С явлением электрического пробоя тесно связана такая характеристика как электрическая (или диэлектрическая) прочность. Для твердых и жидких диэлектриков, а также для газов, электрическая прочность в заранее определенных условиях является величиной постоянной и выражается в В/см (вольт на сантиметр).

Она обозначает величину минимальной (критической) напряженности электрического поля в веществе, при которой наступает электрический пробой. Для твердых диэлектриков, таких как кварц или слюда, электрическая прочность лежит в диапазоне от 10 6 до 10 7 В/см, для жидких диэлектриков (таких как трансформаторное масло) — достигает 10 6 В/см.

Если напряженность электрического поля в диэлектрике вдруг начинает превышать его электрическую прочность, то после пробоя диэлектрик начинает проводить электрический ток. Это связано с явлениями ударной ионизации и туннелирования, причем роли каждого из этих двух явлений для разных конкретных диэлектриков различны. В условиях пробоя электропроводность диэлектрика возрастает скачком, а сам диэлектрик зачастую испытывает при этом перегрев и разрушается.

Электрический пробой вакуума

Суть происходящего заключается в том, что при некотором минимальной напряжении, на микроостриях катода (отрицательного электрода) сначала начинается автоэлектронная эмиссия, формирующая слабые предпробойные токи.

Когда же напряжение возрастает, между электродами формируется искровой разряд, который в принципе способен превратиться в дугу в парах металла, из которого изготовлены электроды. Есть две теории, описывающие данный процесс.

Согласно одной — электронно-лучевой теории — электроны, образовавшиеся в результате автоэлектронной эмиссии на катоде, будучи ускорены электрическим полем в промежутке, врезаются в анод, вызывая его локальный разогрев. Выделяются газы и пары металлов, атомы которых тут же ионизируются ускоренными электронами, в результате формируется электронная лавина.

Положительно заряженные ионы, получившиеся в результате такой ионизации, направляются к катоду, формируя возле него пространственный заряд, локально увеличивающий электрическую напряженность возле катода, что способствует усилению автоэлектронной эмиссии.

Вместе с этим начинается ионно-электронная эмиссия и катодное распыление. Концентрация паров металлов и газов в промежутке возрастает, вследствие чего развиваются искровой и дуговой разряды.

Согласно другой теории, ток автоэлектронной эмиссии разогревает катод, и при плотностях тока около 10 8 А/кв.м, на катоде происходит микровзрыв, приводящий к образованию паров металла, в которых и формируется дуговой разряд.

Электрический пробой газа

В газах электрический пробой напрямую связан с электрическим током и процессом ионизации. В результате столкновений электронов, ускоренных электрическим полем, с атомами и молекулами газа, начинается лавинообразное размножение заряженных частиц с образованием новых электронов, которые также ускоряются и усиливают ионизацию, формируя самостоятельный разряд.

Если для поддержания разряда в газе требуется дополнительная ионизация, например, внешним ионизирующим излучением, то такой разряд называется несамостоятельным. Обычно для поддержания разряда в газе применяют постоянное или переменное электрическое поле. В процессе разряда в газе, движущиеся ионы увлекают за собой молекулы газа, это называют электрическим ветром.

Молния как электрический пробой газа

Так называемый «пробой на убегающих электронах» впервые в 1992 году рассмотрел российский физик-теоретик Александр Викторович Гуревич. Данный вид пробоя в газе, как полагают, является начальной фазой формирования природной молнии.

Электрическое поле в атмосфере способно ускорить быстрые электроны до энергий, сильно превышающих энергию обычных, изначально покоившихся электронов. При столкновении ускоренных электронов с молекулами воздуха, высвобождаются «убегающие» релятивистские электроны, формирующие электронные лавины.

Таким образом происходит пробой воздуха при атмосферном давлении, причем напряжение пробоя оказывается сильно меньше, чем при пробое воздуха (тоже при атмосферном давлении) в лабораторных условиях. Здесь критический уровень равен около 2,16 кВ/см, тогда как без «убегающих» электронов потребовалось бы 23 кВ/см.

