Войти
Электрический пробой в электрическом разряде с изображением ленточных плазменных нитей из Катушка Тесла.Электрический пробой или пробой диэлектрика - это процесс, который происходит, когда электроизоляционный материал подвергается воздействию достаточно высокого напряжения, внезапно становится электрическим проводником, и электрический ток течет через него. Все изоляционные материалы подвергаются пробою, когда электрическое поле , вызванное приложенным напряжением, превышает электрическую прочность материала. Напряжение , при котором данный изолирующий объект становится проводящим, называется его напряжением пробоя и зависит от его размера и формы. При достаточном электрическом потенциале электрический пробой может произойти в твердых телах, жидкостях, газах или вакууме. Однако конкретные механизмы пробоя различны для каждого типа диэлектрической среды.
Электрический пробой может быть мгновенным событием (как в электростатическом разряде ) или может привести к непрерывной электрической дуге, если защитные устройства не могут прервать ток в силовая цепь. В этом случае электрический пробой может вызвать катастрофический отказ электрооборудования и опасность пожара.
Электрический ток - это поток электрически заряженных частиц в материале, вызванный электрическим полем, обычно создается разницей напряжения на материале. Подвижные заряженные частицы, составляющие электрический ток, называются носителями заряда. В различных веществах различные частицы служат носителями заряда: в металлах и некоторых других твердых телах некоторые из внешних электронов каждого атома (электроны проводимости ) могут перемещаться в материале; в электролитах и плазме это ионы, электрически заряженные атомы или молекулы и электроны, которые являются носителями заряда. Материал, который имеет высокую концентрацию носителей заряда, доступных для проводимости, такой как металл, будет проводить большой ток с данным электрическим полем и, таким образом, имеет низкое удельное электрическое сопротивление ; это называется электрическим проводником. Материал с небольшим количеством носителей заряда, например стекло или керамика, будет проводить очень небольшой ток с данным электрическим полем и имеет высокое удельное сопротивление; это называется изолятором или диэлектриком. Вся материя состоит из заряженных частиц, но общим свойством изоляторов является то, что отрицательные заряды, орбитальные электроны, прочно связаны с положительными зарядами, атомными ядрами, и их нелегко освободить, чтобы они стали подвижными..
Однако, когда к любому изолирующему веществу приложено 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 дирижер. Это называется электрическим пробоем. Физический механизм, вызывающий разрушение, различается у разных веществ. В твердом теле это обычно происходит, когда электрическое поле становится достаточно сильным, чтобы отталкивать внешние валентные электроны от своих атомов, поэтому они становятся мобильными, а тепло, создаваемое их столкновениями, высвобождает дополнительные электроны. В газе электрическое поле ускоряет небольшое количество естественных свободных электронов (из-за процессов, подобных фотоионизации ) до достаточно высокой скорости, чтобы при столкновении с молекулами газа они выбивали из них дополнительные электроны, что называется ионизация, которые продолжают ионизировать больше молекул, создавая больше свободных электронов и ионов в цепной реакции, называемой разрядом Таунсенда. Как показано выше, в большинстве материалов разрушение происходит в результате цепной реакции , в которой частицы подвижного заряда высвобождают дополнительные заряженные частицы.
Напряженность электрического поля (в в на метр), при которой происходит пробой, является внутренним свойством изоляционного материала. материал называется его диэлектрической прочностью. Электрическое поле обычно вызывается разностью напряжения, приложенной к материалу. Приложенное напряжение, необходимое для возникновения пробоя в данном изолирующем объекте, называется напряжением пробоя объекта. Электрическое поле, создаваемое в данном изолирующем объекте приложенным напряжением, изменяется в зависимости от размера и формы объекта, а также от местоположения на объекте, к которому прикладывается напряжение, поэтому, помимо диэлектрической прочности материала, от них зависит напряжение пробоя. факторы.
В плоском листе изолятора между двумя плоскими металлическими электродами электрическое поле 
Пробой - это локальный процесс, и в изолирующей среде, подверженной высокой разности напряжений, начинается в любой точке изолятора, где электрическое поле сначала превышает локальную диэлектрическую прочность материала.. Поскольку электрическое поле на поверхности проводника является самым высоким в выступающих частях, острых точках и краях, в однородном изоляторе, таком как воздух или масло, рядом с проводником пробой обычно начинается в этих точках. Если пробой вызван локальным дефектом твердого изолятора, например, пузырьком в керамическом изоляторе, он может оставаться ограниченным небольшой областью; это называется частичным разрядом. В газе, прилегающем к заостренному проводнику, локальные процессы пробоя, коронный разряд или щеточный разряд, могут позволить току просачиваться из проводника в газ в виде ионов. Однако обычно в однородном твердом изоляторе после того, как одна область сломалась и стала проводящей, на ней нет падения напряжения, и полная разность напряжений применяется к оставшейся длине изолятора. Поскольку падение напряжения теперь происходит на меньшей длине, это создает более высокое электрическое поле в оставшемся материале, что вызывает разрушение большего количества материала. Таким образом, область пробоя быстро (в течение микросекунд) распространяется в направлении градиента напряжения от одного конца изолятора к другому, пока не будет создан непрерывный проводящий путь через материал между двумя контактами, применяя разность напряжений, позволяя току проходить через течь между ними.
