В электронике электрический пробой или пробой диэлектрика — это процесс, который происходит, когда электроизоляционный материал ( диэлектрик ), подвергнутый воздействию достаточно высокого напряжения , внезапно становится проводником и через него течет ток . Все изоляционные материалы подвергаются пробою, когда электрическое поле , вызванное приложенным напряжением, превышает диэлектрическую прочность материала . Напряжение, при котором данный изолирующий объект становится проводящим, называется его напряжением пробоя и, помимо его диэлектрической прочности, зависит от его размера и формы, а также от места на объекте, к которому приложено напряжение. При достаточном напряжении электрический пробой может произойти в твердых телах , жидкостях или газах (и теоретически даже в вакууме ). Однако конкретные механизмы пробоя для каждого вида диэлектрической среды различны.
Электрический пробой может быть кратковременным событием (как при электростатическом разряде ) или может привести к возникновению непрерывной электрической дуги , если защитные устройства не могут прервать ток в силовой цепи. В этом случае электрический пробой может вызвать катастрофический выход из строя электрооборудования и опасность пожара .
Электрический ток — это поток электрически заряженных частиц в материале, вызванный электрическим полем , обычно создаваемым напряжением на материале. Подвижные заряженные частицы, составляющие электрический ток, называются носителями заряда . В разных веществах носителями заряда служат разные частицы: в металлах и некоторых других твердых телах некоторые внешние электроны каждого атома ( электроны проводимости ) способны перемещаться в материале; в электролитах и плазме носителями заряда являются ионы , электрически заряженные атомы или молекулы и электроны. Материал, который имеет высокую концентрацию носителей заряда, доступных для проводимости, например металл , будет проводить большой ток в заданном электрическом поле и, таким образом, имеет низкое электрическое сопротивление ; это называется электрический проводник . [1] Материал с небольшим количеством носителей заряда, например стекло или керамика, проводит очень слабый ток при заданном электрическом поле и имеет высокое удельное сопротивление; это называется электрическим изолятором или диэлектриком . Вся материя состоит из заряженных частиц, но общим свойством изоляторов является то, что отрицательные заряды, орбитальные электроны, тесно связаны с положительными зарядами, атомными ядрами , и их нелегко освободить, чтобы они стали подвижными.
Однако когда к любому изолирующему веществу прикладывается достаточно большое электрическое поле, при определенной напряженности поля количество носителей заряда в материале внезапно увеличивается на много порядков, поэтому его сопротивление падает, и он становится проводником. [1] Это называется электрическим пробоем . Физический механизм разрушения у разных веществ различен. В твердых телах это обычно происходит, когда электрическое поле становится достаточно сильным, чтобы оттягивать внешние валентные электроны от их атомов, поэтому они становятся подвижными, а тепло, создаваемое их столкновениями с другими атомами, высвобождает дополнительные электроны. В газе электрическое поле ускоряет небольшое количество естественно присутствующих свободных электронов (из-за таких процессов, как фотоионизация и радиоактивный распад ) до достаточно высокой скорости, так что при столкновении с молекулами газа они выбивают из них дополнительные электроны, называемую ионизацией , которая Продолжайте ионизировать больше молекул, создавая больше свободных электронов и ионов в цепной реакции, называемой разрядом Таунсенда . Как показывают эти примеры, в большинстве материалов разрушение происходит в результате быстрой цепной реакции , в которой подвижные заряженные частицы высвобождают дополнительные заряженные частицы.
.jpg/1280px-225W_Zeus_Tesla_coil_-_arcs3_(cropped).jpg)
Напряженность электрического поля (в вольтах на метр), при которой происходит пробой, является внутренним свойством изоляционного материала, называемым его диэлектрической прочностью . Электрическое поле обычно создается напряжением, приложенным к материалу. Приложенное напряжение, необходимое для того, чтобы вызвать пробой данного изолирующего объекта, называется напряжением пробоя объекта . Электрическое поле, создаваемое в данном изолирующем объекте приложенным напряжением, меняется в зависимости от размера и формы объекта, а также расположения на объекте электрических контактов, к которым приложено напряжение, поэтому помимо диэлектрической прочности материала пробой напряжение зависит от этих факторов.