Источником, отвечающим за образование быстрых электронов в атмосфере, изначально являются космические лучи, ионизирующие молекулы воздуха в верхних слоях атмосферы, высвобождающие таким образом релятивистские электроны, которые и рассматриваются как «быстрые».

Тепловой пробой полупроводников и диэлектриков

При чрезмерном разогреве кристаллической решетки полупроводника или диэлектрика может случиться его тепловой пробой. Суть в том, что с ростом температуры вещества, свободные электроны в нем приобретают энергию, близкую к той, которой достаточно для ионизации атомов кристаллической решетки. В связи с этим пробивное (критическое) напряжение данного вещества снижается.

Так, в результате передачи тепла к полупроводнику извне, либо вследствие протекания по нему тока, или из-за протекания переменного тока внутри диэлектрика (тепло диэлектрических потерь), в условиях когда тепло не успевает уходить в окружающую среду, может произойти термическое разрушение образца.

Для полупроводникового p-n-перехода тепловой пробой является необратимым, и, как правило, является следствием превышения обратного напряжения, которое из-за разогрева полупроводника уменьшилось. Именно таким путем часто вызывается выход из строя полупроводниковых приборов.

Лавинный пробой в диэлектриках и полупроводниках

Под действием сравнительно сильного электрического поля внутри диэлектрика или полупроводника, носители заряда в нем способны уже на расстоянии длины свободного пробега разогнаться до такой степени, что приобретают кинетическую энергию достаточную для того чтобы произвести ударную ионизацию атомов или молекул.

В итоге, от столкновений с атомами или молекулами таких ускоренных носителей заряда, внутри вещества образуются пары противоположно заряженных частиц, которые также начинают разгонятся электрическим полем и тоже производят ударную ионизацию. При этом число участвующих в ударной ионизации заряженных частиц нарастает лавинообразно.

Туннельный пробой и эффект Зенера

Туннельный эффект, проявляющийся как квантовомеханическое явление просачивания электронов через тонкий потенциальный (энергетический) барьер, способен вызвать явление резкого нарастания тока через обратносмещенный p-n-переход — туннельный пробой.

Суть эффекта состоит в том, что когда p-n-переход находится в обратносмещенном состоянии, энергетические зоны — зона проводимости и валентная зона — перекрываются. В данных условиях электроны имеют возможность переходить из валентной зоны p-области — в зону проводимости n-области.

Электрическое поле, приложенное к обедненному слою полупроводника, вызывает в нем туннелирование электронов из валентной зоны — в зону проводимости, что и выражается как резкое нарастание обратного тока через p-n-переход. Если данный ток как-то ограничен, то пробой обратим и p-n-переход не разрушается (а при лавинном пробое — разрушается).

В сильнолегированных p-n-переходах туннельный эффект наблюдается уже при напряжении менее 5 вольт, пробой является обратимым и относится к чистому эффекту Зенера (применяется в стабилитронах — диодах Зенера).

Источник

Электрический пробой

Процесс разрушения диэлектрика, наступающий в ходе ударной ионизации электронами вследствие разрыва межатомных, межмолекулярных или межионных связей, называется электрическим пробоем. Продолжительность электрического пробоя по времени лежит в диапазоне от единиц наносекунд до десятков микросекунд.

В зависимости от обстоятельств возникновения, электрический пробой может быть вредным или полезным. Пример полезного электрического пробоя — разряд на свече зажигания в рабочей зоне цилиндра двигателя внутреннего сгорания. Пример вредного пробоя — пробой изолятора на ЛЭП.

В момент электрического пробоя, когда приложено напряжение выше критического (выше напряжения пробоя), в твердом, жидком или газообразном диэлектрике (или полупроводнике) ток резко возрастает. Данное явление может длиться в течение крохотного промежутка времени (наносекунды) или установиться на длительное время, подобно тому, как начинает и продолжает гореть дуга в газе.

