Билет №18 (Ответы на экзамен 2)
Описание файла
Файл "Билет №18" внутри архива находится в папке "otvety_v2". Документ из архива "Ответы на экзамен 2", который расположен в категории "". Всё это находится в предмете "материалы и элементы электронной техники" из 5 семестр, которые можно найти в файловом архиве НИУ «МЭИ» . Не смотря на прямую связь этого архива с НИУ «МЭИ» , его также можно найти и в других разделах. Архив можно найти в разделе "к экзамену/зачёту", в предмете "материалы и элементы электронный техники" в общих файлах.
Онлайн просмотр документа "Билет №18"
Текст из документа "Билет №18"
7
Билет №18
ПРОБОЙ ДИЭЛЕКТРИКОВ
5.1. ОПРЕДЕЛЕНИЯ И ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
Пробоем диэлектрика называют такое его состояние, когда диэлектрик при некотором значении напряженности электрического поля утрачивает свои электроизоляционные свойства. В диэлектрике образуется канал проводимости.
Следствием пробоя является возникновение тока короткого замыкания Iкз, который не зависит от природы диэлектрика и определяется лишь мощностью источника напряжения и сопротивлением внешней цепи. Ток короткого замыкания приводит к механическому и тепловому разрушению твердого диэлектрика — образуется сквозное проплавленное отверстие. Изделие с «пробитой» изоляцией не подлежит эксплуатации, так как при подаче напряжения произойдет повторно пробой изоляции, но уже при более низком напряжении. При пробое газообразного или жидкого диэлектрика в результате подвижности молекул после снятия напряжения «пробитый» участок восстанавливает свои первоначальные свойства и такой диэлектрик можно использовать вновь. При пробое газообразных диэлектриков принимают максимальные (амплитудные) значения напряжения и тока (Uм =√2Uэф, Iм = √2Uэф), так как пробой газов обусловлен чисто электрическими процессами — электронной ударной ионизацией, фотоионизацией и холодной эмиссией электронов из катода.
При пробое твердых и жидких диэлектриков принимают действующие (эффективные) значения напряжения Uэф и тока Iэф, так как пробой этих диэлектриков обусловлен не только электронными процессами, но и тепловыми, возникающими в результате диэлектрических потерь.
Напряжение, при котором наступает пробой, называют пробивным напряжением Uпp, a напряженность электрического поля в данном случае характеризует электрическую прочность Епр диэлектрика.
Следовательно, электрическая прочность Епр диэлектрика — это минимальное значение напряженности приложенного электрического поля, при котором наступает пробой. В простейшем случае можно принять
Еnp=Uпр/h, (5-1)
где h — толщина диэлектрика в месте пробоя.
Электрическая прочность Епр диэлектриков зависит в первую очередь от степени однородности образца (у твердых диэлектриков — от количества и размера пор, у жидких — от частиц нерастворенной примеси, у воздуха — от микрокапель влаги), химического состава и строения материала, толщины образца (расстояния между электродами), частоты и времени приложения напряжения, давления, влажности и т.д. На сегодняшний день нет теории, которая учитывала бы одновременное влияние всех указанных факторов на механизм пробоя и с помощью которой можно было бы определить Eпр любого диэлектрика. Поэтому для всех диэлектриков Eпр определяют экспериментально. Наиболее хорошо изученным является механизм пробоя воздуха.
Для надежной работы электротехнических устройств (деталей) Uраб берется всегда ниже, чем Uпp изоляции. Отношение Unp/Upаб представляет собой коэффициент запаса электрической прочности изоляции.
Различают пробой полный — канал проводимости проходит через всю толщу диэлектрика от одного электрода к другому (рис. 5.1, а),
неполный (например, коронный разряд) — канал проводимости не достигает одного из электродов и
частичный —- пробой происходиттолько в газовых или жидкостных включениях (порах) твердой изоляции.
При совместном использовании диэлектриков, находящихся в различных агрегатных состояниях, пробой может произойти не сквозь толщу одного из них, а по границе раздела фаз (см. рис. 5.1, б).
Рис. 5.1. Пробой (а) и поверхностное перекрытие (6) твердого диэлектрика (схематически)
Такой пробой называют поверхностным (поверхностным разрядом, или поверхностным перекрытием). Практически чаще всего изоляционная среда состоит из твердого диэлектрика и воздуха. В этом случае разряд происходит вдоль поверхности твердого диэлектрика в прилегающих слоях воздуха, и напряжение поверхностного разряда Uр будет ниже, чем Unp воздуха (Uпр> Uр).
