Električna okvara

Proces razgradnje dielektrika, ki nastane med udarno ionizacijo z elektroni zaradi pretrganja medatomskih, medmolekulskih ali medionskih vezi, imenujemo električni preboj. Časovno trajanje električne okvare se giblje od nekaj nanosekund do več deset mikrosekund.

Odvisno od okoliščin nastanka je lahko električna poškodba škodljiva ali koristna. Primer uporabne električne okvare je praznjenje vžigalne svečke v delovnem območju cilindra motorja z notranjim zgorevanjem. Primer škodljive okvare je okvara izolatorja na daljnovodu.

V trenutku električnega preboja, ko pride do napetosti nad kritično (nad prebojno napetostjo), se tok v trdnem, tekočem ali plinastem dielektriku (ali polprevodniku) močno poveča. Ta pojav lahko traja kratek čas (nanosekunde) ali se vzpostavi dolgo časa, tako kot se oblok začne in nadaljuje z gorenjem v plinu.

Električna prebojna trdnost Epr (dielektrična trdnost) tega ali onega dielektrika je odvisna od notranje strukture dielektrika in je skoraj neodvisna od temperature, niti od velikosti vzorca, niti od frekvence uporabljene napetosti. Torej, za zrak je dielektrična trdnost v normalnih pogojih približno 30 kV / mm, za trdne dielektrike je ta parameter v območju od 100 do 1000 kV / mm, medtem ko bo za tekočino le približno 100 kV / mm.

Čim gostejši so strukturni elementi (molekule, ioni, makromolekule itd.), tem manjša je prebojna trdnost obravnavanega dielektrika, saj se povprečna prosta pot elektronov poveča, kar pomeni, da elektroni pridobijo dovolj energije za ionizacijo atomov ali molekul tudi z nižjo jakostjo uporabljenih električnih polj.

Nehomogenost električnega polja, ki nastane v dielektriku, povezana z nehomogenostjo notranje strukture trdnega dielektrika, močno vpliva dielektrična trdnost takega dielektrika… Če dielektrik, katerega struktura je nehomogena, uvedemo v električno polje enake jakosti, potem bo električno polje znotraj dielektrika nehomogeno.

Mikrorazpoke, pore, zunanji vključki, katerih vrednost prebojne trdnosti je nižja od vrednosti samega dielektrika, bodo ustvarili nehomogenosti v vzorcu jakosti električnega polja znotraj dielektrika, kar pomeni, da bodo lokalna področja znotraj dielektrika imela večjo trdnost. in do preboja lahko pride pri napetostih, nižjih od bi pričakovali od popolnoma homogenega dielektrika.

Predstavniki poroznih dielektrikov, kot so karton, papir ali lakirana tkanina, se odlikujejo po posebej nizkih kazalcih prebojne napetosti, saj je električno polje, ki se tvori v njihovem volumnu, močno nehomogeno, kar pomeni, da bo intenzivnost na lokalnih območjih večja - visoka in do okvare pride pri nižji napetosti. Na tak ali drugačen način lahko v trdnih delcih električni razpad poteka s tremi mehanizmi, o katerih bomo razpravljali v nadaljevanju.

Prvi mehanizem električnega razpada trdne snovi je enak notranji razpad, ki je povezan s pridobivanjem nosilca naboja vzdolž srednje poti proste energije, ki zadostuje za ionizacijo molekul plina ali kristalne mreže, kar poveča koncentracijo nosilcev naboja. Tu prosti nosilci naboja nastanejo kot plaz, zato tok narašča.

Razpad, ki se pojavi v dielektriku v skladu s tem mehanizmom, je lahko skupen ali površinski. Pri polprevodnikih je površinski razpad lahko povezan s tako imenovanim filamentnim učinkom.

Ko se kristalna mreža polprevodnika ali dielektrika segreje, lahko pride do drugega mehanizma električnega razpada, toplotnega razpada. Ko se temperatura poveča, postanejo prosti nosilci naboja lažje ionizirali atome rešetke; zato se prebojna napetost zmanjša. In ni tako pomembno, ali je do segrevanja prišlo zaradi delovanja izmeničnega električnega polja na dielektrik ali preprosto zaradi prenosa toplote od zunaj.

Tretji mehanizem električnega razpada trdne snovi je razelektritev, ki nastane zaradi ionizacije plinov, adsorbiranih v poroznem materialu. Primer takega materiala je sljuda. Plini, ujeti v pore snovi, se najprej ionizirajo, pride do uhajanja plina, ki nato povzroči uničenje površine por osnovne snovi.