В плоском листе изолятора между двумя плоскими металлическими электродами электрическое поле пропорционально напряжению, деленному на толщину изолятора, поэтому, как правило, напряжение пробоя пропорционально диэлектрической прочности и длине изоляции между двумя проводниками.
Однако форма проводников может влиять на напряжение пробоя.
Пробой — локальный процесс, и в изолирующей среде, подверженной большой разности напряжений, начинается в любой точке изолятора, где электрическое поле впервые превышает локальную диэлектрическую прочность материала. Поскольку электрическое поле на поверхности проводника наиболее сильно в выступающих частях, острых точках и краях, для проводника, погруженного в однородный изолятор, такой как воздух или масло, пробой обычно начинается именно в этих точках. В твердом изоляторе пробой часто начинается с локального дефекта, например, трещины или пузыря в керамическом изоляторе. Если напряжение достаточно низкое, пробой может остаться ограниченным этой небольшой областью; это называется частичный разряд . В газе, прилегающем к остроконечному проводнику, локальные процессы пробоя, коронный разряд или щеточный разряд могут привести к утечке тока из проводника в газ в виде ионов. Однако обычно в однородном твердом изоляторе после того, как одна область разрушилась и стала проводящей, на нем нет падения напряжения, и полная разность напряжений прикладывается к остальной длине изолятора. Поскольку падение напряжения теперь происходит на более короткой длине, это создает более сильное электрическое поле в оставшемся материале, что приводит к разрушению большего количества материала. Таким образом, область пробоя быстро (в течение наносекунд) распространяется в направлении градиента напряжения (электрического поля) от одного конца изолятора к другому, пока через материал между двумя контактами не будет создан непрерывный проводящий путь, применяющий разность напряжений. позволяя току течь между ними, вызывая электрическую дугу .
Электрический пробой может произойти и без приложенного напряжения из-за электромагнитной волны. Когда достаточно интенсивная электромагнитная волна проходит через материальную среду, электрическое поле волны может быть достаточно сильным, чтобы вызвать временный электрический пробой. Например, лазерный луч, сфокусированный на небольшом пятне в воздухе, может вызвать электрический пробой и ионизацию воздуха в фокусе.
В практических электрических цепях электрический пробой обычно является нежелательным явлением: выход из строя изоляционного материала вызывает короткое замыкание , которое может привести к катастрофическому выходу из строя оборудования. В силовых цепях внезапное падение сопротивления приводит к прохождению высокого тока через материал, вызывая возникновение электрической дуги , и если устройства безопасности не прерывают ток быстро, внезапный сильный джоулевый нагрев может привести к повреждению изоляционного материала или других частей цепи. взрывоопасно плавиться или испаряться, вызывая повреждение оборудования и создавая опасность пожара. Однако внешние защитные устройства в цепи, такие как автоматические выключатели и ограничения тока , могут предотвратить высокий ток; а сам процесс распада не обязательно является разрушительным и может быть обратимым. Если ток, подаваемый внешней цепью, снимается достаточно быстро, материал не повреждается, а уменьшение приложенного напряжения вызывает переход материала обратно в изолирующее состояние.
Молнии и искры, возникающие из-за статического электричества , являются естественными примерами электрического пробоя воздуха. Электрический пробой является частью нормального режима работы ряда электрических компонентов , таких как газоразрядные лампы , такие как люминесцентные лампы и неоновые лампы , стабилитроны , лавинные диоды , IMPATT-диоды , ртутные выпрямители , тиратроны , зажигательные и критронные трубки . и свечи зажигания .
Электрический пробой часто связан с выходом из строя твердых или жидких изоляционных материалов, используемых внутри трансформаторов высокого напряжения или конденсаторов в распределительной электросети , что обычно приводит к короткому замыканию или перегоранию предохранителя. Электрический пробой также может произойти на изоляторах, на которых подвешены воздушные линии электропередачи , внутри подземных силовых кабелей или на линиях, идущих по дуге к близлежащим ветвям деревьев.
