Файл: Конспект лекций спбгэту лэти, 2021 г. 6 Пробой твердых диэлектриков, газов и жидких диэлектриков.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 30.11.2023
Просмотров: 45
Скачиваний: 1
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Материалы электронной
техники
А. В. Соломонов, В. С. Сорокин,
Б. Л. Антипов, Н. П. Лазарева
Конспект лекций
СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2021 г.
4.6 ПРОБОЙ ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ, ГАЗОВ
И ЖИДКИХ ДИЭЛЕКТРИКОВ
Основные понятия о пробое
Диэлектрик, находясь в электрическом поле, может потерять свойства изоля- ционного материала, если напряженность поля превысит некоторое критическое значение. Явление образования проводящего канала в диэлектрике под действием электрического поля называют пробоем.
Минимальное приложенное к диэлектрику напряжение, приводящее к его пробою, называется пробивным напряжением ????
пр
Предпробойное состояние диэлектрика характеризуется резким возрастанием тока, отступлением от закона Ома в сторону увеличения проводимости. Формально за пробивное принимают такое напряжение, при котором d???? d????
⁄
= ∞, т. е. диффе- ренциальная проводимость становится бесконечно большой (рис. 4.50).
Рисунок 4.50 – Изменение тока при пробое электрической изоляции
Значение пробивного напряжения зависит от толщины диэлектрика ℎ и формы электрического поля, обусловленной конфигурацией электродов и самого диэлектрика. Поэтому оно характеризует не столько свойства материала, сколько способность конкретного образца противостоять сильному электрическому полю.
Для сравнения свойств различных материалов более удобной характеристикой яв- ляется электрическая прочность. Электрической прочностью называется мини- мальная напряженность однородного электрического поля, приводящая к пробою диэлектрика: ????
пр
= ????
пр
ℎ
⁄ .
Отсюда следует, что пробивное напряжение возрастает с увеличением тол- щины диэлектрика или расстояния между электродами. Рабочее напряжение, дей- ствующее на диэлектрик в конкретном изделии или устройстве, естественно, должно быть меньше ????
пр
. Отношение пробивного напряжения к номинальному
рабочему напряжению называют коэффициентом запаса по электрической проч- ности. Пробивное напряжение возрастает также при импульсном воздействии электрического поля. Отношение импульсного пробивного напряжения к его ста- тическому значению называют коэффициентом импульса.
Если пробой произошел в газообразном диэлектрике, то благодаря высокой подвижности молекул пробитый участок после снятия напряжения восстанавли- вает свою электрическую прочность. В противоположность этому пробой твер- дых диэлектриков при его полном развитии заканчивается разрушением изоля- ции. Однако разрушение материала можно предупредить, ограничив нарастание тока при пробое допустимым пределом. Жидкие диэлектрики также обладают способностью к восстановлению электрической прочности, однако это восстанов- ление в большинстве случаев оказывается неполным.
Пробой диэлектриков может возникать в результате чисто электрических, тепловых, а в некоторых случаях и электрохимических процессов, обусловленных действием электрического поля.
Рассмотрим механизмы пробоя диэлектриков в зависимости от их агрегат- ного состояния.
Пробой газов
Воздух является изоляционной средой для различной электронной аппара- туры. Обычно физические процессы в воздухе протекают при нормальном атмо- сферном давлении. Однако в исследовательской практике, а также при создании целого ряда электронных приборов приходится встречаться со свойствами воз- духа и других газов в разреженном состоянии или при сильно повышенных дав- лениях.
Пробивная напряженность воздуха в нормальных условиях невелика по срав- нению с ????
пр большинства жидких и твердых диэлектриков. Пробой воздуха и дру- гих газов следует рассматривать как следствие развития процессов ударной иони- зации и внутренней фотоионизации.
Механизмы пробоя газов
Вследствие воздействия внешних ионизаторов в газе всегда находится неко- торое число ионов и электронов, совершающих беспорядочное тепловое движе- ние. При наложении внешнего поля заряженные частицы получают добавочную скорость упорядоченного перемещения. В процессе своего направленного движе-
ния к электродам ускоренные электроны и ионы сталкиваются с атомами или мо- лекулами газа и передают им накопленную кинетическую энергию. Добавочная кинетическая энергия, которую получают заряды под действием поля напряжен- ностью ????, может быть выражена произведением
Э = ????????????̅,
(4.75) где ????̅ – средняя длина свободного пробега частиц.