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, луч лазера , сфокусированный на небольшую точку в воздухе, может вызвать электрический пробой и ионизацию воздуха в фокусной точке.
В практических электрических цепях электрический пробой обычно является нежелательным явлением, повреждение изоляционного материала вызывает короткое замыкание, которое может привести к катастрофический отказ оборудования. В силовых цепях резкое падение сопротивления вызывает протекание большого тока через материал, вызывая электрическую дугу, и, если предохранительные устройства не прерывают ток быстро, внезапный экстремальный Джоулев нагрев может вызвать взрывоопасное плавление или испарение изоляционного материала или других частей цепи, что приведет к повреждению оборудования и возникновению опасности возгорания. Однако внешние защитные устройства в цепи, такие как автоматические выключатели и токоограничивающие, могут предотвратить высокий ток; и сам процесс разрушения не обязательно является деструктивным и может быть обратимым. Если ток, подаваемый внешней цепью, достаточно ограничен, материалу не повреждается, а уменьшение приложенного напряжения вызывает переход обратно в изолирующее состояние материала.
Молния и искры от 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, тиратрон, ignitron и krytron трубки и свечи зажигания.
Электрический пробой часто связан с повреждением твердых или жидких изоляционных материалов. используются внутри высоковольтных трансформаторов или конденсаторов в сети распределения электроэнергии, что обычно приводит к короткому замыканию или перегоранию предохранителя. Электрический пробой может также произойти через изоляторы, которые подвешивают воздушные линии электропередач, в подземных силовых кабелях или в линиях, идущих к ближайшим ветвям деревьев.
Пробой диэлектрика также важен при проектировании интегральных схем и других твердотельных электронных устройств. Изоляционные слои в таких устройствах спроектированы так, чтобы выдерживать нормальные рабочие напряжения, но более высокое напряжение, такое как статическое электричество, может разрушить эти слои, сделав устройство бесполезным. Диэлектрическая прочность конденсаторов ограничивает количество энергии, которое может храниться, и безопасное рабочее напряжение для устройства.
Механизмы пробоя различаются в зависимости от твердых тел, жидкостей и газов. На пробой влияют материал электрода, резкая кривизна материала проводника (приводящая к локально усиленным электрическим полям), размер зазора между электродами и плотность материала в зазоре.
В твердых материалах (например, в силовых кабелях ) длительный частичный разряд обычно предшествует пробою, разрушая изоляторы и металлы. ближайший к разрыву напряжения. В конечном итоге частичный разряд проходит через канал из карбонизированного материала, который проводит ток через зазор.
Возможные механизмы разрушения жидкостей включают пузырьки, мелкие примеси и электрический перегрев. Процесс разрушения жидкостей осложняется гидродинамическими эффектами, так как дополнительное давление на жидкость оказывает нелинейная напряженность электрического поля в зазоре между электродами.
В сжиженных газах, используемых в качестве хладагентов для сверхпроводимости, таких как гелий при 4,2 K или азот при 77 K, пузырьки могут вызвать разрушение.
В трансформаторах с масляным охлаждением и с масляной изоляцией напряженность поля для пробоя составляет около 20 кВ / мм (по сравнению с 3 кВ / мм для сухого воздуха). Несмотря на использование очищенных масел, виноваты мелкие частицы.
Электрический пробой происходит внутри газа, когда превышается электрическая прочность газа. Области сильных градиентов напряжения могут привести к частичной ионизации близлежащего газа и появлению проводимости. Это сделано намеренно при разрядах низкого давления, например, в люминесцентных лампах. Напряжение, которое приводит к электрическому пробою газа, приблизительно соответствует закону Пашена.
. Частичный разряд в воздухе вызывает "свежий воздух" запах озона во время грозы или вокруг высоковольтного оборудования. Хотя воздух обычно является отличным изолятором, при воздействии достаточно высокого напряжения (электрическое поле около 3 x 10 В / м или 3 кВ / мм) воздух может начать ломаются, становясь частично проводящими. В относительно небольших зазорах напряжение пробоя в воздухе является функцией длины зазора, умноженной на давление. Если напряжение достаточно высокое, полный электрический пробой воздуха завершится электрической искрой или электрической дугой, которая перекрывает весь зазор.
Цвет искры зависит от газов, входящих в состав газообразной среды. В то время как маленькие искры, генерируемые статическим электричеством, могут быть едва слышны, большие искры часто сопровождаются громким треском или треском. Молния - пример огромной искры, которая может достигать многих миль в длину.
