Что такое пробой диэлектрика?
Электрическая изоляция не может выдержать неограниченно высокого напряжения. При достижении некоторого критического значения напряжения, называемого пробивным напряжением U пр, наступает пробой, представляющий собой разрушение диэлектрика с потерей им электроизоляционных свойств. При пробое ток утечки сильно возрастает, а сопротивление снижается, и получается короткое замыкание между проводниками в месте пробоя.
Как пробивное напряжение диэлектрика связано с электрической прочностью?
Пробивное напряжение зависит от толщины изоляции h, то есть расстояния между электродами. Чем толще слой электроизоляции, тем выше пробивное напряжение. Поэтому вводится такая характеристика как способность материала противостоять пробою - электрическая прочность E пр. Для равномерного электрического поля:
. (1)
Как неоднородность материала влияет на электрическую прочность?
В большинстве случаев пробивное напряжение возрастает с увеличением толщины изоляции медленнее, чем по линейному закону. В особо тонких слоях начинают сказываться неоднородности структуры и электрическая прочность уменьшается. У неоднородных тонких материалов (бумага, лакоткань и т.п.) электрическая прочность уменьшается с увеличением площади электродов, что объясняется увеличением вероятности попадания под электроды слабых мест диэлектрика.
Перечислите виды пробоя твердых диэлектриков и объясните их физическую сущность.
Различают несколько видов пробоя: чисто электрический, тепловой, электромеханический, электрохимический и ионизационный. Чисто электрический или собственный пробой представляет собой непосредственное разрушение структуры диэлектрика силами электрического поля.
Электрическая прочность твердых диэлектриков практически не зависит от температуры до некоторого ее критического значения, когда наблюдается заметное снижение электрической прочности. В этом случае наступает тепловой пробой, который связан с нагревом изоляции в электрическом поле.
Электромеханический пробой подготовляется механическим разрушением материала (образованием макроскопических трещин) силами электрического поля (давлением электродов).
Электрохимический пробой связан с химическим изменением материала в электрическом поле, например, прорастание металлических дендритов (древовидных кристаллитов) в результате электролиза. Этот вид пробоя возникает при повышенных температурах и высокой влажности воздуха. Электрохимический пробой может иметь место при высоких частотах, если в закрытых порах материала.
Ионизационный пробой объясняется действием на диэлектрик химически агрессивных веществ, образующихся в газовых порах диэлектрика при частичных разрядах, а также эрозией диэлектрика ионами газа на границе пор.
Какой диэлектрик имеет большую электрическую прочность – плотный или пористый? Почему?
Электрохимический пробой может иметь место при высоких частотах, если в закрытых порах материала (например, в керамике) происходит ионизация газа, сопровождающаяся тепловым эффектом и восстановлением оксидов металлов переменной валентности.
Механизм пробоя газов.
Под воздействием электрического поля заряженные частицы (электроны, отрицательные и положительные ионы газа) перемещаются в направлении поля или против него в зависимости от их знака и приобретают по длине свободного пробега дополнительную энергию
, (2)
где E – напряженность электрического поля; q – заряд частицы; l – длина свободного пробега.
Если эта энергия становится больше или равной энергии ионизации газовых молекул W и, то при столкновении с молекулой газа происходит ударная ионизация, т.е. расщепление молекулы на электроны и положительные ионы. Освобожденные при этом «вторичные» электроны под действием поля, в свою очередь, ионизируют молекулы газа, образуя электронную лавину.
Что влияет на электрическую прочность газов?
Пробивное напряжение в однородном поле выше пробивного напряжения в неоднородном при прочих равных условиях. Кроме этого U пр, E пр, газа зависят от рода тока, давления и химического состава газа.