Если напряженность поля достаточно велика, то начинается ударная иониза- ция, т. е. в результате столкновений частиц происходит расщепление молекул на электроны и положительно заряженные ионы. Необходимым условием для разви- тия ударной ионизации является выполнение неравенства
????????????̅ ≥ Э
и
,
(4.76) где Э
и
– энергия ионизации атомов или молекул газа, которая в зависимости от природы последнего может принимать значения от 4 до 25 эВ.
Необходимо отметить, что ударная ионизация производится главным обра- зом электронами, хотя ионы имеют намного большую массу. Это объясняется тем, что электроны благодаря меньшей массе обладают в 100-1 000 раз большей подвижностью. Поэтому за одинаковый промежуток времени они пройдут в
100-1 000 раз большее расстояние и, соответственно, произведут большее число ионизаций. Ударная ионизация вызывает лавинообразное размножение заряжен- ных частиц, которое можно охарактеризовать экспоненциальной зависимостью вида
???? = ????
0
exp(α
и
ℎ),
(4.77) где ????
0
– начальная концентрация электронов;
α
и
– коэффициент ударной иониза- ции; ℎ – длина прорастающей лавины.
Лавина распространяется к аноду со скоростью около 10 5
м/с и вблизи анода достигает своего наибольшего развития. Однако прорастание одной электронной лавины еще не приводит к формированию проводящего канала, поскольку обра- зовавшиеся электроны быстро уходят из разрядного промежутка на анод. Для полного развития пробоя ударной ионизации должны сопутствовать другие про- цессы, обеспечивающие восполнение и накопление числа заряженных частиц между электродами. В зависимости от характера этих сопутствующих процессов в газах различают лавинный и лавинно-стримерный пробой.
При лавинном пробое большую роль играют вторичные процессы на катоде.
Среди них следует выделить ионную бомбардировку поверхности катода, приво- дящую к выбиванию вторичных электронов (ионная ударная ионизация). Вновь рождаемые электроны, ускоряясь полем, образуют новые, более интенсивные ла- вины. Последовательное наложение нескольких электронных и ионных лавин со- провождается прогрессирующим нарастанием тока и в конечном итоге приводит к насыщению зарядами межэлектродного пространства, газ переходит в проводя- щее состояние. Однако для полного развития такого многолавинного процесса требуется сравнительно большой промежуток времени, определяемый прежде всего скоростью пересечения межэлектродного расстояния положительными ионами, обладающими низкой подвижностью. Как правило, время формирования лавинного пробоя составляет 10
–5
…10
–4
с.
Лавинный пробой возникает при малом расстоянии между электродами ℎ или при пониженном давлении газа ????, т. е. в условиях низкого значения произве- дения ????ℎ, когда мало общее число молекул в разрядном промежутке. Величина пробивного напряжения в этом случае зависит от материала катода, что подтвер- ждает важную роль вторичных процессов на катоде в формировании проводящего канала.
При больших значениях ????ℎ пробой в газах носит лавинно-стримерный харак- тер. Под стримером понимают область скопления заряженных частиц, которая по степени ионизации существенно превосходит прилегающие области межэлек- тродного пространства. Лавинно-стримерный пробой развивается за время
10
–7
…10
–6
с, т. е. гораздо быстрее лавинного механизма. Ускорению формирова- ния разряда в значительной мере способствует внутренняя фотоионизация газа.
Суть ее заключается в следующем. Часть электронов, ускоренных полем, при столкновениях с молекулами газа может не ионизировать их, а переводить в воз- бужденное состояние. При возбуждении атома или молекулы связанные с ними электроны переходят на более высокие энергетические уровни. Время жизни атома или молекулы в возбужденном состоянии очень мало (10
–8
с), и в следую- щий момент времени такая возбужденная частица, возвращаясь в основное состо- яние, испускает фотон. Фотоны распространяются во все стороны, в том числе по пути следования основной электронной лавины. Некоторые из фотонов имеют энергию, превышающую энергию ионизации молекул Э
и
. Такие фотоны рожда-
ются при ударном возбуждении электронов, находящихся на внутренних оболоч- ках атомов. Аналогичный результат может быть получен при возбуждении уже образовавшегося иона.
