Понятие пробоя

Каждый диэлектрик, находясь в электрическом поле, теряет свойства изоляционного материала, если напряженность поля превысит некоторое критическое значение. Это явление носит название пробоя диэлектрика.

Значение напряжения, при котором происходит пробой диэлектрика, называется пробивным напряжением, а соответствующее значение напряженности поля – электрической прочностью диэлектрика.

Пробивное напряжение обозначается U_пр и измеряется чаще всего в киловольтах.

Электрическая прочность определяется величиной пробивного напряжения, отнесенного к толщине диэлектрика h в месте пробоя, т. е. выражается пробивной напряженностью поля

(2.3.14)

В системе СИ электрическая прочность выражается в вольтах. деленных на метры (В/м), практически же пользуются другой размерностью – киловольтами, деленными на миллиметры (кВ/мм) или на сантиметры (кВ/см).

Пробой диэлектриков может вызываться как чисто электрическими, так и тепловыми, а в некоторых случаях и химическими процессами, возникающими в них под действием электрического поля. Поскольку явление пробоя во многом определяется агрегатным состоянием вещества, рассмотрение механизмов про боя произведем отдельно по газообразным, жидким и твердым диэлектрикам.

2.3.7. Механизм пробоя газов

Воздух – изоляционная среда, в которой используется разнообразная микроэлектронная аппаратура.

В тех случаях, когда аппаратура работает вблизи земной поверхности, следует рассматривать физические процессы в воздухе при нормальном атмосферном давлении; однако радиоэлектронике приходится считаться и со свойствами воздуха как при значительном его разрежении, так и при его повышенном давлении.

Пробивная напряженность воздуха в нормальных условиях невелика по сравнению с пробивной напряженностью большинства жидких и твердых диэлектриков. Пробой воздуха, как и других газов, следует рассматривать как следствие развития процессов ударной и фотонной ионизации.

Механизм пробоя газа. Пробой газа носит электрический характер и заключается в скачкообразном повышении проводимости при достижении напряженностью поля определенной величины E_пр.

Небольшое количество содержащихся в газе положительных и отрицательных ионов и электронов, находящихся, как и нейтральные молекулы газа, в беспорядочном тепловом движении, при наложении поля получает некоторую добавочную скорость и начинает перемещаться в направлении поля. При этом заряженная частица газа приобретает дополнительную энергию

(2.3.15)

где Е— напряженность поля, q – заряд, l_ср – среднее расстояние, пройденное заряженной частицей без столкновения, т.е. длина свободного пробега.

Добавочная энергия заряженных частиц передается при столкновениях молекулам. Если эта энергия достаточно велика, то происходит либо ионизация молекул, т. е. их расщепление на электроны и положительные ионы, либо возбуждение, связанное с переходом электронов на более удаленную орбиту.

Возможность ионизации определяется условием

Э > Э_И, (2.3.16)

причем , где Э_т—тепловая энергия электрона или иона, которая при нормальной температуре обычно невелика (). Поэтому можно считать, что для ионизации необходимо выполнение неравенства

E ql _ср> > Э_и, (2.3.17)

Энергия ионизации Э_и различных газов лежит в пределах от 4 до 25 эВ.

Ударная ионизация начинается при определенной величине напряженности поля Е, поскольку при заданном давлении газа и заданной температуре значения q и l _ср постоянны для каждого газа. Эта напряженность поля Е называется начальной напряженностью.

Основная ионизация осуществляется электронами, так как длина свободного пробега у них почти на порядок выше, чем у громоздких по размерам ионов и, в соответствии с выражением (2.3.15), они набирают под воздействием поля большую, чем ионы, энергию.

На развитие разряда в газах оказывает влияние явление вторичной эмиссии электронов с катода, заключающееся в том, что положительные ионы высвобождают электроны из металла, бомбардируя поверхность катода.

