Что такое пробой диэлектрика кратко
Обновлено: 03.07.2024
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!
резкое уменьшение электрического сопротивления (увеличение плотности тока j) диэлектрика (См. Диэлектрики), наступающее при достижении определённой величины напряжённости приложенного электрического поля Епр. Значения Епр обычно Пробой диэлектриков 10 5 -10 6 в/см. П. д. связан с образованием в диэлектрическом кристалле проводящего канала, в котором плотность тока существенно больше, чем средняя по образцу. Так как протекание по каналу тока большой плотности из-за выделения джоулева тепла ведёт к разрушению материала (проплавлению, появлению воздушного канала в результате испарения, массовому образованию дефектов в кристаллах (См. Дефекты в кристаллах), раскалыванию образца), П. д. носит неотвратимый характер. В идеально однородном кристаллическом диэлектрике образование проводящего канала происходит вследствие шнурования тока, неизбежно возникающего, когда дифференциальное электрическое сопротивление ρ =
Пробой в жидких диэлектриках (См. Жидкие диэлектрики) также обусловлен образованием проводящего канала; Епр определяется степенью чистоты жидкости. О пробое газообразных диэлектриков см. в ст. Электрический разряд в газах.
Большая советская энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия . 1969—1978 .
Полезное
Смотреть что такое "Пробой диэлектриков" в других словарях:
ПРОБОЙ ДИЭЛЕКТРИКОВ — резкое возрастание электропроводности диэлектрика в электрическом поле, напряженность которого превышает т. н. электрическую прочность. Пробой диэлектриков может сопровождаться их разрушением … Большой Энциклопедический словарь
ПРОБОЙ ДИЭЛЕКТРИКОВ — резкое уменьшение электрического сопротивления диэлектрика (увеличение плотности тока j), наступающее при достижении определённой напряжённости приложенного электрического поля Eпр, называемого электрической прочностью. В диэлектрич. кристалле П … Физическая энциклопедия
пробой диэлектриков — резкое возрастание электропроводности диэлектрика в электрическом поле, напряжённость которого превышает так называемую электрическую прочность. Пробой диэлектриков может сопровождаться их разрушением. * * * ПРОБОЙ ДИЭЛЕКТРИКОВ ПРОБОЙ… … Энциклопедический словарь
ПРОБОЙ ДИЭЛЕКТРИКОВ — резкое возрастание электропроводности диэлектрика в электрич. поле, напряжённость к рого превышает т. н. электрич. прочность. П. д. может сопровождаться их разрушением … Естествознание. Энциклопедический словарь
ПРОБОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ — общее название разл. по физ. природе процессов, приводящих к резкому возрастанию силы электрич. тока в среде, исходно не (или очень слабо) электропроводной. 1) П. э. вакуумного промежутка (см. ВАКУУМНЫЙ ПРОБОЙ); 2) П. э. газового промежутка нач.… … Физическая энциклопедия
Пробой электрический — общее название различных по физической природе процессов, приводящих к резкому возрастанию силы электрического тока в среде, исходно не (или очень слабо) электропроводной. 1) П. э. вакуумного промежутка заключается в формировании … Большая советская энциклопедия
Пробой изоляции — Электрический пробой лавинный пробой, связанный с тем, что носитель заряда на длине свободного пробега приобретает энергию, достаточную для ионизации молекул кристаллической решётки или газа и увеличивает концентрацию носителей заряда. При этом… … Википедия
Пробой электрический — Электрический пробой лавинный пробой, связанный с тем, что носитель заряда на длине свободного пробега приобретает энергию, достаточную для ионизации молекул кристаллической решётки или газа и увеличивает концентрацию носителей заряда. При этом… … Википедия
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРОБОЙ — д и э л е к т р и к о в и п ол у п р о в о д н и к о в резкое падение их электрич. сопротивления при достаточно высоком приложенном к образцу напряжении (см. также Пробой электрический). Э. п. отличается от теплового пробоя тем, что на подготовит … Физическая энциклопедия
ТЕПЛОВОЙ ПРОБОЙ — (электротепловой пробой) резкое увеличение электропроводности диэлектрика (или полупроводника) при прохождении через него электрич. тока, обусловленное джоулевым разогревом (см. Джоулевы потери )и нарушением теплового равновесия образца с… … Физическая энциклопедия
Электрический пробой и электрическая прочность: виды и причины явления
Резкое возрастание величины тока в вакууме, а также в газообразном, жидком или твердом диэлектрике, либо в полупроводнике, связанное с приложением к объему образца напряжения, величина которого превышает некое критическое значение, именуют электрическим пробоем. Электрический пробой как явление может длиться от нескольких пикосекунд до довольно продолжительного времени, как например в случае установления устойчивого дугового разряда в газе.