Фотоны высокой энергии легко поглощаются другими атомами или молеку- лами. Фотопоглощение, как правило, сопровождается ионизацией частиц. В ре- зультате возникают новые электроны и обусловленные ими новые очаги иониза- ции. На рис. 4.51 показана схема формирования отрицательного стримера, т. е. потока электронов, направленного к аноду.
Рисунок 4.51 – Схема развития отрицательного стримера при пробое газа
Электронные лавины, образующиеся вследствие ударной ионизации, пока- заны в виде заштрихованных конусов, а волнистыми линиями изображены направления распространения фотонов.
Отдельные лавины нагоняют друг друга и сливаются в сплошной канал иони- зированного газа. Благодаря внутренней фотоионизации газа образование первич- ной лавины электронов происходит за очень короткое время. Однако роль про- цесса фотоионизации еще более важна при формировании положительного стри- мера, т. е. встречного потока заряженных частиц, направленного от анода к ка- тоду. Механизм образования положительного стримера поясняет рис. 4.52.
Рисунок 4.52 – Схема развития лавинно-стримерного пробоя газа
По мере продвижения электронной лавины от катода позади нее остается объемный положительный заряд, так как за короткое время развития пробоя ма- лоподвижные ионы не успевают уйти из разрядного промежутка, а быстрые элек- троны устремляются к аноду. Именно здесь лавины получают наибольшее разви- тие, именно здесь наиболее интенсивны столкновения частиц и связанные с ними процессы фотоионизации. Вновь рождаемые электроны втягиваются в область максимальной напряженности поля, т. е. в область максимальной плотности объ- емного заряда. Начинается формирование плазменного канала в направлении от анода к катоду.
По мере насыщения прианодной области положительными и отрицатель- ными зарядами происходит перераспределение напряженности электрического поля. Максимальная напряженность ???? перемещается в головку стримера, т. е. на границу с областью не полностью ионизированного газа. Благодаря этому обес- печивается дальнейшее прорастание плазменного канала путем всасывания фото- электронов вплоть до полного перекрытия разрядного промежутка.
После завершения формирования газоразрядной плазмы от катода распро- страняется мощная электронная волна, которая проявляется в виде искры. Обра- зовавшаяся искра может перерасти в электрическую дугу, если мощность источ- ника питания достаточна, чтобы поддержать испарения катода. Чем больше напряжение, приложенное к электродам, тем быстрее развивается пробой. Про- бивное напряжение зависит от формы электродов и расстояния между ними, ча- стоты электрического поля, температуры и давления газа, а также от его химиче- ского состава.
Пробой газа в однородном поле протекает иначе, чем в неоднородном.
Однородное электрическое поле в разрядном промежутке можно получить между плоскими электродами с закругленными краями, а также между двумя сферами, если расстояние между ними не превышает их диаметра. В однородном поле про- бой происходит внезапно без каких-либо предварительных стадий. Даже в этом случае электрическая прочность газа не является величиной постоянной. Она за- висит не только от параметров состояния газа, но и от расстояния между электро- дами, достигая высоких значений в малых зазорах.
На рис. 4.53 показана подобная зависимость для воздуха в нормальных усло- виях, т. е. при температуре 20 ℃ и давлении 0,1 МПа (760 мм рт. ст.).
Рисунок 4.53 – Зависимость электрической прочности воздуха от расстояния
между электродами в случае однородного поля
При стандартном расстоянии между электродами в 1 см пробивная напря- женность воздуха составляет около 3,2 МВ/м, а для межэлектродного промежутка в 0,1 мм она возрастает в три раза. При достаточно больших расстояниях между электродами электрическая прочность изменяется очень незначительно. Соответ- ственно в этих условиях пробивное напряжение практически линейно возрастает с увеличением ℎ. Возрастание ????