В ряде случаев электрон, разогнанный полем, может не ионизировать молекулу, а привести ее в «возбужденное состояние», т.е. вызвать изменение в движении электронов, связанных с молекулой. В следующий момент эта «возбужденная» молекула отдает свою избыточную энергию в форме излучения, испускает фотон и приходит в первоначальное состояние. Фотон поглощается какой-либо другой молекулой, которая при этом может ионизироваться. Поскольку скорость излучения велика, такая внутренняя фотонная ионизация газа приводит к особо быстрому развитию в разрядном промежутке каналов с повышенной проводимостью газа.

На рис. 2.3.3представлена схема, поясняющая, почему электропроводящий канал (стример) растет быстрее, нежели продвигается электронная лавина. На этом рисунке лавины условно изображены в виде заштрихованных конусов, а пути фотонов показаны волнистыми линиями.

Внутри каждого конуса, изображающего лавину, газ ионизируется ударами электронов, а новоотщепленные электроны, разгоняемые полем, ионизируют встречаемые ими частицы газа. В результате число электронов, движущихся к аноду, и число положительных ионов, направляющихся к катоду, нарастают лавинообразно.

	А		В
		D
		С

Рис. 2.3.3. Схема развития отрицательного стримера.

Начала волнистых линий исходят из молекул, которые были «возбуждены» ударом электрона и вслед за тем испустили фотон. Двигаясь со скоростью 3·10⁸ м/c, фотоны обгоняют лавину и в каком-то месте, которое изображено концом волнистой линии, ионизируют частицу газа. Отщепленный здесь электрон, устремляясь к аноду, порождает новую лавину далеко впереди первой лавины. Таким образом, пока первая лавина вырастает, скажем, на величину малой стрелки АВ, намечающийся канал повышенной проводимости газа, т. е. стример, распространяется на величину большой стрелки СD.

На следующем этапе отдельные лавины в стримере, нагоняя друг друга, сливаются, образуя сплошной канал ионизированного газа. Так возникает пробой газа.

Чем больше величина напряжения, приложенного к газовому промежутку, тем быстрее развивается пробой. Если длительность воздействия напряжения очень мала, то пробивное напряжение повышается. Это повышение обычно характеризуют коэффициентом импульса

(2.3.18)

где U_{пр. имп –} пробивное напряжение при данном импульсе, U_пр –пробивное напряжение при постоянном или переменном (частотой 50 Гц ) напряжении.

Коэффициент импульса в резко неоднородных электрических полях доходит до 1,5.

Механизм пробоя газа существенно зависит от степени однородности электрического поля, находящегося между электродами.

Пробой газа в однородном поле. Однородное поле можно получить между плоскими электродами с закругленными краями, а также между сферами большого диаметра при малом расстоянии между ними. В таком поле длительность подготовки пробоя газа (для промежутка в 0,01 м ) составляет 10⁷-10⁸ секунд при достижении напряжения строго определенной величины, зависящей от температуры газа и его давления. Между электродами внезапно возникает искра, которая затем переходит в дугу, если источник напряжения имеет достаточную мощность. Появление искры при известном расстоянии между электродами используют для определения величины приложенного напряжения (измерение высоких напряжений при помощи шаровых разрядников).

Зависимость электрической прочности воздуха от расстояния между электродами показана на рис.2.3.4.

В нормальных условиях ( 760мм рт. ст. и 20°С) электрическая прочность воздуха при расстоянии между электродами по рядка 0,01 м составляет около 3,2 × 10⁶ В/м.

При малых расстояниях между электродами электрическая прочность заметно увеличивается. Это парадоксальное, на первый взгляд, явление можно объяснить трудностью формирования разряда ввиду уменьшения вероятности столкновения электронов с молекулами газа в малом разрядном промежутке.

В случае переменного напряжения указанное выше значение электрической прочности относится к амплитудным величинам и соответствует пробою при частоте 50 Гц.

Электрическая прочность газа в сильной степени зависит от плотности газа, т. е. от давления, если температура постоянна. На рис. 2.3.4 представлена зависимость начального пробивного напряжения от произведения давления р газа на расстояние между электродами H, получившая наименование закона Пашена; следует отметить наличие минимума, отвечающего определенному для данного газа значению произведения р·Н.