Пробой диэлектрика также важен при проектировании интегральных схем и других твердотельных электронных устройств. Изоляционные слои в таких устройствах рассчитаны на нормальное рабочее напряжение, но более высокое напряжение, например статическое электричество, может разрушить эти слои, сделав устройство бесполезным. Диэлектрическая прочность конденсаторов ограничивает количество хранимой энергии и безопасное рабочее напряжение устройства. [2]
Механизмы распада различаются в твердых телах, жидкостях и газах. На пробой влияют материал электродов, резкая кривизна материала проводника (приводящая к локальному усилению электрических полей), размер зазора между электродами и плотность материала в зазоре.
В твердых материалах (например, в силовых кабелях ) пробой обычно предшествует длительный частичный разряд , вызванный таким дефектом, как трещина или пузырь в материале. Частичный разряд представляет собой локальную ионизацию и нагрев области, приводящий к разрушению ближайших к дефекту изоляторов и металлов. В конечном итоге частичный разряд обугливается через канал из карбонизированного материала, который проводит ток через зазор.
Возможные механизмы разрушения жидкостей включают пузырьки, мелкие примеси и электрический перегрев . Процесс пробоя в жидкостях осложняется гидродинамическими эффектами, поскольку на жидкость оказывает дополнительное давление нелинейная напряженность электрического поля в зазоре между электродами.
В сжиженных газах, используемых в качестве хладагентов для сверхпроводимости , таких как гелий при 4,2 К или азот при 77 К, пузырьки могут вызвать пробой.
В масляных и масляных трансформаторах напряженность поля пробоя составляет около 20 кВ/мм (по сравнению с 3 кВ/мм для сухого воздуха). Несмотря на то, что используются очищенные масла, в этом виноваты мелкие частицы загрязнений.
Электрический пробой происходит внутри газа при превышении диэлектрической прочности газа. Области с интенсивными градиентами напряжения могут привести к частичной ионизации близлежащего газа и началу проводимости. Это делается намеренно при разрядах низкого давления, например, в люминесцентных лампах . Напряжение, приводящее к электрическому пробою газа, аппроксимируется законом Пашена .
Частичный разряд в воздухе вызывает запах озона «свежего воздуха» во время грозы или вокруг высоковольтного оборудования. Хотя воздух обычно является отличным изолятором, при воздействии достаточно высокого напряжения ( электрическое поле около 3 x 10 6 В/м или 3 кВ/мм [3] ) воздух может начать разрушаться, становясь частично проводящим. В относительно небольших зазорах напряжение пробоя в воздухе является функцией длины зазора, умноженной на давление. Если напряжение достаточно велико, полный электрический пробой воздуха завершится возникновением электрической искры или электрической дуги , перекрывающей весь зазор.
Цвет искры зависит от газов, входящих в состав газообразной среды. В то время как маленькие искры, возникающие из-за статического электричества, могут быть едва слышны, более крупные искры часто сопровождаются громким щелчком или хлопком. Молния является примером огромной искры, длина которой может достигать многих миль, а производимый ею гром можно услышать на очень большом расстоянии.
Если предохранителю или автоматическому выключателю не удается прервать ток через искру в силовой цепи, ток может продолжаться, образуя очень горячую электрическую дугу (около 30 000 градусов Цельсия ). Цвет дуги зависит в первую очередь от проводящих газов, некоторые из которых могли быть твердыми до того, как испарились и смешались с горячей плазмой дуги. Свободные ионы внутри и вокруг дуги рекомбинируются, образуя новые химические соединения, такие как озон , окись углерода и закись азота . Озон легче всего заметить благодаря его отчетливому запаху. [4]
Хотя искры и дуги обычно нежелательны, они могут быть полезны в таких применениях, как свечи зажигания для бензиновых двигателей, электросварка металлов или плавка металла в электродуговой печи . До газового разряда газ светится разными цветами, которые зависят от энергетических уровней атомов. Не все механизмы до конца понятны.
Ожидается , что сам вакуум подвергнется электрическому пробою на пределе Швингера или около него .