пр в малых зазорах объясняется трудностью фор- мирования электронных лавин из-за малого числа частиц между электродами.
Экспериментально установлено, что пробивное напряжение ????
пр в однород- ном электрическом поле закономерно изменяется в зависимости от произведения давления газа ???? на расстояние между электродами ℎ. Эта зависимость, известная как закон Пашена, представлена на рис. 4.54 для воздуха и водорода. Если длина разрядного промежутка и давление газа изменяются так, что их произведение остается постоянным, то и пробивное напряжение не изменяется.
Рисунок 4.54 – Зависимость пробивного напряжения в однородном поле от произведения
давления газа ???? на межэлектродное расстояние ℎ для воздуха и водорода
Как видно из рис. 4.54, для каждого газа существует минимальная величина пробивного напряжения ????
пр min
, отвечающая определенному для данного газа значению произведения ????ℎ. Для разных газов ????
пр min
= 280…420 В, в частности у воздуха – 330 В. Этому значению соответствует ????ℎ = 0,006 мм рт. ст.·м (0,75 Па·м).
В области малых значений ????ℎ реализуется лавинный пробой с достаточно боль- шим временем формирования разряда, которое к тому же возрастает при умень- шении ℎ. Наоборот, области больших значений ????ℎ соответствует лавинно-стри- мерный пробой, длительность развития которого на два порядка меньше и опре- деляется процессами фотоионизации. В воздухе при атмосферном давлении в слу- чае однородного электрического поля изменение характера пробоя (от лавинного к лавинно-стримерному) происходит при длине разрядного промежутка ℎ = 1 мм.
При неизменном расстоянии между электродами кривые, представленные на рис. 4.54, характеризуют зависимость электрической прочности газов от давле- ния, т. е. от плотности среды, если температура постоянна. Необходимо отметить, что точка, соответствующая нормальным условиям, лежит на восходящей части кривой, т. е. справа от минимума. При расстоянии между электродами в 1 см ми- нимальная электрическая прочность воздуха наблюдается при давлении
0,567 мм рт. ст. (75 Па), т. е. в слаборазреженной среде. Возрастание электриче- ской прочности при увеличении давления относительно указанного значения объ- ясняют сокращением длины свободного пробега электронов вследствие повыше- ния плотности газа. Как следует из формулы (4.76), при уменьшении ????̅ для разви- тия ударной ионизации требуется более высокая напряженность поля.
Возрастание пробивной напряженности в области низких давлений обуслов- лено уменьшением вероятности столкновений электронов с молекулами газа вследствие разреженности среды. Малое число столкновений препятствует лави- нообразному размножению заряженных частиц. В случае очень высокого вакуума средняя длина свободного пробега становится больше расстояния между электро- дами. Поэтому ударная ионизация становится невозможной. В таких условиях пробой можно объяснить холодной эмиссией электронов с катода – вырыванием электронов с поверхности катода силами электрического поля. Электрическая прочность в этом случае достигает очень больших значений (10 2
МВ/м), прибли- жаясь к электрической прочности твердых диэлектриков, и зависит от материала электродов, степени их чистоты. Повышенную электрическую прочность вакуума используют в технике при создании высокочастотных вакуумных конденсаторов, рассчитанных на повышенные напряжения. В противоположность этому зажига- ние разряда в газе с небольшой степенью разреженности широко используется в различных газоразрядных приборах: газотронах, тиратронах, стабилитронах, иг- нитронах, газоразрядных лазерах, индикаторных устройствах и т. п.
Пробивное напряжение газа существенно зависит от частоты приложенного поля. Дисперсия электрической прочности особенно заметна в диапазоне радио- частот. На рис. 4.55 показано частотное изменение пробивного напряжения для воздуха в нормальных условиях.
Рисунок 4.55 – Зависимость пробивного напряжения воздуха от частоты
однородного электрического поля
(пробивное напряжение на каждой частоте ????
пр ????
нормировано к пробивному напряжению
на постоянном токе ????
пр 0
)
Следует отметить, что ввиду кратковременности электронного разряда про- бивное напряжение при воздействии переменного поля определяется амплитуд- ным, а не действующим значением.