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.
У газов электрическая прочность связана с давлением и толщиной слоя, - чем выше давление — тем ниже электрическая прочность: при нормальных условиях в воздухе, при толщине слоя в 1 см, электрическая прочность находится в районе 30 кВ/см, однако с понижением давления она может доходить до 10 7 В/см.
Электрический пробой вакуума
В вакууме, в промежутке между двумя проводящими электродами, к которым приложено критическое электрическое напряжение, появляются свободные электроны. Как следствие - проводимость в промежутке увеличивается и возникает электрический ток.
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
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).
В характеристиках всех диэлектриков присутствует допустимое значение прилагаемого к слою напряжения. Если прилагаемый ток по величине напряжения выше величины данного параметра, наблюдается пробой диэлектрика через возникший сквозной канал.
Пробой сопровождается в зависимости от мощности источника тока возникновением либо искрения, либо электрической дуги, а также разрушающим воздействием.
Диэлектрик в месте пробоя может растрескаться, оплавиться, обгореть и пр. На процесс оказывают существенное влияние наличие примесей, дефектов структуры и прочие факторы.
Диэлектрики применяются в качестве изоляционных материалов электротехнического оборудования, проводов и кабелей.
Их разрушение в результате пробоя может вывести из строя как отдельный провод, кабель и какое-либо устройство, так и привести к серьезной масштабной аварии, часто сопровождаемой возникновение пожара.
Что такое коэффициент запаса изоляционного слоя?
Изоляция характеризуется величинами пробивного Uпр и рабочего U раб напряжений. Значение первого должно быть намного выше второго, а отношение Uпр/ Uраб называется коэффициентом запаса диэлектрика.
Чем выше Кзап, тем более защищен кабель или устройство от пробоя. Надежность будет выше.
Uпр находится в прямой зависимости от толщины находящегося под напряжением слоя. Следует также иметь ввиду, что вид материала влияет на значение пробивного напряжения.
У твердых изоляционных материалов может возникать какой-либо один из 4-х видов пробоя:
- макроскопических диэлектриков однородной структуры;
- диэлектриков неоднородной структуры;
- термический;
- электрохимический.
Суть ударной ионизации как твердых, так и иных диэлектриков, проявляется возникновением все новых и новых высвобожденных электронов. Находящиеся в межпространстве атомов и молекул свободные электроны под воздействием электрического поля с большим напряжением ударяясь выбивают новые ранее связанные электроны.
В результате возникает лавина частиц и под ее воздействием через некоторое время (более 10-8…10-7 с) формируются условия пробоя.
Каковы отличия процессов пробоя в однородном и неоднородном диэлектрике?
Если площадь электродов невелика, то электрическая прочность как в однородном, так и неоднородном диэлектрике разнится по величине очень незначительно.
В случае большой площади электродов Епр однородного диэлектрика будет существенно выше, чем у неоднородного. И причиной является наличие влияющих на неоднородность структуры дефектов.
Чем плотнее структура, тем более надежным является диэлектрик. Газовые включения существенно увеличивает риски пробоя.
Электрическая изоляция греется не только за счет прохождения тока по находящемуся внутри кабеля проводнику, но и из-за наличия диэлектрических потерь кабеля.
Электрики в ходе монтажа и обслуживания должны обеспечивать хороший отвод тепла, иначе при нарушении необходимого теплоотвода появляются условия для снижения электрической прочности диэлектрика, расплавления и теплового пробоя.
Зависимость электротеплового пробоя от частоты и t-ры можно наблюдать на следующем графике:
Читайте также: