4) . キャリア移動度が三種類ある時の過渡現象. 0. 2. 4. 6. 8. 10 12 14 時間t(Sec). 16. 18. 節. 第1図 鍬 の量を変化した場合の電流波形. O 5 .. t=0 5SeC ,. ( m g \ o の b 受 2 受 )0 Q. 細梯. 躯璽. 0 l ・. 0 0 , QO. Q05 注入電極からの距離X(Cm). 第2図 空間電荷密度の発達状態 ( a ) t=0 5Sec .. ( ) 9 3. I 0 ..

(5) . 中村岩美・佐藤 淳. 0 0 .. 0 1 ,. 0 5 . 注入電極からの距離 x(cm). ( め EQ \ Q ( T o r x ) Q 蝕榔 樽 鱈. t=6 .OSeC. 第2図 空間電荷密度 の発達状態. 化. 注入電極からの距離. (0 き m E . Q \ Q ^ T o r x). 1 o ,. 0 5 .. 0 0 ・. c ) t=6.osec (. X(Cm). t=loseC. ○ 2 . 堕梯 輝鰹. l 0 .. 第2図 空間電荷密度 の発達状態 O 0 ・. o o ,. 1 ○ .. o 5 . 注入電極からの距離 X(cm). ( 9 4 ). d ) t=loseC (.

(6) . キャリア移動度が三種類ある時の過渡現象. 鱒 90 1. 0 0 . 0 0 ,. 0 5 ,. 1 0 ,. 注入電極からの距離 X(cm). 0 5 .. 第3図. 第2図 空間電荷密度の発達状態. 0 1 ,. 注入電極からの距離 X(cm) キ ャ リアの移動状態. ( e ) t=18sec. J 。 , 定常電流値J仰も 娠 の存在率が増加するに従って大きくなる. 第2図は第1図におけ る注入比 が1:1:1のときの空間電荷の発達状態を示 したもの である.( a )は電荷を注入してから t =0.5. b 〔 〕 後の電荷密 度分布 であり, 同様に( )はt=4,0〔 e c s 〕 後で移動度 魚の電荷層が集電極に到 s ec 達する直前である. 尚 p の電荷層の波頭が集電極に到達する時刻 に第1の電流極大が発生する.( c ) A t ( d =6 および )はt .0〔sec〕, =1 0 〕 後で移動度”Bおよび“cの電荷層が集電極に到達す る直 s e c .0〔 前である.尚, この場合もp および の電荷層の波頭が集電極に到達す る時刻に第2および第3の p B c 電流極大が発生する。( )はt=18〔 e 〕後で三種類の電荷層の波頭が全部集電極に到達してしま い, s e c ほぼ定常状態に近くなったときの電荷密度分布 である. これらの図によると電荷層は最初注入電極 側に集中しているが, クーロン力によっ て反発し, 除々に集電極に向っている そして どの移動 , . 度の電荷層も電圧印加時の立ち上り時間 t=0十 に注入さ れた電荷層とそれ以後に注入された電荷. 層の間には一つの区切りができ, 別々の群をなして集電極に向っていくことがわかる また各々 の . 電荷層は移動度の大きい順に集電極に到達するため, 定常状態 では電極間の電荷密度分布は p A<. PB<Pc と な る.. 第3図か ら第5図は第2図と同 じ条件,すなわち 注入比が 1:1:1, 移 動 度〆A=20×104 . .. - 2 4〔cm2 /V・s 〔 〕 〕,〆c=1.OXIO- cm2 /V・s 〕と し て 計 算 した も の であ る. 第 3 ,“B=1.5×10 cm /V・s. 図は各電荷層の移動状態を示 したものであり,実線は“Aの電荷層,点線は“Bの電荷層 一点砂線は , ” 。の電荷層を示している.図中の番号は計算上つけたものであり,注入される電荷層の順番を示して おり, 1は各々の電荷層の波頭を意味す る. 各電荷層ともt=0十 時にはそれぞれ6 0層づ つ交互に 注入してある. しかし瞬時のうちに “ の電荷層は の電荷層を追い越し ” A B c cの ,” , “Bの電荷層は ” 電荷層を追い越してしまう. 図にはt=0十以後に注入された電荷層のうち ” Aの電荷層だけを示し たが, これで移動度の大きい電荷層は移動度の小さい電荷層を追い越していく のがよくわかる ま . ) ( 95.