При небольших частотах (до 10 кГц) амплитудное значение пробивного напряжения совпадает со значением пробивного напряжения в постоянном поле.
На более высоких частотах ????
пр уменьшается и приходит в минимум на частоте около 5 МГц, после чего вновь начинает возрастать. Уменьшение пробивного напряжения с ростом частоты объясняется искажениями поля, обусловленными образованием объемного заряда в газе вследствие различной подвижности элек- тронов и ионов. Протекающие при этом процессы отражает диаграмма на рис. 4.56.
Рисунок 4.56 – Диаграмма, поясняющая особенности ионизации газа
в переменном электрическом поле
Ионизация газа и прорастание электронных лавин происходит лишь в те про- межутки времени, когда мгновенное значение напряжения превосходит порог ионизации ????
и
(интервалы
????
1
− ????
2
,
????
3
− ????
4
). При снижении напряжения до уровня, ниже порогового, ионизация прекращается и начинается рассасывание образовав- шегося объемного заряда в межэлектродном пространстве. Скорость рассасыва- ния определяется скоростью дрейфа ионов в направлении к катоду. На высоких частотах время полупериода настолько мало, что ионы не успевают нейтрализо- ваться на катоде. Накопление объемного положительного заряда усиливает гра- диенты потенциала, что облегчает дальнейшую ионизацию и снижает напряжения пробоя.
В области еще более высоких частот продолжительность полупериода изме- нения поля становится соизмеримой со временем формирования электронных ла- вин. Поэтому для полного развития и завершения процесса ударной ионизации необходимо повысить напряжение на электродах, так как с увеличением напря- жения сокращается время формирования стримера. Глубина минимума на частот- ной зависимости тем больше, чем больше расстояние между электродами.
Пробой газа в неоднородном поле характеризуется меньшими значени- ями пробивного напряжения, чем в однородном поле при одинаковых межэлек- тродных зазорах. Сильно неоднородное поле возникает между двумя остриями, острием и плоскостью, между двумя проводами и т. п. Главной особенностью пробоя газа в неоднородном поле является возникновение частичного разряда, называемого короной. Корона предшествует полному разряду между электродами и возникает в местах максимальной неоднородности поля, где его напряженность в первую очередь достигает критических значений (например, вблизи острия или острой кромки электрода). При дальнейшем возрастании напряжения корона пре- вращается в искровой разряд или в электрическую дугу.
Для неоднородного поля различают начальное напряжение ионизации ????
нач
(иначе называемое напряжением короны) и пробивное напряжение ????
пр
. В случае однородного поля эти напряжения равны. Чем сильнее выражена электрическая неоднородность, тем больше отношение ????
пр
????
нач
⁄
. При появлении короны возрас- тает ток утечки, резко увеличиваются диэлектрические потери. Корона характе- ризуется свечением, которое обусловлено испусканием фотонов возбужденными атомами или молекулами.
Лазерный (оптический) пробой газа происходит под действием мощного лазерного излучения плотностью порядка 10 15
Вт/м
2
, получаемого от импульс- ного лазера. При мощном лазерном излучении становятся возможными процессы многофотонного поглощения, когда происходит сложение энергий фотонов. В ре- зультате многофотонного поглощения некоторые из молекул газа ионизируются и возникают первичные электроны. Под действием сильного электрического поля световой волны электроны увеличивают свою кинетическую энергию и при упру- гих столкновениях с молекулами газа производят их ударную ионизацию. Для развития процесса плотность светового потока должна превосходить некоторое пороговое значение. В результате ударной ионизации и фотоионизации в фокусе лазерного излучения образуется сгусток газоразрядной плазмы – искра. Механизм образования искры аналогичен лавинно-стримерному пробою газов на высоких частотах.
Явление лазерного пробоя носит взрывной характер и сопровождается яркой вспышкой света в видимой и ультрафиолетовой областях спектра, а также сфери- ческой ударной волной. Последняя обусловлена резким повышением давления газа при быстром нагревании небольшого объема. Распространяясь навстречу лучу, ударная волна способствует ионизации газа, облегчая условия пробоя. За счет этого происходит расширение образовавшейся искры в направлении лазера.
