Диэлектрическая прочность

Степень изоляции

В физике термин «электрическая прочность» имеет следующие значения:

• для чистого электроизоляционного материала — максимальное электрическое поле , которое материал может выдерживать в идеальных условиях, не подвергаясь электрическому пробою и не становясь электропроводным (т.е. не нарушая своих изоляционных свойств).
• Для определенного куска диэлектрического материала и расположения электродов , минимальное приложенное электрическое поле (т.е. приложенное напряжение, деленное на расстояние между электродами), которое приводит к пробою. Это понятие напряжения пробоя .

Теоретическая диэлектрическая прочность материала является внутренним свойством объемного материала и не зависит от конфигурации материала или электродов, к которым приложено поле. Эта «собственная диэлектрическая прочность» соответствует тому, что было бы измерено с использованием чистых материалов в идеальных лабораторных условиях. При пробое электрическое поле освобождает связанные электроны. Если приложенное электрическое поле достаточно велико, свободные электроны от фонового излучения могут ускоряться до скоростей, которые могут освободить дополнительные электроны путем столкновений с нейтральными атомами или молекулами, в процессе, известном как лавинный пробой . Пробой происходит довольно внезапно (обычно за наносекунды ), что приводит к образованию электропроводящего пути и пробивного разряда через материал. В твердом материале событие пробоя серьезно ухудшает или даже разрушает его изолирующую способность.

Электрический пробой

Электрический ток — это поток электрически заряженных частиц в материале, вызванный электрическим полем . Подвижные заряженные частицы, ответственные за электрический ток, называются носителями заряда . В разных веществах носителями заряда служат разные частицы: в металлах и других твердых телах некоторые внешние электроны каждого атома ( электроны проводимости ) способны перемещаться по материалу; в электролитах и ​​плазме это ионы , электрически заряженные атомы или молекулы и электроны. Вещество, которое имеет высокую концентрацию носителей заряда, доступных для проводимости, будет проводить большой ток с заданным электрическим полем, созданным заданным напряжением, приложенным к нему, и, таким образом, имеет низкое электрическое сопротивление ; это называется электрическим проводником . Материал, который имеет мало носителей заряда, будет проводить очень мало тока с заданным электрическим полем и имеет высокое удельное сопротивление; это называется электрическим изолятором .

Однако, когда достаточно большое электрическое поле прикладывается к любому изолирующему веществу, при определенной напряженности поля концентрация носителей заряда в материале внезапно увеличивается на много порядков, поэтому его сопротивление падает, и он становится проводником. Это называется электрическим пробоем . Физический механизм, вызывающий пробой, отличается в разных веществах. В твердом теле это обычно происходит, когда электрическое поле становится достаточно сильным, чтобы оторвать внешние валентные электроны от их атомов, поэтому они становятся подвижными. Напряженность поля, при которой происходит пробой, является внутренним свойством материала, называемым его диэлектрической прочностью .

В практических электрических цепях электрический пробой часто является нежелательным явлением, отказом изоляционного материала, вызывающим короткое замыкание , что приводит к катастрофическому отказу оборудования. Внезапное падение сопротивления приводит к протеканию большого тока через материал, а внезапный экстремальный джоулев нагрев может привести к тому, что материал или другие части цепи расплавятся или испарятся со взрывом. Однако сам пробой обратим. Если ток, подаваемый внешней цепью, достаточно ограничен, материалу не наносится никакого ущерба, а снижение приложенного напряжения вызывает переход обратно в изолирующее состояние материала.

Факторы, влияющие на кажущуюся диэлектрическую прочность

• Может меняться в зависимости от толщины образца. ^[1] (см. «дефекты» ниже)
• Может меняться в зависимости от рабочей температуры .
• Частота может меняться.
• Для газов (например, азота, гексафторида серы) он обычно уменьшается с повышением влажности, поскольку ионы в воде могут создавать проводящие каналы.
• Для газов увеличивается с давлением согласно закону Пашена.
• Для воздуха диэлектрическая прочность немного увеличивается с ростом абсолютной влажности, но уменьшается с ростом относительной влажности ^[2]

Разрушить напряженность поля

Напряженность поля, при которой происходит пробой, зависит от соответствующих геометрий диэлектрика (изолятора) и электродов, с помощью которых прикладывается электрическое поле , а также от скорости увеличения приложенного электрического поля. Поскольку диэлектрические материалы обычно содержат мельчайшие дефекты, практическая электрическая прочность будет значительно меньше собственной электрической прочности идеального, бездефектного материала. Диэлектрические пленки, как правило, демонстрируют большую электрическую прочность, чем более толстые образцы того же материала. Например, диэлектрическая прочность пленок диоксида кремния толщиной около 1 мкм составляет около 0,5  ГВ/м. ^[3] Однако очень тонкие слои (ниже, скажем, 100 нм ) становятся частично проводящими из-за туннелирования электронов . ^{[ необходимо разъяснение ]} Несколько слоев тонких диэлектрических пленок используются там, где требуется максимальная практическая электрическая прочность, например, в высоковольтных конденсаторах и импульсных трансформаторах . Поскольку диэлектрическая прочность газов варьируется в зависимости от формы и конфигурации электродов, ^[4] ее обычно измеряют как долю диэлектрической прочности азота .