(7) . 中村岩美・佐藤 淳. 4 )の電流波形における三つの極大現象が発生し た, 各々の波頭が集 電極に到達する時間は第1図の( ている時刻に 一致している. 第4図は電界の経時変化を示したものである. t =1,2〔sec〕の 曲 線 は 電荷を注入して間もない時間における電界である. t =4,6,10 〔sec〕 の 曲 線 は, そ れ ぞれ “A , , ”B 電界を示して t= 〕の曲線はそれ以後の 1 8 〔 s e c 電極に到達する直前の電界である の電荷層が集 ” c .. おり, 定常状態に近い電界である. 電界は空間電荷の影響により, 図のようにひずん でしまう. t = e 〕 以前では電界のひずみが s ec 10〔 〕 以前においては電界分布が階段のように段ができ, t=4 〔 s c ニ つの部分, t = 6 〔sec〕 では 二 つ の 部分, t =10〔sec〕 では 一 つ の 部分 に分かれる. これは t = 0十 時に注入された各々の 電荷層が移動度の差により別々の群 をなしているために 生ずる. また注. 入時の電荷層が全部集 電極に到着し, 定常状態に近くなるとこれらのひずみは消え, 空間電荷によ るひずみだけが残る.第5図は電位の経時変化を示している.一点砂線で示したのがt=0十 時の分 布であり, 電位は時間の経過とともに 空間電荷の影響により注入電極側からふくらみを生じ, その ふく らみは集電極に 向っ て進んでいく. また電流波形に第1の極大が発生する時間に集電極近傍の 電位傾度も極大を示している. 4〔cm2 4〔cm2 〕, 〆c=1.0×10- /V .s 〕 - /V・s /V・s 〕, ”B=1.5×10- 第 6 図 は “A=2.0×10- cm2. 定とし, 注入比における 鴎 の存在率を変化させた時の電流波形である. 第1図では 欲 の存在率を 変化させたが, 実際には, どの移動度の 電荷層が一番多いかは不明であり, また絶縁液体の種類に もよるものと考えられる. そこで 範 の存在率を変化されることも妥当と 思われる. この場合もやは. り極大現象は三つ現われ, 注入比が1:2:1よりも 範 の量が少ないときは第1の極大値Jm ,は第 2の極大値jm Bの量を増し, 注入比が1:4:1よりも 範 の量が多く なる 2よりも大きくなるが, O b )図のよう と Jm, は jm 2よりも小さくなる. さらに注入比が1:6:1よりも 範 の量を多くすると( C 4S E. 15節. ( 巨. ( E o \ >). 2SE C. 〉. . . E C 1OS 18SE C 6SEC. 1500. 山 峠 磨. 500. 0 0 ,. o 0 .. o 1 0 5 . . 注入電極からの距離 X(cm). ( a ) t=1, 2, 4, sec. o , .. 0 5 . 注入電極からの距離. X(cm). b ( ) t= 6, 10 , 18sec. 第4図. 電界の経 時変化. ( ) 96.

