Ответы с Ириными дополнениями, страница 8

Если в момент столкновения электрона с нейтральной молеку­лой его добавочная энергия W будет равна или больше энергии ионизации Wи данной молекулы (W≥ Wи), то произойдет ее расщепле­те на положительный ион и электрон, т.е. произойдет электронная ударная ионизация.

После первого акта электронной ударной ионизации уже два (2n) электрона, разгоняясь в поле, будут ионизировать молекулы. Если в момент их «соударения» с молекулами W > Wи, то образуются четыре свободных электрона, при последующем акте — 8, затем 16 и т.д. Начальная напряжённость – напряжённость поля, зависящая от давления, температуры и частоты напряжения, обеспечивающая начало электронной ударной ионизации.

Кроме электронной ударной ионизации, важная роль при пробое принадлежит фотоионизации. Если при соударении электрона с мо­лекулой W электрона окажется меньше, чем Wи данной молекулы, то она не ионизирует. Получив добавочную энергию W, молекула пере­ходит в возбужденное состояние (один из ее валентных электронов перейдет на более высокий энергетический уровень). Это состояние молекулы неустойчивое, и, спустя примерно 10^-8 с, электрон возвра­тится на прежний энергетический уровень, а молекула излучит квант.

Фотоны, двигаясь со скоростью на два по­рядка большей, чем электронные лавины, значитель­но опережают последние. «Столкнувшись» с нейтральной молеку­лой, фотон ее ионизирует, если энергия, приобретенная молекулой, будет больше или равна ее энергии ионизации Wи. Этот процесс на­зывается фотоионизацией. Если энергия фотона окажется меньше Wи молекулы, то фотоионизации не произойдет. Получив энергию фо­тона, молекула перейдет в возбужденное состояние. В следующий момент молекула возвратится в нормальное состояние, излучив фо­тон. Этот процесс может повториться многократно, пока фотон не поглотится молекулой воздуха, имеющей Wи, равную или меньшую энергии фотона.

Образовавшийся в результате фотоионизации электрон, двигаясь к аноду и сталкиваясь с нейтральной молекулой, ионизирует ее, по­рождая новую, «дочернюю» лавину, находящуюся далеко впереди ос­новной лавины. Фотоны, испускаемые лавинами, дале­ко вперед обгоняя их, зарождают все новые и новые дочерние лавины. Основная и дочерние лавины, двигаясь к аноду, растут, до­гоняют друг друга, сливаются и образуют электроотрицательный стример — цепочку электронных лавин, слившихся в единое целое. При этом если электронные лавины распространя­ются прямолинейно, то стример — зигзагообразно.

Одновременно с ростом электроотрицательного стримера начина­ет образовываться поток из положительных ионов, концентрация ко­торых особенно велика вблизи анода. Положительные ионы движутся в обратном направлении, образуя электроположительный стример, который перекрывает пространство между анодом и ка­тодом. Подходя к катоду, положительные ионы, ударяясь о его поверхность, образуют светящееся катодное пятно, излучающее элек­троны — «вторичные» электроны. Происходит холодная эмиссия электронов из катода. Положительный стример, заполняясь вторичными электронами и электронами, образующимися в резуль­тате электронной ударной ионизации и фотоионизации, превращает­ся в сквозной канал газоразрядной плазмы. Электропроводность этого канала очень высока, и по нему устремляется ток короткого замы­кания Iкз,.

Образование плазменного газоразрядного канала фактически и есть пробой газов. Возникновение Iкз — следствие пробоя. в зависимости от величины Iкз пробой проявляется в виде искры или электрической дуги.

Чем больше энергия ионизации Wи молекул диэлектрика и меньше средняя длина свободного пробе­га электрона X, тем выше электрическая прочность.

Закон Пашена. Закон Пашена показывает зависимость Unp газо­образных диэлектриков в конкретной конструкции от произведения давления Р газа на расстояние h между электродами. Закон устанавливает, что каждому газу соответствует свое минимальное значение пробивного напряжения Unp.мин в зависимости от произве­дения Ph.

В неоднородном электрическом поле общий вид зависимости электрической прочности газов от давления Р, расстояния между электродами h, произведения Ph (закон Пашена), частоты напряже­ния/и химического состава сохраняется таким же, что и в однород­ном электрическом поле. Однако в неоднородном электрическом поле пробой газов наступает при более низком значении напряжен­ности поля, и чем больше неоднородность поля, тем ниже электри­ческая прочность газов.