Диэлектрическая прочность (в МВ/м или 10 ⁶ ⋅вольт/метр) различных распространенных материалов:

Единицы

В системе СИ единицей измерения диэлектрической прочности является вольт на метр (В/м). Также часто встречаются родственные единицы, такие как вольт на сантиметр (В/см), мегавольт на метр (МВ/м) и т. д.

В общепринятых единицах измерения США электрическая прочность диэлектрика часто указывается в вольтах на мил (мил равен 1/1000 дюйма ). ^[19] Преобразование выглядит следующим образом:

${\displaystyle {\begin{aligned}1{\text{ V/mil}}&=3.94\times 10^{4}{\text{ V/m}}\\1{\text{ V/m}}&=2.54\times 10^{-5}{\text{ V/mil}}\end{aligned}}}$

Смотрите также

• Напряжение пробоя
• Относительная диэлектрическая проницаемость
• Вращательное броуновское движение
• Закон Пашена - изменение диэлектрической прочности газа в зависимости от давления
• Электрическое дерево
• фигура Лихтенберга

Ссылки

1. DuPont Teijin Films (2003). "Майларовая полиэфирная пленка" (PDF) .
2. Ритц, Ганс (1932). «Durchschlagfeldstärke des homogenen Feldes in Luft». Архив электротехники . 26 (4): 219–232. дои : 10.1007/BF01657189. S2CID  108697400.
3. Барч, Хаген; Глёсс, Даниэль; Фрах, Питер; Гиттнер, Матиас; Шультайс, Эберхард; Броде, Вольфганг; Хартунг, Йоханнес (21 января 2009 г.). «Электроизоляционные свойства пленок SiO ₂ , Si ₃ N ₄ и Al ₂ O _3, осажденных распылением , при комнатной температуре и 400 ° C». Физический статус Солиди А. 206 (3): 514–519. Бибкод : 2009PSSAR.206..514B. дои : 10.1002/pssa.200880481. S2CID  93228294.
4. Лион, Дэвид и др. (2013). «Зависимость диэлектрической прочности в нановакуумных зазорах от размера зазора». IEEE . 20 (4): 1467–1471. doi :10.1109/TDEI.2013.6571470. S2CID  709782.
5. CRC Справочник по химии и физике
6. Хонг, Элис (2000). Элерт, Гленн (ред.). «Диэлектрическая прочность воздуха». The Physics Factbook . Получено 18.06.2020 .
7. "Раскрытие магии воздуха" . Получено 2024-04-27 .
8. Фёлль, Х. "3.5.1 Электрические поломки и отказы". Tf.uni-kiel.de . Получено 18.06.2020 .
9. Xu, Cherry (2009). Elert, Glenn (ред.). «Диэлектрическая прочность полиэтилена». The Physics Factbook . Получено 2020-06-18 .
10. "Azom Materials - Свойства оксида бериллия". azom.com. Получено 05.12.2023.
11. Гир, Стефан; Куррат, Михаэль; Шюман, Ульф. Высоковольтная диэлектрическая прочность экранирующих электродов в вакуумных выключателях (PDF) . 20-й Международный симпозиум по разрядам и электроизоляции в вакууме. Архивировано из оригинала (PDF) 2012-03-01 . Получено 2020-06-18 .
12. Муляхова, Даша (2007). Элерт, Гленн (ред.). «Диэлектрическая прочность вощеной бумаги». The Physics Factbook . Получено 18.06.2020 .
13. Гленн Элерт. "Диэлектрики - Гипертекстовая книга по физике". Physics.info . Получено 18.06.2020 .
14. "Электронные свойства алмаза". el.angstrom.uu.se . Получено 2013-08-10 .
15. Moazzami, Reza; Chenming Hu; William H. Shepherd (сентябрь 1992 г.). "Электрические характеристики тонких сегнетоэлектрических пленок PZT для применений в DRAM" (PDF) . IEEE Transactions on Electron Devices . 39 (9): 2044. Bibcode : 1992ITED...39.2044M. doi : 10.1109/16.155876.
16. Б. Андерсен; Э. Ринггард; Т. Бове; А. Альбареда и Р. Перес (2000). «Характеристики пьезоэлектрических керамических многослойных компонентов на основе твердого и мягкого ЦТС». Труды Actuator 2000 : 419–422.
17. Бьюкенен, Марк (ноябрь 2006 г.). «За пределом Швингера». Nature Physics . 2 (11): 721–721. doi :10.1038/nphys448.
18. Степан С. Буланов; Тимур Есиркэпов; Александр Г. Томас; Джеймс К. Кога; Сергей В. Буланов (2010). «О достижимости предела Швингера с помощью экстремальных лазеров». Phys. Rev. Lett . 105 (22) (105-е изд.) (опубликовано 24 ноября 2010 г.): 220407. arXiv : 1007.4306 . doi : 10.1103/PhysRevLett.105.220407. ISSN  0031-9007. PMID  21231373. S2CID  36857911. Wikidata  Q27447776.
19. Один из многочисленных примеров см. в книге Полиимиды: материалы, обработка и применение , автор А. Дж. Кирби, ссылка на Google Books.

•  В этой статье использованы материалы из общедоступного федерального стандарта 1037C. Администрация общих служб . Архивировано из оригинала 2022-01-22. (в поддержку MIL-STD-188 ).

Внешние ссылки

• Статья «Максимальная диэлектрическая прочность тонких пленок оксида кремния» из IEEE Transactions on Electron Devices