Минимальные значения пробивных напряжений газов лежат в пределах 280-420 В (для воздуха – около 300 В ).

При больших давлениях длина свободного пробега электронов в газе мала и, как следует из формулы (2.3.7), электрическая прочность газа повышена. С уменьшением давления вначале наблюдается падение электрической прочности, как это видно из рис. 2.3.5 (если расстояние между электродами остается неизменным); когда же давление доходит до некоторого предела ниже атмосферного давления, электрическая прочность начинает снова возрастать. Это возрастание объясняется уменьшением числа молекул газа в единице объема при сильном разрежении и снижением вероятности столкновений электронов с молекулами. При высоком вакууме пробой можно объяснить явлением вырывания электронов из поверхности катода (холодная эмиссия). Высокую электрическую прочность вакуума широко используют в технике (например, при конструировании вакуумных конденсаторов для больших напряжений высокой частоты, при создании миниатюрных электровакуумных приборов).

Пробой газа в неоднородном поле. Неоднородное поле возникает между двумя остриями, между острием и плоскостью, между проводами или электродами антенн передатчиков, между сферическими поверхностями, если последние удалены друг от друга на расстояние, превышающее радиус сферы, и т. д.

Особенностью пробоя газа в неоднородном поле является возникновение частичного разряда в виде короны в местах, где напряженность поля достигает критических значений, и дальнейший переход короны в искровой разряд и дугу при возрастании напряжения.

Особенностью пробоя газа в неоднородном поле является возникновение частичного разряда в виде короны в местах, где напряженность поля достигает критических значений, и дальнейший переход короны в искровой разряд и дугу при возрастании напряжения.

При несимметричных электродах в виде иглы и плоскости величина напряжения, при котором происходит пробой, зависит от того, на каком из электродов (на игле или на плоскости) находится положительный полюс. В случае положительной полярности иглы пробой наступает при меньшем напряжении, чем в случае обратной полярности (рис.2.3.6). Объясняется это следующими причинами. Ионизация газа при любой полярности на электродах происходит в районе иглы, где существуют наибольшие напряженности электрического поля.

Поскольку подвижность ионов мала по сравнению с подвижностью электронов (из-за того, что масса первых значительно больше массы вторых), то около иглы образуется «облако» из положительно заряженных ионов. При положительной полярности на игле (рис. 2.3.6,а ) этот объемный заряд служит продолжением иглы, увеличивает неоднородность поля и

Рис. 2.3.6. Модель объемного заряда в разрядном промежутке при положительной полярности на игле (а) и на плоскости (б).

сокращает протяженность разрядного промежутка. Пробой наступает при меньшем

напряжении, нежели в противоположном случае (рис. 2.3.6, 6), когда объемный заряд частично нейтрализует и экранирует иглу с отрицательной полярностью от электрода с положительной полярностью.

2.3.8. Пробой жидких диэлектриков

Жидкие диэлектрики отличаются значительно более высокими значениями электрической прочности, чем газы в нормальных условиях.

Постоянными примесями жидкостей являются вода, газы и мельчайшие механические частички. Наличие примесей сильно затрудняет выяснение механизмов пробоя жидких диэлектриков. Поскольку получить предельно чистые жидкости весьма трудно, основные положения теории электрического пробоя применяют к жидкостям, максимально очищенным от примесей.

При высоких значениях напряженности электрического поля может происходить вырывание электронов из металлических электродов и разрушение молекул жидкости заряженными частицами, подобно тому, как это наблюдается в газах. При этом повышенную электрическую прочность жидких диэлектриков по сравнению с газообразными легко объяснить резко уменьшенным значением длины свободного пробега электронов.

Исходя из представлений тепловой теории, пробой технически чистых жидкостей связывают с частичным пере ревом жидкости и вскипанием ее в местах наибольшего количества примесей, что приводит к образованию газового мостика между электродами.

