Диэлектрическая прочность

Степень изоляции

В физике термин диэлектрическая прочность имеет следующие значения:

• для чистого электроизоляционного материала - максимальное электрическое поле , которое материал может выдержать в идеальных условиях, не подвергаясь электрическому пробою и не становясь электропроводящим (т. е. без нарушения его изолирующих свойств).
• Для конкретного куска диэлектрического материала и расположения электродов минимальное приложенное электрическое поле (т. е. приложенное напряжение, разделенное на расстояние между электродами), которое приводит к пробою. Это понятие напряжения пробоя .

Теоретическая диэлектрическая прочность материала является внутренним свойством сыпучего материала и не зависит от конфигурации материала или электродов, с помощью которых прикладывается поле. Эта «собственная диэлектрическая прочность» соответствует тому, что можно было бы измерить с использованием чистых материалов в идеальных лабораторных условиях. При пробое электрическое поле освобождает связанные электроны. Если приложенное электрическое поле достаточно велико, свободные электроны из-за фонового излучения могут ускоряться до скоростей, которые могут высвободить дополнительные электроны в результате столкновений с нейтральными атомами или молекулами в процессе, известном как лавинный пробой . Пробой происходит довольно резко (обычно за наносекунды ), что приводит к образованию электропроводящего пути и разрушительному разряду через материал. В твердом материале пробой 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 данным электрическим полем, создаваемым заданным напряжением , приложенным к нему, и, таким образом, имеет низкое электрическое сопротивление ; это называется электрический проводник . Материал, имеющий мало носителей заряда, будет проводить очень слабый ток при данном электрическом поле и имеет высокое удельное сопротивление; это называется электрический изолятор .

Однако когда к любому изолирующему веществу прикладывается достаточно большое электрическое поле, 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 пробойом . 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, и 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: выход из строя изоляционного материала вызывает короткое замыкание , приводящее к катастрофическому выходу из строя оборудования. Внезапное падение сопротивления вызывает протекание высокого тока через материал, а резкий джоулевый нагрев может привести к плавлению или взрывному испарению материала или других частей цепи. Однако сама поломка обратима. Если ток, подаваемый внешней цепью, достаточно ограничен, материал не повреждается, а уменьшение приложенного напряжения вызывает переход материала обратно в изолирующее состояние.

Факторы, влияющие на кажущуюся диэлектрическую прочность

• Оно может меняться в зависимости от толщины образца. ^[1] (см. «дефекты» ниже)
• Оно может меняться в зависимости от рабочей температуры .
• Оно может меняться в зависимости от частоты.
• Для газов (например, азота, гексафторида серы) оно обычно уменьшается с увеличением влажности, поскольку ионы в воде могут образовывать проводящие каналы.
• Для газов она увеличивается с давлением по закону Пашена.
• Для воздуха электрическая прочность незначительно увеличивается с увеличением абсолютной влажности, но снижается с увеличением относительной влажности ^[2]

Уменьшите напряженность поля

Напряженность поля, при которой происходит пробой, зависит от соответствующей геометрии диэлектрика (изолятора) и электродов, с помощью которых прикладывается электрическое поле , а также от скорости увеличения приложенного электрического поля. Поскольку диэлектрические материалы обычно содержат мелкие дефекты, практическая диэлектрическая прочность будет значительно меньше, чем собственная электрическая прочность идеального, бездефектного материала. Диэлектрические пленки имеют тенденцию проявлять большую диэлектрическую 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 . ^{[ необходимы разъяснения ]} Несколько слоев тонких диэлектрических пленок используются там, где требуется максимальная практическая диэлектрическая прочность, например, в высоковольтных конденсаторах и импульсных трансформаторах . Поскольку диэлектрическая прочность газов варьируется в зависимости от формы и конфигурации электродов, ^[4] ее обычно измеряют в долях диэлектрической прочности газообразного азота .

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

Единицы

В системе СИ единицей электрической прочности является вольт на метр (В/м). Также часто встречаются связанные единицы, такие как вольт на сантиметр (В/см), мегавольт на метр (МВ/м) и так далее.

В общепринятых в США единицах измерения электрическая прочность часто указывается в вольтах на мил (мил равен 1/1000 дюйма ). ^[16] Преобразование:

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

Смотрите также

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

Рекомендации

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 другие. (2013). «Зависимость диэлектрической прочности в нановакуумных зазорах от размера зазора». ИИЭЭ . 20 (4): 1467–1471. дои : 10.1109/TDEI.2013.6571470. S2CID  709782.
5. CRC Справочник по химии и физике
6. Хонг, Алиса (2000). Элерт, Гленн (ред.). «Диэлектрическая прочность воздуха». Справочник по физике . Проверено 18 июня 2020 г.
7. Фёлль, Х. «3.5.1 Электрические поломки и отказы». Tf.uni-kiel.de . Проверено 18 июня 2020 г.
8. Сюй, Черри (2009). Элерт, Гленн (ред.). «Диэлектрическая прочность полиэтилена». Справочник по физике . Проверено 18 июня 2020 г.
9. «Материалы Azom - Свойства оксида бериллия» . azom.com. Проверено 5 декабря 2023 г.
10. Гьер, Стефан; Куррат, Майкл; Шуман, Ульф. Диэлектрическая прочность высоковольтных экранирующих электродов вакуумных выключателей (PDF) . 20-й международный симпозиум по разрядам и электроизоляции в вакууме. Архивировано из оригинала (PDF) 1 марта 2012 г. Проверено 18 июня 2020 г.
11. Муляхова, Даша (2007). Элерт, Гленн (ред.). «Диэлектрическая прочность вощеной бумаги». Справочник по физике . Проверено 18 июня 2020 г.
12. Гленн Элерт. «Диэлектрики - Гиперучебник физики». Физика.инфо . Проверено 18 июня 2020 г.
13. «Электронные свойства алмаза». el.angstrom.uu.se . Проверено 10 августа 2013 г.
14. Моаззами, Реза; Чэньмин Ху; Уильям Х. Шеперд (сентябрь 1992 г.). «Электрические характеристики тонких сегнетоэлектрических пленок ЦТС для приложений DRAM» (PDF) . Транзакции IEEE на электронных устройствах . 39 (9): 2044. Бибкод : 1992ITED...39.2044M. дои : 10.1109/16.155876.
15. Б. Андерсен; Э. Ринггаард; Т. Бове; А. Альбареда и Р. Перес (2000). «Характеристики пьезоэлектрических керамических многослойных деталей на основе твердого и мягкого ЦТС». Труды Actuator 2000 : 419–422.
16. Один из многих примеров см. в разделе « Полиимиды: материалы, обработка и применение » Эй. Дж. Кирби, ссылка на книги Google.

•  Эта статья включает общедоступные материалы из Федерального стандарта 1037C. Управление общего обслуживания . Архивировано из оригинала 22 января 2022 г. (в поддержку MIL-STD-188 ).

Внешние ссылки

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