Напряженность электрического пробоя Епр (электрическая прочность) того или иного диэлектрика зависит от внутренней структуры диэлектрика, и почти не зависит ни от температуры, ни от размеров образца, ни от частоты приложенного напряжения. Так, у воздуха электрическая прочность в нормальных условиях составляет около 30кВ/мм, у твердых диэлектриков данный параметр лежит в диапазоне от 100 до 1000 кВ/мм, тогда как у жидких он окажется всего порядка 100 кВ/мм.

Чем менее плотно располагаются структурные элементы (молекулы, ионы, макромолекулы и так далее), тем ниже становится напряженность пробоя рассматриваемого диэлектрика, ибо длина свободного пробега электронов становится больше, то есть электроны приобретают достаточную энергию для ионизации атомов или молекул даже при меньшей напряженности приложенных электрических полей.

Неоднородность образующегося в диэлектрике электрического поля, связанная с неоднородностью внутренней структуры твердого диэлектрика, сильно влияет на электрическую прочность такого диэлектрика. Если в однородное по напряженности электрическое поле внести диэлектрик, структура которого неоднородна, то внутри диэлектрика электрическое поле будет неоднородным.

Микротрещины, поры, посторонние включения, имеющие величину напряженности пробоя меньшую, чем сам диэлектрик, породят неоднородности в картине напряженности электрического поля внутри диэлектрика, а значит локальные участки внутри диэлектрика будут иметь большую напряженность и может наступить пробой при напряжении более низком, чем можно было бы ожидать, будь диэлектрик идеально однородным.

Такие представители пористых диэлектриков, как картон, бумага или лакоткань, отличаются особенно низкими показателями напряжения пробоя, ведь электрическое поле, образуемое внутри их объема, резко неоднородно, а значит напряженность на локальных участках будет выше и пробой случится при более низком напряжении. Так или иначе, в твердых телах электрический пробой может протекать по трем механизмам, о которых скажем далее.

Первый механизм электрического пробоя твердого тела — это тот самый внутренний пробой, который связан с приобретением носителем заряда на длине свободного пробега энергии, достаточной для ионизации молекул газа или кристаллической решетки, что увеличивает концентрацию носителей заряда. Здесь свободные носители заряда образуются лавинообразно, следовательно ток увеличивается.

Пробой, протекающий в диэлектрике по данному механизму может быть объемным или поверхностным. Для полупроводников поверхностный пробой может быть сопряжен с так называемым шнуровым эффектом.

Когда кристаллическая решетка полупроводника или диэлектрика разогревается, то может иметь место второй механизм электрического пробоя — тепловой пробой. С ростом температуры свободным носителям заряда становится легче ионизировать атомы решетки, по этой причине пробивное напряжение снижается. И не так важно, произошел ли разогрев от действия на диэлектрик переменного электрического поля или же просто от теплопередачи извне.

Третий механизм электрического пробоя твердого тела — разрядный пробой, причиной которого становится ионизация адсорбированных в пористом материале газов. Примером такого материала являются слюда. Газы, запертые в порах вещества, ионизируются в первую очередь, наступают разряды в газе, которые и приводят затем к разрушению поверхности пор основного вещества.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Источник

Что такое напряжение пробоя

Пробой диэлектрика – это потеря изоляционных свойств материала при его нахождении в электрическом поле. В диэлектрике образуется канал проводимости. При пробое газообразного или жидкого диэлектрика в результате подвижности молекул после снятия напряжения «пробитый» участок восстанавливает свои первоначальные свойства.

Электрическая прочность – это минимальная напряженность однородного электрического поля, при которой происходит пробой диэлектрика.

Близкое к однородному поле можно получить на электродах в виде дисков с закругленными краями или в виде шаров при малом расстоянии между ними. При использовании листовых образцов и плоских электродов однородное поле получается лишь в средней части образца между электродами, у краев поле искажается.