Точечный взрыв при лазерном пробое газа по сути многих физических процессов является гидродинамической моделью взрыва атомной бомбы.
Плазма хорошо поглощает лазерное излучение, вследствие чего в небольшом объеме, занимаемом ею, выделяется значительная световая энергия. Поэтому тем- пература плазмы может превышать 10 6
К.
1 2
Материалы электронной
техники
А. В. Соломонов, В. С. Сорокин,
Б. Л. Антипов, Н. П. Лазарева
Конспект лекций
СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2021 г.
4.6 ПРОБОЙ ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ, ГАЗОВ
И ЖИДКИХ ДИЭЛЕКТРИКОВ
Основные понятия о пробое
Диэлектрик, находясь в электрическом поле, может потерять свойства изоля- ционного материала, если напряженность поля превысит некоторое критическое значение. Явление образования проводящего канала в диэлектрике под действием электрического поля называют пробоем.
Минимальное приложенное к диэлектрику напряжение, приводящее к его пробою, называется пробивным напряжением ????
пр
Предпробойное состояние диэлектрика характеризуется резким возрастанием тока, отступлением от закона Ома в сторону увеличения проводимости. Формально за пробивное принимают такое напряжение, при котором d???? d????
⁄
= ∞, т. е. диффе- ренциальная проводимость становится бесконечно большой (рис. 4.50).
Рисунок 4.50 – Изменение тока при пробое электрической изоляции
Значение пробивного напряжения зависит от толщины диэлектрика ℎ и формы электрического поля, обусловленной конфигурацией электродов и самого диэлектрика. Поэтому оно характеризует не столько свойства материала, сколько способность конкретного образца противостоять сильному электрическому полю.
Для сравнения свойств различных материалов более удобной характеристикой яв- ляется электрическая прочность. Электрической прочностью называется мини- мальная напряженность однородного электрического поля, приводящая к пробою диэлектрика: ????
пр
= ????
пр
ℎ
⁄ .
Отсюда следует, что пробивное напряжение возрастает с увеличением тол- щины диэлектрика или расстояния между электродами. Рабочее напряжение, дей- ствующее на диэлектрик в конкретном изделии или устройстве, естественно, должно быть меньше ????
пр
. Отношение пробивного напряжения к номинальному
рабочему напряжению называют коэффициентом запаса по электрической проч- ности. Пробивное напряжение возрастает также при импульсном воздействии электрического поля. Отношение импульсного пробивного напряжения к его ста- тическому значению называют коэффициентом импульса.
Если пробой произошел в газообразном диэлектрике, то благодаря высокой подвижности молекул пробитый участок после снятия напряжения восстанавли- вает свою электрическую прочность. В противоположность этому пробой твер- дых диэлектриков при его полном развитии заканчивается разрушением изоля- ции. Однако разрушение материала можно предупредить, ограничив нарастание тока при пробое допустимым пределом. Жидкие диэлектрики также обладают способностью к восстановлению электрической прочности, однако это восстанов- ление в большинстве случаев оказывается неполным.
Пробой диэлектриков может возникать в результате чисто электрических, тепловых, а в некоторых случаях и электрохимических процессов, обусловленных действием электрического поля.
Рассмотрим механизмы пробоя диэлектриков в зависимости от их агрегат- ного состояния.
Пробой газов
Воздух является изоляционной средой для различной электронной аппара- туры. Обычно физические процессы в воздухе протекают при нормальном атмо- сферном давлении. Однако в исследовательской практике, а также при создании целого ряда электронных приборов приходится встречаться со свойствами воз- духа и других газов в разреженном состоянии или при сильно повышенных дав- лениях.
Пробивная напряженность воздуха в нормальных условиях невелика по срав- нению с ????
пр большинства жидких и твердых диэлектриков. Пробой воздуха и дру- гих газов следует рассматривать как следствие развития процессов ударной иони- зации и внутренней фотоионизации.
