Електричний пробій

Процес руйнування діелектрика, який настає в ході ударної іонізації електронами внаслідок розриву міжатомних, міжмолекулярних або межіонних зв’язків, називається електричним пробоєм. Тривалість електричного пробою по часу лежить в діапазоні від одиниць наносекунд до десятків мікросекунд.

Залежно від обставин виникнення, електричний пробій може бути шкідливим чи корисним. Приклад корисного електричного пробою – розряд на свічці запалювання в робочій зоні циліндра двигуна внутрішнього згоряння. Приклад шкідливого пробою – пробій ізолятора на ЛЕП.

У момент електричного пробою, коли прикладено напругу вище критичного (вище напруги пробою), в твердому, рідкому або газоподібному діелектрику (або напівпровіднику) струм різко зростає. Дане явище може тривати протягом крихітного проміжку часу (наносекунди) або встановитися на тривалий час, подібно до того, як починає і продовжує горіти дуга в газі.

Напруженість електричного пробою Епр (електрична міцність) того чи іншого діелектрика залежить від внутрішньої структури діелектрика, і майже не залежить ні від температури, ні від розмірів зразка, ні від частоти прикладеної напруги. Так, у повітря електрична міцність в нормальних умовах становить близько 30кВ / мм, у твердих діелектриків даний параметр лежить в діапазоні від 100 до 1000 кВ / мм, тоді як у рідких він виявиться всього близько 100 кВ / мм.

Чим менш щільно розташовуються структурні елементи (молекули, іони, макромолекули і так далі), тим нижче стає напруженість пробою розглянутого діелектрика, бо довжина вільного пробігу електронів стає більше, тобто електрони набувають достатню енергію для іонізації атомів або молекул навіть при меншій напруженості прикладених електричних полів.

Неоднорідність утворюється в діелектрику електричного поля, пов’язана з неоднорідністю внутрішньої структури твердого діелектрика, сильно впливає на електричну міцність такого діелектрика. Якщо в однорідне по напруженості електричне поле внести діелектрик, структура якого неоднорідна, то всередині діелектрика електричне поле буде неоднорідним.

Мікротріщини, пори, сторонні включення, що мають величину напруженості пробою меншу, ніж сам діелектрик, породять неоднорідності в картині напруженості електричного поля всередині діелектрика, а значить локальні ділянки всередині діелектрика матимуть більшу напруженість і може наступити пробій при напрузі більш низькому, ніж можна було б очікувати, будь діелектрик ідеально однорідним.

Такі представники пористих діелектриків, як картон, папір або лакоткань, відрізняються особливо низькими показниками напруги пробою, адже електричне поле, утворене всередині їх обсягу, різко неоднорідне, а значить напруженість на локальних ділянках буде вище і пробою трапиться при більш низькій напрузі. Так чи інакше, в твердих тілах електричний пробій може протікати за трьома механізмам, про які зазначимо далі.

Перший механізм електричного пробою твердого тіла – це той самий внутрішній пробій, який пов’язаний з придбанням носієм заряду на довжині вільного пробігу енергії, достатньої для іонізації молекул газу або кристалічної решітки, що збільшує концентрацію носіїв заряду. Тут вільні носії заряду утворюються лавиноподібно, отже струм збільшується.

Пробій, що протікає в діелектрику з даного механізму може бути об’ємним або поверхневим. Для напівпровідників поверхневий пробій може бути пов’язаний з так званим шнуровим ефектом.

Коли кристалічна решітка напівпровідника або діелектрика розігрівається, то може мати місце другий механізм електричного пробою – тепловий пробій. З ростом температури вільним носіям заряду стає легше іонізувати атоми решітки, з цієї причини пробивна напруга знижується. І не так важливо, чи відбувся розігрів від дії на діелектрик змінного електричного поля або ж просто від теплопередачі ззовні.

Третій механізм електричного пробою твердого тіла – розрядний пробою, причиною якого стає іонізація адсорбованих в пористому матеріалі газів. Прикладом такого матеріалу є слюда. Гази, замкнені в порах речовини, іонізуються в першу чергу, наступають розряди в газі, які і призводять потім до руйнування поверхні пір основного речовини.

Посилання на основну публікацію