Опыт свидетельствует о большом влиянии примесей на электрическуюпрочность жидких диэлектриков. Но это влияние сравнительно невелико при пробое жидких диэлектриков им пульсами. Так, импульсная прочность очищенных жидких диэлектриков в три раза, а загрязненных в пять-семь раз выше электрической прочности при длительном воздействии напряжения.

Пробой жидких диэлектриков при радиочастотах связан с тем, что под влиянием диэлектрических потерь жидкость разогревается и подвергается термическому разрушению. Это диктует установление пониженных рабочих значений напряженности поля для жидких диэлектриков при радиочастотах по сравнению с промышленной частотой.

2.3.9. Пробой твердых диэлектриков

У твердых диэлектриков наблюдаются все три основных механизма пробоя: электрический, тепловой и электрохимический.

Пробой одного и того же материала может происходить по тому или иному из указанных механизмов в зависимости от:

а) характера электрического поля - постоянного или переменного, импульсного, низкой или высокой частоты;

б) времени воздействия напряжения;

в) наличия в диэлектрике дефектов, в частности закрытых пор;

г) толщины материала;

д) условий охлаждения.

Электрический пробой. Этот вид пробоя у однородных твердых диэлектриков, как и у газов, характеризуется весьма быстрым развитием и сопровождается разрушением диэлектрика в очень узком канале.

По своей природе электрический пробой – чисто электронный процесс, заключающийся том, что из немногих начальных, электронов в твердом теле создается электронная лавина. Эти электроны рассеивают накопленную ими в электрическом поле энергию, возбуждая упругие колебания узлов кристаллической решетки. Достигнув определенной критической скорости, электроны отщепляют все но вые и новые электроны, и стационарное состояние нарушается, т.е. возникает ударная ионизация электронами в твердом теле.

Электрический пробой неоднородных твердых диэлектриков в подавляющем большинстве случаев вызывается ионизацией газовых включений, однако, он может быть обусловлен и другими инородными включениями, имеющимися в материале. Так же, как и электрический пробой однородного диэлектрика, он развивается весьма быстро. Значения электрической прочности неоднородных диэлектриков, наблюдающиеся во внешнем однородном и неоднородном полях, как правило, не высоки и мало отличаются друг от друга.

Тепловой пробой. В том случае, если количество тепла, выделяющегося в диэлектрике под воздействием диэлектрических потерь, превышает количество тепла, которое в данных условиях может отводиться наружу, возникает тепловой пробой; при этом нарушается тепловое равновесие, и процесс приобретает лавинообразный характер.

Явление теплового пробоя сводится к разогреву материала в электрическом поле до температур, соответствующих расплавлению, обугливанию и пр. Пробивная напряженность поля при тепловом пробое является характеристикой не только материала, но и изделия, в противоположность электрическому пробою, где электрическая прочность служит характеристикой лишь материала. Пробивное напряжение, обусловленное нагревом диэлектрика, связано с частотой изменения напряжения, условиями охлаждения, температурой окружающей среды и др. Кроме того, пробивное напряжение при тепловом пробое зависит от нагревостойкости материала.

Электрохимический пробой. Этот вид пробоя диэлектрических материалов имеет особо существенное значение при повышенных температурах и высокой влажности воздуха. Он наблюдается как при постоянном напряжении, так и при переменном напряжении низкой частоты, когда в материале развиваются процессы, обусловливающие необратимое уменьшение сопротивления изоляции (электрохимическое старение). Кроме того, электрохимический пробой случается при высоких частотах, если в закрытых порах диэлектрика происходит ионизация газа, сопровождающаяся тепловым эффектом и изменением химического состава материала (например, восстановлением окис лов металлов переменной валентности, в частности ТiO₃, содержащихся в керамике).

Электрохимический пробой требует для своего развития длительного времени. Большую роль в возникновении электрохимического пробоя, наблюдаемого на постоянном токе в условиях повышенных температур или высокой влажности воздуха, играет материал электрода. Например, серебро, способное диффундировать в керамику, понижает пробивное напряжение.

Дата добавления: 2014-01-20