Механизмы пробоя газов
Вследствие воздействия внешних ионизаторов в газе всегда находится неко- торое число ионов и электронов, совершающих беспорядочное тепловое движе- ние. При наложении внешнего поля заряженные частицы получают добавочную скорость упорядоченного перемещения. В процессе своего направленного движе-
Если пробой произошел в газообразном диэлектрике, то благодаря высокой подвижности молекул пробитый участок после снятия напряжения восстанавли- вает свою электрическую прочность. В противоположность этому пробой твер- дых диэлектриков при его полном развитии заканчивается разрушением изоля- ции. Однако разрушение материала можно предупредить, ограничив нарастание тока при пробое допустимым пределом. Жидкие диэлектрики также обладают способностью к восстановлению электрической прочности, однако это восстанов- ление в большинстве случаев оказывается неполным.
Пробой диэлектриков может возникать в результате чисто электрических, тепловых, а в некоторых случаях и электрохимических процессов, обусловленных действием электрического поля.
Рассмотрим механизмы пробоя диэлектриков в зависимости от их агрегат- ного состояния.
Пробой газов
Воздух является изоляционной средой для различной электронной аппара- туры. Обычно физические процессы в воздухе протекают при нормальном атмо- сферном давлении. Однако в исследовательской практике, а также при создании целого ряда электронных приборов приходится встречаться со свойствами воз- духа и других газов в разреженном состоянии или при сильно повышенных дав- лениях.
Пробивная напряженность воздуха в нормальных условиях невелика по срав- нению с ????
пр большинства жидких и твердых диэлектриков. Пробой воздуха и дру- гих газов следует рассматривать как следствие развития процессов ударной иони- зации и внутренней фотоионизации.
Механизмы пробоя газов
Вследствие воздействия внешних ионизаторов в газе всегда находится неко- торое число ионов и электронов, совершающих беспорядочное тепловое движе- ние. При наложении внешнего поля заряженные частицы получают добавочную скорость упорядоченного перемещения. В процессе своего направленного движе-
ния к электродам ускоренные электроны и ионы сталкиваются с атомами или мо- лекулами газа и передают им накопленную кинетическую энергию. Добавочная кинетическая энергия, которую получают заряды под действием поля напряжен- ностью ????, может быть выражена произведением
Э = ????????????̅,
(4.75) где ????̅ – средняя длина свободного пробега частиц.
Если напряженность поля достаточно велика, то начинается ударная иониза- ция, т. е. в результате столкновений частиц происходит расщепление молекул на электроны и положительно заряженные ионы. Необходимым условием для разви- тия ударной ионизации является выполнение неравенства
????????????̅ ≥ Э
и
,
(4.76) где Э
и
– энергия ионизации атомов или молекул газа, которая в зависимости от природы последнего может принимать значения от 4 до 25 эВ.
Необходимо отметить, что ударная ионизация производится главным обра- зом электронами, хотя ионы имеют намного большую массу. Это объясняется тем, что электроны благодаря меньшей массе обладают в 100-1 000 раз большей подвижностью. Поэтому за одинаковый промежуток времени они пройдут в
100-1 000 раз большее расстояние и, соответственно, произведут большее число ионизаций. Ударная ионизация вызывает лавинообразное размножение заряжен- ных частиц, которое можно охарактеризовать экспоненциальной зависимостью вида
???? = ????
0
exp(α
и
ℎ),
(4.77) где ????
0
– начальная концентрация электронов;
α
и
– коэффициент ударной иониза- ции; ℎ – длина прорастающей лавины.
Лавина распространяется к аноду со скоростью около 10 5
м/с и вблизи анода достигает своего наибольшего развития. Однако прорастание одной электронной лавины еще не приводит к формированию проводящего канала, поскольку обра- зовавшиеся электроны быстро уходят из разрядного промежутка на анод. Для полного развития пробоя ударной ионизации должны сопутствовать другие про- цессы, обеспечивающие восполнение и накопление числа заряженных частиц между электродами. В зависимости от характера этих сопутствующих процессов в газах различают лавинный и лавинно-стримерный пробой.
Э = ????????????̅,
(4.75) где ????̅ – средняя длина свободного пробега частиц.
Если напряженность поля достаточно велика, то начинается ударная иониза- ция, т. е. в результате столкновений частиц происходит расщепление молекул на электроны и положительно заряженные ионы. Необходимым условием для разви- тия ударной ионизации является выполнение неравенства
????????????̅ ≥ Э
и
,
(4.76) где Э
и
– энергия ионизации атомов или молекул газа, которая в зависимости от природы последнего может принимать значения от 4 до 25 эВ.