Если предохранитель или автоматический выключатель не прерывают ток через искру в силовой цепи, ток может продолжаться, образуя очень горячая электрическая дуга (около 30 000 градусов). 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 дуги и вокруг нее рекомбинируют с образованием новых химических соединений, таких как озон, оксид углерода и закись азота. Озон легче всего заметить из-за его запаха.
Хотя искры и дуги обычно нежелательны, они могут быть полезны в таких случаях, как свечи зажигания для бензиновых двигателей, электрическая сварка металлов, или для плавки металлов в дуговой электропечи. Перед газовым разрядом газ светится разными цветами, которые зависят от уровней энергии атомов. Не все механизмы полностью изучены.
Соотношение напряжение-ток до пробоя Предполагается, что вакуум сам по себе будет подвергаться электрическому пробою на пределе Швингера.
до или около него. газовый пробой, 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 будут насыщаться после определенного напряжения и давать постоянный ток, область 2. Области 3 и 4 вызваны ионной лавиной, как объясняется механизмом разряда Таунсенда.
Фридрих Пашен установил связь между состоянием пробоя и напряжением пробоя. Он вывел формулу, которая определяет напряжение пробоя (
Пашен также вывел соотношение между минимальным значением зазора давления, при котором пробой происходит с минимальным напряжением.
Частичный пробой воздуха происходит как коронный разряд на проводах высокого напряжения в точках с наибольшим электрическим напряжением. Проводники с острыми концами или шарики с малым радиусом радиусом склонны к пробою диэлектрика, потому что напряженность поля вокруг точек выше, чем вокруг плоской поверхности. Устройство высокого напряжения имеет закругленные кривые и градуировочные кольца, чтобы избежать концентрированных полей, вызывающих пробой.
Корона иногда видна как голубоватое свечение вокруг высоковольтных проводов и слышится как шипящий звук вдоль высоковольтных линий электропередач. Corona также генерирует радиочастотный шум, который также можно услышать как «статический» или жужжащий на радиоприемниках. Корона также может возникать естественным образом как «Огонь Святого Эльма » на высоких точках, таких как церковные шпили, верхушки деревьев или мачты кораблей во время грозы.
Генераторы озона с коронным разрядом используются в процессе очистки воды более 30 лет. Озон - токсичный газ, даже более мощный, чем хлор. На типичной установке для очистки питьевой воды газообразный озон растворяется в фильтрованной воде для уничтожения бактерий и уничтожения вирусов. Озон также устраняет неприятный запах и привкус из воды. Основное преимущество озона заключается в том, что при любой остаточной передозировке он разлагается до газообразного кислорода задолго до того, как вода достигает потребителя. В этом отличие от газообразного хлора или солей хлора, которые дольше остаются в воде и могут ощущаться потребителем.
Хотя коронный разряд обычно нежелателен, до недавнего времени он был необходим при работе копировальных аппаратов (ксерография ) и лазерных принтеров. Многие современные копировальные аппараты и лазерные принтеры теперь заряжают барабан фотокондуктора с помощью электропроводящего ролика, уменьшая нежелательное загрязнение озоном в помещении.
Громоотводы используют коронный разряд для создания в воздухе проводящих путей, указывающих на стержень, отклоняя потенциально опасные молнии от зданий и других сооружений.
Коронные разряды также используются для изменения свойств поверхности многих полимеров. Примером может служить обработка пластиковых материалов коронным разрядом, которая позволяет краске или чернилам правильно прилипать.
Пробой диэлектрика внутри твердого изолятора может навсегда изменить его внешний вид и свойства. Как показано на этом рисунке Лихтенберга A разрушающее устройство предназначено для электрического перенапряжения диэлектрика сверх его диэлектрической прочности, чтобы преднамеренно вызвать электрический пробой устройства.. Нарушение вызывает внезапный переход части диэлектрика из изолирующего состояния в состояние с высокой проводимостью. Этот переход характеризуется образованием канала электрической искры или плазмы, за которым может следовать электрическая дуга через часть диэлектрического материала.
Если диэлектрик является твердым, постоянные физические и химические изменения на пути разряда значительно снизят электрическую прочность материала, и устройство можно использовать только один раз. Однако, если диэлектрический материал представляет собой жидкость или газ, диэлектрик может полностью восстановить свои изолирующие свойства после того, как ток через плазменный канал будет прерван извне.
Коммерческие искровые разрядники используют это свойство для резкого переключения высоких напряжений в импульсных системах, чтобы обеспечить защиту от перенапряжения для телекоммуникаций и электрические системы и воспламенять топливо с помощью свечей зажигания в двигателях внутреннего сгорания. Искровые передатчики использовались в ранних радиотелеграфных системах.
 | На Викискладе есть материалы, относящиеся к электрическому пробою. |