5.2. ПРОБОЙ ГАЗООБРАЗНЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ
Пробой газообразных диэлектриков имеет чисто электрическую форму. Механизм пробоя газов рассмотрим на примере пробоя воздуха.
В результате воздействия внешнего ионизирующего излучения воздух всегда содержит некоторое количество свободных ионов и электронов, которые, так же как и нейтральные молекулы, находятся в тепловом (хаотическом) движении. При приложении электрического поля эти заряженные частицы дополнительно приобретают направленное движение. Важная роль при пробое, особенно в начальной стадии, принадлежит электронам как частицам, имеющим намного большую подвижность, чем ионы (см. гл. 3.1). Кроме того, при электронной ударной ионизации (см.ниже) отщепляемый от молекулы электрон отталкивается от нее ионизирующим электроном, облегчая условие ионизации.
В упрощенном виде механизм пробоя газов сводится к следующему. Свободный электрон (обычно это n свободных электронов) под действием приложенного электрического поля, двигаясь по направлению к аноду, приобретает добавочную энергию W, равную для однородного поля
W = e•λ•E, (5.2)
где е — заряд электрона;
λ. — средняя длина свободного пробега электрона (участок пути, пройденный электроном от столкновения с одной молекулой до столкновения с другой молекулой);
Е — напряженность электрического поля (фактически это градиент потенциала поля на участке λ).
Если в момент столкновения электрона с нейтральной молекулой его добавочная энергия W будет равна или больше энергии иониззации Wи данной молекулы (W≥ Wи), то произойдет ее расщеплете на положительный ион и электрон, т.е. произойдет электронная ударная ионизация. Значения энергии однократной ионизации атомов химических элементов лежат в относительно широких пределах: от 3,86 (Cs) до 24,58 (Не) эВ, у молекулярных газов — в более узких пределах, а у основных воздухообразующих газов в еще более узких пределах: от 12,5 (О2) до 15,8 (N2) эВ. Ниже приводятся значения энергии однократной ионизации некоторых молекулярных газов:
Химический N2 Н2 СО2 СН4 СО Н2О С2Н6 О2 NH3 NO2 NO состав газа
Энергия
ионизации, эВ 15.8 15,8 14,4 14,5 14,1 13,0 12,8 12,5 11,2 11 9,5
Энергия ионизации с каждым последующим электроном, отрываемым от молекулы (атома), возрастает, особенно значительно при переходе на последующий электронный слой (см.гл.1.4). Поэтому энергетически выгоден однократный акт ионизации молекулы (атома), а не многократный.
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. В направлении анода со скоростью, примерно равной (1— 3)•106м/с, начнет прорастать электронная лавина аналогично снежной лавине с гор (рис. 5.2, АБ). Электронная ударная ионизация для каждого газообразного диэлектрика начинается при определенной напряженности поля, величина которой зависит от давления, температуры и частоты напряжения. Эта напряженность поля называется начальной напряженностью.
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
A──────────→B C──────────────────────────────→Д
Рис. 5.2. Схематическое изображение электронной лавины (АБ) и образования электроотрицательного стримера (СД) при пробое газа.
энергии в виде фотона. Фотоны, двигаясь со скоростью на два порядка большей (сф ~ 3•108 м/с), 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 (см. рис. 5.2). 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 (см. рис. 5.2, СД). 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 (рис. 5.3), 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 (см. гл. 12.3.2). 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. Б зависимосnи от величины Iкз пробой проявляется в виде искры или электрической дуги.
Рис. 5.3. Схематическое изображение образования газоразрядного плазменного канала
Из вышесказанного, следует, что электрическая прочность газообразных диэлектриков зависит от значений Wи и W, при этом W, приобретаемая электронами под действием поля, в свою очередь, зависит от Е и λ (см. формулу (5.2)). Чем больше энергия ионизации Wи молекул диэлектрика и меньше средняя длина свободного пробега электрона X, тем выше электрическая прочность. Значения Wи и λ зависят от природы диэлектрика, а λ, кроме того, и от его состояния (температуры, давления). Поэтому введение в состав молекул газообразных диэлектриков атомов электроотрицательных элементов (F, С1) приводит к возрастанию Wи газа, а увеличение давления и снижение температуры — к уменьшению λ; Епр газа при этом возрастает.
5.2.1. Пробой газов в однородном электрическом поле
Длительность развития пробоя газов обычно составляет 10-7— 10-8 с (при h «1 см). Чем больше приложенное напряжение, тем быстрее может развиться пробой. Если длительность воздействия напряжения очень мала, то величина Епр повышается. Это повышение обычно характеризуют коэффициентом импульса β:
β = Unp/Unp0 , (5.3)