Минимальное напряжение U_пр, приложенное к диэлектрику, и приводящее к образованию в нем проводящего канала, называется пробивным напряжением.

Полный пробой — канал проводимости проходит через всю толщу диэлектрика от одного электрода к другому

Неполный пробой (например, коронный разряд) — канал проводимости не достигает одного из электродов и

Частичный пробой происходит только в газовых или жидкостных включениях (порах) твердой изоляции.

Поверхностный пробой происходит по границе раздела фаз при совместном использовании диэлектриков, находящихся в различных агрегатных состояниях.

На электрическую прочность диэлектриков значительное влияние оказывает неоднородность образующегося в них электрического поля, которая, в свою очередь, зависит от степени неоднородности строения самого твердого диэлектрика.

Е _пр воздуха около 3 МВ/м, наибольших значений Е_пр при электрическом пробое у твердых диэлектриков достигает 10 2 – 10 3 МВ/м, у тщательно очищенных жидких диэлектриков Е_пр составляет примерно 10 2 МВ/м.

При T> T ₃ для U ₁ и при T> T ₂ для U ₂ нарушается тепловое равновесие, происходит прогрессирующий разогрев материала и пробой диэлектрика.

Пробивное напряжение при тепловом пробое:

Е _пр при тепловом пробое уменьшается при увеличении температуры, времени выдержки образца под напряжением и толщины диэлектрика из-за ухудшения теплоотвода от внутренних слоев.

1) Постоянное напряжение или низкие частоты: электрохимическое старение, приводящее к уменьшению электрического сопротивления.

2) На высоких частотах может происходить ионизация газа в закрытых порах, вызывающая тепловой эффект и восстановление (в керамике) окислов металлов переменной валентности. Электрохимический пробой также может наблюдаться во многих органических диэлектриках.

На электрохимический пробой сильно влияют электроды материалов (серебро способное диффундировать в керамику облегчает пробой, в отличие от золота).

Пробой газообразных диэлектриков

В газообразных диэлектриках есть некоторое количество свободных ионов и электронов, которые под действием электрического поля начинают перемещаться к аноду. Электрон при соударении с молекулой передает ей часть своей энергии, после этого возможны два варианта событий:

1) молекула ионизируется, испуская электрон, и таким образом, двигаются два электрона, которые могут ионизировать две другие молекулы и теперь уже движутся четыре свободных электрона, которые могут ионизировать следующие четыре молекулы – в результате наблюдается ударная ионизация приводящая к возникновению электронной лавины;

2) молекула переходит в возбужденное состояние и отдает избыточную энергию в форме излучения – фотона, который может ионизировать другую молекулу, таким образом, происходит фотонная ионизация.

Фотоны, двигаясь со скоростью света, опережают электронные лавины и «столкнувшись» с нейтральными молекулами, ионизируют их, давая начало новым электронным («дочерним») лавинам.

Основная и дочерние лавины, двигаясь к аноду, растут, догоняют друг друга, сливаются и образуют электроотрицательный стример — цепочку электронных лавин,. Также образуется поток из положительных ионов (электроположительный стример), который двигается в обратном направлении. Подходя к катоду, положительные ионы, ударяясь о его поверхность, образуют светящееся катодное пятно, излучающее «вторичные» электроны. Положительный стример, заполняясь вторичными электронами и электронами, образующимися в результате электронной ударной ионизации и фотоионизации, превращается в сквозной канал газоразрядной плазмы, по которому устремляется ток короткого замыкания Iкз.

Образование плазменного газоразрядного канала фактически и есть электрический пробой газов. Возникновение Iкз — следствие пробоя.

Рис. 5.2. Зависимость пробивного напряжения U _{пр.макс} воздуха (1) и неона (2) от от произведения давления газа Р на расстояние между электродами h

Пробой жидких диэлектриков

Электрическая форма пробоя наблюдается в тщательно очищенных жидких диэлектриках и связывается с инжекцией электронов с катода.