(8) . キャリア移動度が三種類ある時の過渡現象. に電流波形はわずかに変化するだけで, ほぼ同一の波形となり, やがて 範 だけの電流波形に近づ い ていく. 第3の極大値jm 3は 範の量を増してもわずかしか大きくならず, ほぼ一定の値を示し, 曲 線もゆるやかになっ てくる. 第7図は第6図と同じ条件 で, O B/欲=6 B/靴 を横軸にとり, それぞれ のJmがどのように変化するかを示したもの である. d B/鰍 の量を多くするとJm .は減少し, Jm 2 3 ,jm は増加し, いずれも飽和曲線となる. また変化量 ではJm が大きく変化するのに対し てJ j は 2 ,, m m 3 それほど変化しない. 4〔cm2 第 8 図 は “B=1.5×10- /V ・s 〕一 定 と し,〆A )は a , ”cを 変化 さ せ た と き の 電 流波 形 であ る. (. b )は注入比を1:8:1としてある. 各電荷層間の移動度の差を小さくすれ 注入比を1:4:1,( 4〔cm2 ば, Jm とJm /Vos 〕, 〆c=1.49×10- cm2 /V ・s 〕の と き は, 2 は 非 常 に 接 近 し, 〆A=1.5×10-. 二つの極大値というよりは二つの極大値が連なって 一つの極大値のように見える そして これが . , 極大現象付近 でまるみをおびている実験結果の要因ではないかと考えら れる。 J 3は移動度の差 を m 小さくしていくとだんだん弱ま り, なめらかな曲線を描く ようになる.. OSE C ISEC 2SE C 4SEC. 0 0 ,. 0.5. 注入電極 からの距離. X(Cm). 第5図 電位の経時変化. ( 9 ) 7. 1 0 ,.

(9) . 中村岩美・佐藤 淳. ごo 3 . . 骸司 ① 頃 : oB : 叱 ; 1:4:1 Dx,請c孟 践.2. 0 o ‐ o. を. 馬; , sx,が. ②. ルc;のxlが. ③. ; ▲ 名. 吉. 1:2 コ. ・. 海. 1:1 ゴ. 了 2. 時間 t(Se c). ▲〒 す 4 6. 旨 ・. き る. 第6図 晦 の量を変化した場合の電流波形 a ( ) o B/飯 ≦4. ( N EQ 声 ね × Q2 5. . o,・ 頃 ;垢 :年 コ1,l. ①. 鯉 Q2. ②. ク. ー :8:1. ③. o. ニ1:6:I. ox・ザ メ 氏司 賎;2. { “Bニー 5×1。 . 4 ぴ 比・1 ox, .. 1 Q 5. 0 l . 0 oヒ , 0. ・ 2. ・ 4. 6. t 8. ▲ 10. 1 2. . 1 4. 1・ 1 6. 時間t(Sec). 第6図 範の量を変化した場合の電流波形 ( b ) o B/欲 ≧6. ) ( 9 8. 1 18. , 20.

(10) . キャリア移動度が三種類ある時の過渡現象. か2. 0 o ‐ 。. L ▲ 高 4 . 窒. ▲ . 書. 第7図 範 の量を変化した場合の電流極大値. 0 4 ,. E. ≦o弱. 受o 3 ‐. 壕,堵:年=1:4J 025. [x ,ザ ① 触・1 1,寿 I 5 5o , 勝 博9. ② ⑧. 2 0 .. ④. 琶 = ;. 鴇 , 、 1. ー ,鮎, 1 70, ,. ⑥. 伽免s ー. 夕,. み,. ‘蕊. 1 ,濁. ○ 15 .. 2. 4. 6. 8. 4 0 1 1 12 時間 t(Sec). 16. 第8図 移動度を変化した場合の電流波形 ( a ) 娠:oB: 乾 = 1 : 4 : 1. ) ( 9 9. 1 8. 20.