Неоднородное электрическое поле возникает между электродами типа стержень-плоскость, стержень-стержень, между шаровыми электродами при h/r >1, между проводами, линейным проводом и землей, на заостренных краях, заусенцах и т.п.

Пробою газа (воздуха) в неоднородном поле предшествует коpонный разряд или корона, являющийся неполным пробоем. Корона возникает при Uк, которое ниже, чем Unp ( Uk < Unp), вблизи электрода с малым радиусом кривизны, на заостренных металлических кpаях и т.п.; она наблюдается в виде прерывистого голубоватого све­чения и сопровождается характерным звуком (жужжанием или по-трескиванием). С повышением напряжения коронный разряд переходит в искровой и затем при достаточной мощности источника напряжения — в дуго­вой разряд.

В случае электродов типа стер­жень—плоскость, создающих резко неодно­родное поле, Uпр газов будет наименьшим при положительной полярности стержня и наибольшим — при отрицательной поляр­ности стержня (рис. 5.8). Объясняется это следующим. Как

Рис. 5.8. Зависимость пробивного напряжения U воздуха от расстояния h

между электродами (поле неоднородное)

Отмечено выше, пробою воздушного промежутка предшествует коронный разряд. Образующиеся при этом электроны, имея большую (в ~ 1000 раз) подвижность, чем положительные ионы, быстро уходят из коронирующего слоя, и возникает объемный положительный заряд. Образо­вавшийся около острия электрода объемный положительный заряд по-разному влияет на величину Um воздушно­го промежутка. Если на электроде в виде стержня будет положитель­ный потенциал, то объемный положительный заряд приведет к уве­личению напряженности поля во внешней области короны, и пробой произойдет при более низком значении Uпp. Если на стержне будет отрицательный потенциал, тогда объемный положительный за­ряд уменьшит напряженность поля во внешней области короны, и пробой воздушного промежутка наступит при большем значении Unp. С уменьшением длительности импульса (повышением частоты на­пряжения) различие между значениями Unp в зависимости от поляр­ности стержня уменьшается. Величина Uпр при пробое газа при вы­соких частотах в неоднородном поле (в отличие от пробоя в однородном поле) значительно ниже, чем Uпр при постоянном на­пряжении или напряжении промышленной частоты В неоднородных полях с увеличением влажности воздуха

про­бивное напряжение Unp возрастает. Это можно объяснить повышен­ной способностью молекул воды захватывать свободные электроны и превращаться в малоподвижные отрицательные ионы. В результате число ионизирующих электронов в межэлектродном пространстве уменьшается, поэтому разрядное напряжение" возрастает. Прибли­женно можно считать, что при увеличении абсолютной влажности воздуха в два раза Unp при частоте 50 Гц возрастает на 10%.

15. Электрический и тепловой пробой.

Твердые диэлектрики являются важной составной частью любого электротехнического устройства. Задача их — не допускать прохож­дения тока нежелательными путями. При некотором критическом напряжении, превышающем Upаб, ток проводимости резко (скачкообразно) возрастет и диэлек­трик утратит свои электроизоляционные свойства — наступает про­бой. Пробой твердых диэлектриков завершается их тепловым или (и) механическим разрушением.

Различают три основные формы пробоя твердых диэлектриков:

электрическую,

электротепловую

электрохимическую,

каждая из которых может иметь место у одного и того же диэлектрика в за­висимости от его состояния и внешних условий — наличия дефектов, в том числе пор, охлаждения, времени воздействия напряжения, характера электрического поля (постоянное, переменное или импульсное, низкой или высокой частоты) и т.п. Наиболее часто встречаемой и наиболее хорошо изученной является электротепло­вая форма пробоя. Каждый из этих трех видов пробоя может проте­кать самостоятельно, но чаще один механизм накладывается на другой, или пробой начинается по одной из форм пробоя, а завер­шается другой.

Электрический пробой

В основе механизма электрического пробоя твердых диэлектриков лежат электронные лавинообразные процессы. Пробой наступает вследствие образования в диэлектрике между электродами плазменного газоразрядного канала, в формировании которого участвуют эмиссионные токи из катода и свободные заряды, образующиеся в результате электронной ударной ионизации и фотоионизации. Завершается пробой механическим или тепловым разрушением, вызванным током короткого замыкания Iкз.

Существенное влияние на механизм электрического пробоя оказывает отрицательный объемный заряд, образующийся при инжекции электронов из катода за счет их захвата ловушками диэлек­трика.