Перед пробоем газа существует нелинейная зависимость между напряжением и током, как показано на рисунке. В области 1 находятся свободные ионы, которые могут ускоряться полем и индуцировать ток. Они насыщаются после определенного напряжения и дают постоянный ток, область 2. Области 3 и 4 вызваны ионной лавиной, что объясняется механизмом разряда Таунсенда .
Фридрих Пашен установил связь между состоянием пробоя и напряжением пробоя. Он вывел формулу , которая определяет напряжение пробоя ( ) для однородных полевых зазоров как функцию длины зазора ( ) и давления зазора ( ). [5]
Пашен также вывел зависимость между минимальным значением зазора давления, при котором пробой происходит при минимальном напряжении. [5]
и являются константами, зависящими от используемого газа.
Частичный пробой воздуха происходит в виде коронного разряда на проводниках высокого напряжения в точках с наибольшим электрическим напряжением. Проводники с острыми кончиками или шарики небольшого радиуса склонны вызывать пробой диэлектрика, поскольку напряженность поля вокруг острий выше, чем вокруг плоской поверхности. Высоковольтные устройства имеют закругленные кривые и регулировочные кольца , чтобы избежать концентрированных полей, вызывающих пробой.
Корону иногда можно увидеть как голубоватое свечение вокруг проводов высокого напряжения и услышать как шипящий звук вдоль линий электропередачи высокого напряжения. Корона также генерирует радиочастотный шум, который также можно услышать в радиоприемниках как «статический» или жужжащий. Коронавирус также может возникать естественным образом в виде « огня Святого Эльма » в высоких точках, таких как церковные шпили, верхушки деревьев или корабельные мачты во время грозы.
Генераторы озона с коронным разрядом уже более 30 лет используются в процессе очистки воды . Озон — токсичный газ, даже более мощный, чем хлор. На типичной станции очистки питьевой воды озон растворяется в фильтрованной воде, чтобы убить бактерии и вирусы . Озон также удаляет неприятные запахи и вкус воды. Основное преимущество озона заключается в том, что любая остаточная передозировка разлагается до газообразного кислорода задолго до того, как вода достигнет потребителя. В отличие от газообразного хлора или солей хлора, которые дольше остаются в воде и могут почувствовать вкус потребителя.
Хотя коронный разряд обычно нежелателен, до недавнего времени он был необходим при работе копировальных аппаратов ( ксерографов ) и лазерных принтеров . Многие современные копировальные аппараты и лазерные принтеры теперь заряжают барабан фотопроводника электропроводящим роликом, что снижает нежелательное загрязнение озоном в помещении .
Молниеотводы используют коронный разряд для создания проводящих путей в воздухе, направленных к стержню, отклоняя потенциально опасную молнию от зданий и других сооружений. [6]
Коронные разряды также используются для модификации свойств поверхности многих полимеров . Примером является обработка пластиковых материалов коронным разрядом, которая позволяет краске или чернилам правильно прилипать.
Разрывное устройство [ нужна ссылка ] предназначено для электрического перенапряжения диэлектрика, превышающего его диэлектрическую прочность , чтобы намеренно вызвать электрический пробой устройства. Разрушение вызывает внезапный переход части диэлектрика из изолирующего состояния в состояние с высокой проводимостью . Этот переход характеризуется образованием электрической искры или плазменного канала с возможным последующим возникновением электрической дуги через часть диэлектрического материала.
Если диэлектрик твердый, постоянные физические и химические изменения на пути разряда значительно уменьшат диэлектрическую прочность материала, и устройство можно будет использовать только один раз. Однако если диэлектрический материал представляет собой жидкость или газ, диэлектрик может полностью восстановить свои изолирующие свойства после внешнего прерывания тока через плазменный канал.
Коммерческие искровые разрядники используют это свойство для резкого переключения высокого напряжения в импульсных энергосистемах , для обеспечения защиты от перенапряжения в телекоммуникационных и электроэнергетических системах, а также для воспламенения топлива через свечи зажигания в двигателях внутреннего сгорания . Передатчики с искровым разрядником использовались в первых радиотелеграфных системах.
