Awaria elektryczna

Proces rozpadu dielektryka, który zachodzi podczas jonizacji uderzeniowej przez elektrony w wyniku zerwania wiązań międzyatomowych, międzycząsteczkowych lub międzyjonowych, nazywany jest przebiciem elektrycznym. Czas trwania awarii elektrycznej waha się od kilku nanosekund do kilkudziesięciu mikrosekund.

W zależności od okoliczności jego wystąpienia uszkodzenie elektryczne może być szkodliwe lub korzystne. Przykładem użytecznej awarii elektrycznej jest wyładowanie świecy zapłonowej w obszarze roboczym cylindra silnika spalinowego. Przykładem szkodliwej awarii jest awaria izolatora na linii elektroenergetycznej.

W momencie przebicia elektrycznego, gdy przyłożone zostanie napięcie powyżej krytycznego (powyżej napięcia przebicia), prąd w stałym, ciekłym lub gazowym dielektryku (lub półprzewodniku) gwałtownie wzrasta. Zjawisko to może trwać przez krótki okres czasu (nanosekundy) lub utrzymywać się przez długi czas, podobnie jak łuk zaczyna się i pali w gazie.

Wytrzymałość przebicia elektrycznego Epr (wytrzymałość dielektryczna) tego lub innego dielektryka zależy od wewnętrznej struktury dielektryka i jest prawie niezależna od temperatury, wielkości próbki ani częstotliwości przyłożonego napięcia. Tak więc dla powietrza wytrzymałość dielektryczna w normalnych warunkach wynosi około 30 kV / mm, dla stałych dielektryków parametr ten mieści się w zakresie od 100 do 1000 kV / mm, podczas gdy dla cieczy będzie to tylko około 100 kV / mm.

Im gęstsze są elementy strukturalne (cząsteczki, jony, makrocząsteczki itp.), tym mniejsza staje się wytrzymałość na przebicie rozważanego dielektryka, ponieważ zwiększa się średnia droga swobodna elektronów, czyli elektrony zyskują energię wystarczającą do jonizacji dielektryka. atomów lub cząsteczek nawet przy mniejszym natężeniu przyłożonych pól elektrycznych.

Niejednorodność pola elektrycznego powstającego w dielektryku, związana z niejednorodnością struktury wewnętrznej stałego dielektryka, silnie wpływa na wytrzymałość dielektryczna takiego dielektryka… Jeśli dielektryk o niejednorodnej strukturze zostanie wprowadzony do pola elektrycznego o takim samym natężeniu, wówczas pole elektryczne wewnątrz dielektryka będzie niejednorodne.

Mikropęknięcia, pory, wtrącenia zewnętrzne, które mają wytrzymałość na przebicie mniejszą niż sam dielektryk, będą generować niejednorodności w schemacie natężenia pola elektrycznego wewnątrz dielektryka, co oznacza, że ​​lokalne obszary wewnątrz dielektryka będą miały wyższą wytrzymałość, a przebicie może wystąpić przy napięciach niższych niż można by oczekiwać od doskonale jednorodnego dielektryka.

Przedstawiciele porowatych dielektryków, takich jak tektura, papier lub lakierowana tkanina, wyróżniają się szczególnie niskimi wskaźnikami napięcia przebicia, ponieważ pole elektryczne utworzone w ich objętości jest ostro niejednorodne, co oznacza, że ​​\u200b\u200bnatężenie w lokalnych obszarach będzie bardziej - wysokie i awaria nastąpi przy niższym napięciu. W taki czy inny sposób, w cząstkach stałych, przebicie elektryczne może przebiegać według trzech mechanizmów, które omówimy poniżej.

Pierwszym mechanizmem rozpadu elektrycznego ciała stałego jest ten sam rozpad wewnętrzny, który wiąże się z uzyskaniem nośnika ładunku wzdłuż średniej ścieżki energii swobodnej, wystarczającej do zjonizowania cząsteczek gazu lub sieci krystalicznej, co zwiększa stężenie nośników ładunku. Tutaj wolne nośniki ładunku tworzą się jak lawina, stąd prąd wzrasta.

Przebicie zachodzące w dielektryku zgodnie z tym mechanizmem może być masowe lub powierzchniowe. W przypadku półprzewodników rozkład powierzchni można powiązać z tzw. efektem włóknistym.

Kiedy sieć krystaliczna półprzewodnika lub dielektryka jest podgrzewana, może nastąpić drugi mechanizm przebicia elektrycznego, przebicie termiczne. Wraz ze wzrostem temperatury nośniki swobodnego ładunku stają się łatwiejsze do jonizacji atomów sieci; dlatego napięcie przebicia spada. I nie jest tak ważne, czy nagrzewanie nastąpiło w wyniku działania zmiennego pola elektrycznego na dielektryk, czy po prostu w wyniku przenoszenia ciepła z zewnątrz.

Trzecim mechanizmem rozpadu elektrycznego ciała stałego jest rozpad wyładowania, który jest spowodowany jonizacją gazów zaadsorbowanych w materiale porowatym. Przykładem takiego materiału jest mika. Gazy uwięzione w porach substancji ulegają przede wszystkim jonizacji, dochodzi do wycieków gazu, które następnie prowadzą do zniszczenia powierzchni porów substancji bazowej.