На основании имеющихся экспериментальных данных механизм электрического пробоя твердых диэлектриков выглядит следующим образом. На начальной стадии из-за неполного пробоя образуется прерывистый канал небольшого диаметра (у NaCl менее 1мкм). Да­лее, в результате увеличения плотности тока до 10⁸—10⁹ А/м² , канал проплавляется до диаметра 10—12 мкм и начинает прорастать к про­тивоположному электроду. Вокруг прорастающего канала наблюда­ется свечение прилегающей области, диаметр которой намного боль­ше диаметра канала. В завершающей стадии, когда проводящий канал касается электрода, ток резко возрастает — наступает пробой. Степень разрушения диэлектрика в завершающей стадии зависит не только от природы самого диэлектрика, но и в значительной степени от величины тока в разрядной цепи Iкз, т.е. от мощности источника напряжения и сопротивления внешней цепи. В аморфных диэлек­триках форма канала неполного пробоя имеет вид извилистой, вет­вящейся линии. В кристаллах эти каналы прямолинейны и, как правило, ориентированы в одном из кристаллографических направ­лений. Времени, необходимого для образования канала пробоя, тре­буется в 10—100 раз больше, чем при пробое воздуха.

С точки зрения зонной теории твердого тела, механизм электронной ударной ио­низации можно представить следующим образом. Электрон, находящийся в зоне про­водимости (ЗП) (свободный электрон), разгоняясь под действием электрического поля, увеличивает свою энергию. Эту приобретенную (добавочную) энергию электрон с некоторой вероятностью может передать другому электрону, находящемуся в ва­лентной зоне (ВЗ). В случаях, когда энергия, получаемая электроном, находящимся в ВЗ, будет равна или больше ширины запрещенной зоны (33) ∆W (∆Wравна энергии ионизации Wи), этот электрон из ВЗ перейдет в ЗП. Если при этом сам ионизирую­щий электрон остается в ЗП, то происходит лавинное увеличение электронов в ЗП. Наступает пробой.

Напряженность поля, при которой происходит пробой твер­дых диэлектриков, достигает высоких значений — до 10³ МВ/м и более. Такие высокие значения Епр можно объяснить тем, что по сравнению с воздухом твердый диэлектрик имеет более высокую (в ~1000 раз) плотность упаковки своего тела частицами (молекулами или ионами) и, следовательно, малую величину средней длины сво­бодного пробега электрона λ. Поэтому для образования электронных лавин необходимы более высокие значения напряженности поля, чем у воздуха.

Получить чисто электрическую форму пробоя трудно. Обычно на этот вид пробоя накладывается электротепловая или (и) электрохи­мическая форма пробоя. Чтобы исключить (или снизить) различные побочные влияния на электрическую форму, пробой производят на импульсах напряжения в среде жидкого диэлектрика, ε которого больше, чем ε испытуемого образца. Для электрического пробоя ха­рактерны:

а) малое время развития пробоя (10^-6с и менее);

б)незначительная зависимость Епр (практически не зависит) от толщины образца при h ≥10—20 мкм и времени приложения напря­жения при τ ≥ 10^-7 — 10^-6 с. При толщине образца менее 10—20мкм имеет место электрическое упрочнение — существенное увеличение Епр при уменьшении h.

При электрической форме пробоя величина Епр существенно за­висит от плотности упаковки структурных элементов диэлектрика, т-е. от плотности упаковки ионов — при ионном строении, моле­кул — при молекулярном строении, макромолекул и образуемых ими надмолекулярных структур (типа и размера) — у полимеров. Плот­ность упаковки структурных элементов, в свою очередь, зависит от химического состава и строения диэлектрика.

Электротепловой пробой

Электротепловой пробой твердых диэлектриков на практике встре­чается чаще, чем другие формы пробоя. Возникает он вследствие на­рушения в диэлектрике теплового равновесия между процессами те­пловыделения и теплоотдачи и проявляется в тепловом разрушении материала (расплавлении, прожиге и т.п.) в месте наибольших ди­электрических потерь.

Под действием диэлектрических потерь, обусловленных релак­сационными видами поляризации и током сквозной проводимости, протекает процесс тепловыделения материал диэлектрической кон­струкции нагревается. Повышение температуры сопровождается возрастанием диэлектрических потерь и, следовательно, дальней­шим увеличением количества выделяемого тепла. Образующееся тепло в результате высокой теплопроводности металла токопроводящих частей электроустановки, а также конвекции воздуха (или жидкого диэлектрика) отводится от диэлектрика в окружающую среду — идет процесс теплоотдачи. Если при этом тепловыделение превысит теплоотдачу, то разогрев диэлектрика приведет в конеч­ном счете к тепловому разрушению материала и потере электриче­ской прочности.