В технически чистых жидких диэлектриках пробой носит тепловой характер. Энергия, выделяющаяся в ионизирующихся пузырьках газа, приводит к перегреву жидкости, что может послужить причиной закипания капелек влаги (локальный перегрев) и возникновению газового канала между электродами.

Сажа и обрывки волокон в жидкости приводят к искажению электрического поля в жидкости, понижая электрическую прочность жидкого диэлектрика.

На высоких частотах происходит разогрев жидкости за счет релаксационных потерь и наблюдается термическое разрушение жидкости.

Пробой твердых диэлектриков

В твердых диэлектриках может происходить электрический, тепловой или электрохимический пробой.

Ионизационный пробой наблюдается в полимерных диэлектриках, содержащих газовые поры, в которых развиваются процессы ионизации. В результате электронно-ионной бомбардировки стенок пор и действии оксидов азота и озона полимер изменяет химический состав и механически разрушается.

Электромеханический пробой характерен для хрупких диэлектриков и пористых керамик. Он возникает в результате механического разрушения из-за развития микротрещин под действием разрядов в газовых включениях, которые образуют перегретые области диэлектрика.

Электротермический пробой – механическое разрушение полимера при высоком напряжении в результате того, что полимер находится в высокоэластичном состоянии. Причиной является уменьшение толщины диэлектрика из-за электростатического притяжения электродов под действием высокого напряжения.

Электрическая прочность очень тонких неоднородных образцов диэлектриков снижается с увеличением площади электродов, так как возрастает вероятность попадания под них слабых (дефектных) мест.

С увеличением числа слоев тонкой изоляции Е_пр вначале повышается до определенного числа слоев (слабые места перекрываются здоровыми), а затем снижается, из-за увеличения неоднородности диэлектрика (больше воздуха между листами бумаги) и увеличения неоднородности поля на краях электрода (рисунок 5.3).

Риc. 5.3. Зависимость E_пр тонкослойной изоляции от числа слоев (схематически)

Вопросы для самопроверки

Вопрос. Что называется электрической прочностью?

Ответ. Электрической прочностью называют минимальную напряженность электрического поля при пробое изоляции в однородном электрическом поле.

Вопрос. В чем состоит явление электрического пробоя?

Ответ. Электрический пробой – разрушение диэлектрика, обусловленное ударной ионизацией электронами из-за разрыва связей между атомами, ионами или молекулами.

Вопрос. От чего зависит главным образом электрическая прочность при электрической форме пробоя?

Ответ. Электрическая прочность при электрическом пробое зависит главным образом от внутреннего строения диэлектрика.

Вопрос. При каких условиях возможен электротепловой (тепловой) пробой?

Ответ. Электротепловой (тепловой) пробой возможен, когда выделяющееся в диэлектрике за счет электропроводности или диэлектрических потерь тепло (тепловыделение) становится больше отводимой теплоты.

Вопрос. Время протекания теплового пробоя.

Вопрос. Какие факторы обуславливают снижение электрической прочности при тепловой форме пробоя?

Ответ. Электрическая прочность при тепловом пробое уменьшается: при увеличении температуры; при увеличении времени выдержки образца под напряжением; при увеличении толщины диэлектрика из-за ухудшения теплоотвода от внутренних слоев.

Вопрос. Чем обусловлен электрохимический пробой?

Ответ. Вызывается изменением химического состава и структуры диэлектрика в результате электрического старения.

Вопрос. В чем различие между полным, неполным и частичным пробоем?

Ответ. Полный пробой — канал проводимости проходит через всю толщу диэлектрика от одного электрода к другому. Неполный пробой — канал проводимости не достигает одного из электродов. Частичный пробой происходит только в газовых или жидкостных включениях (порах) твердой изоляции.

Вопрос. Какие виды пробоя возможны в твердых диэлектриках?

Ответ. В твердых диэлектриках, наряду с электрическим, тепловым и электрохимическим пробоем возможны также ионизационный, электромеханический и электротермический механизм пробоя.

Источник