(11) . 中村岩美・佐藤 淳. き ×. =1:8:1. B: 化 欲 :O 〕 s ・A9 巨1船みぃ 50, 比; 151, 馬・1 . ①i A・ 1 ,弱 , 1 60, . 1 65, ・ 17o′. ② ③ ④ ⑤. 噂. を. な. き. み ,. ″. ,. キ ・ ケ .. t 蝋tぞ e cr. 8 1. 45 1 , 40 1 . 1 35 . 1 30 ,. 旧 8. 0 2. 第8図 移動度を変化した場合の電流波形 ( b ) 娠:oB r 叱 ニ 1 : 8 : I. S4.. まとめ. 絶縁液体中の電荷担体は複数種類あるものと考えられる. それで今回は三種類のキャ ルアが存在 する場合の過渡電気伝導現象の数値解析を行っ た。 本研究により解明できた部分 を述べると次のよ. うになる. 1. 極大現象は三つ現われ, 第1の極大は “Aの電荷層が集電極に到達したときに発生し, 第2およ び第3の極大は同様に ”Bおよび“ c の電荷層が集電極に到達したときに発生する.. 2. 注 入 比 欲 :6 B: 後 における 鰍の存在率を大きくしていくとそれぞれの電流極大値は大きくな る の に 対 して, 極 大 発 生 時 間 に お い て は tm , が わ ず か に 早く な り, tm 2 3 は か な り 遅く な る. , tm. 3. 注 入 比 娠 :G B: 靴 における 範 の存在率を大きく していく とJm ・は小さく なりJm 2とJ 3は大 m きく な る. 特 に Jm2は 大 きく な る の に 対 して, tm , 3 は 遅 く な り, tm 2 は 早く な る. , tm - 4 2V 4. 各 電 荷 層 の 移 動 度 の 差 を 小 さく し て いく とjm 常 近 し と J は 非 に 接 , 2 m ,〆A=1.51×10 〔cm / ・ , 4〔 4 2 - 〕, 〆B=1.50×10- /V・s 〕 〕 の と き は 三 つ と いう よ り は 一 つ の s cm2 , “c=1.51×10 〔cm /V・s. 極大のように見える. また第3の極大は徐々にゆるやかな曲線をえがき弱まってくる. 5. 移動度 “Aの電荷層は移動度 “ Bおのび”cの電荷層を追い越し, また ”Bの電荷層は 〆 cの電荷層. を追い越して集電極に進んでいく. 6. t=0十時に注入さ れた電荷層はt=0十以後に注入さ れた電荷層と別の群をな し集電極に向っ て 進 ん でいく.. 7. t=0十時に注入された電荷層が電極間に存在している時には電荷層が群をなして進むために電 界のひずみは段ができたようになる. ) ( 00 1.

(12) . キャリア移動度が三種類ある時の過渡現象. 尚, 本研究を進めるにあたり, 本学学生の長島雅宏君に協力いただいたことに感謝 します 又 。 , 計算には北大大型計算機センターを利用しました .. S5.. 文. 献. I ( 1 ) Many , 尺eり .126 ,他 : P勿s , VO ,ppl980 ,1962 I ( 2 ) Many . 尺eり , VO .126 , 他:P勿s ,ppl989 ,1962 i f i I ( 3 ) Zahn:ZEEE T知れsαc o” o” EZ沈 溺cd i”s”如Z o” .E1一11 .4 , VO ,No ,Decembe 1976 V 1 E 1 2 N 4 A i 1 ( 4 ) Zahn:ヱEEE rm”sαc#o” 0れ EZに云“cαZz”s”如”oれ -1 O O , . , ., pr ,1977. ( 5 ) ( 6 ) ( 7 ) ( 8 ) ( 9 ) ( 1 0 ) ( 1 1 ) ( 1 2 ) ( 1 3 ). 岩本, 岩本, 佐藤, 佐藤, 中村, 中村,. 日野:電気学会雑論文誌A, 1 0 0 1 5年5月 , 29 , 昭和5 日野:電気学会雑論文誌A, 1 2 昭和5 5年5月 0 0 9 9 , , 兼平:昭和4 8年電気関係学会東北支部大, IC-1 0 他:絶縁材料研究会資料,IM-7 4-2 8 9年5月 , 昭和4 他:昭和5 3年電気関係学会東北支部大, 2E -14 佐藤:北海道教育大学紀要第二部低 ) 5年1 0月 , 昭和5 1 昭和3 中島= 電気試験所業報, 24 8 0 5年 , , 家田, 篠原:電気学会雑誌, 7 9 3 4年7月 , 84 , 昭和3 中村:北海道教育大学紀要第二部@ ) 昭和5 4年9月 ,. ( ) 1 01.

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