Необходимо отметить, что ударная ионизация производится главным обра- зом электронами, хотя ионы имеют намного большую массу. Это объясняется тем, что электроны благодаря меньшей массе обладают в 100-1 000 раз большей подвижностью. Поэтому за одинаковый промежуток времени они пройдут в
100-1 000 раз большее расстояние и, соответственно, произведут большее число ионизаций. Ударная ионизация вызывает лавинообразное размножение заряжен- ных частиц, которое можно охарактеризовать экспоненциальной зависимостью вида
???? = ????
0
exp(α
и
ℎ),
(4.77) где ????
0
– начальная концентрация электронов;
α
и
– коэффициент ударной иониза- ции; ℎ – длина прорастающей лавины.
Лавина распространяется к аноду со скоростью около 10 5
м/с и вблизи анода достигает своего наибольшего развития. Однако прорастание одной электронной лавины еще не приводит к формированию проводящего канала, поскольку обра- зовавшиеся электроны быстро уходят из разрядного промежутка на анод. Для полного развития пробоя ударной ионизации должны сопутствовать другие про- цессы, обеспечивающие восполнение и накопление числа заряженных частиц между электродами. В зависимости от характера этих сопутствующих процессов в газах различают лавинный и лавинно-стримерный пробой.
При лавинном пробое большую роль играют вторичные процессы на катоде.
Среди них следует выделить ионную бомбардировку поверхности катода, приво- дящую к выбиванию вторичных электронов (ионная ударная ионизация). Вновь рождаемые электроны, ускоряясь полем, образуют новые, более интенсивные ла- вины. Последовательное наложение нескольких электронных и ионных лавин со- провождается прогрессирующим нарастанием тока и в конечном итоге приводит к насыщению зарядами межэлектродного пространства, газ переходит в проводя- щее состояние. Однако для полного развития такого многолавинного процесса требуется сравнительно большой промежуток времени, определяемый прежде всего скоростью пересечения межэлектродного расстояния положительными ионами, обладающими низкой подвижностью. Как правило, время формирования лавинного пробоя составляет 10
–5
…10
–4
с.
Лавинный пробой возникает при малом расстоянии между электродами ℎ или при пониженном давлении газа ????, т. е. в условиях низкого значения произве- дения ????ℎ, когда мало общее число молекул в разрядном промежутке. Величина пробивного напряжения в этом случае зависит от материала катода, что подтвер- ждает важную роль вторичных процессов на катоде в формировании проводящего канала.
При больших значениях ????ℎ пробой в газах носит лавинно-стримерный харак- тер. Под стримером понимают область скопления заряженных частиц, которая по степени ионизации существенно превосходит прилегающие области межэлек- тродного пространства. Лавинно-стримерный пробой развивается за время
10
–7
…10
–6
с, т. е. гораздо быстрее лавинного механизма. Ускорению формирова- ния разряда в значительной мере способствует внутренняя фотоионизация газа.
Суть ее заключается в следующем. Часть электронов, ускоренных полем, при столкновениях с молекулами газа может не ионизировать их, а переводить в воз- бужденное состояние. При возбуждении атома или молекулы связанные с ними электроны переходят на более высокие энергетические уровни. Время жизни атома или молекулы в возбужденном состоянии очень мало (10
–8
с), и в следую- щий момент времени такая возбужденная частица, возвращаясь в основное состо- яние, испускает фотон. Фотоны распространяются во все стороны, в том числе по пути следования основной электронной лавины. Некоторые из фотонов имеют энергию, превышающую энергию ионизации молекул Э
и
. Такие фотоны рожда-
ются при ударном возбуждении электронов, находящихся на внутренних оболоч- ках атомов. Аналогичный результат может быть получен при возбуждении уже образовавшегося иона.
Фотоны высокой энергии легко поглощаются другими атомами или молеку- лами. Фотопоглощение, как правило, сопровождается ионизацией частиц. В ре- зультате возникают новые электроны и обусловленные ими новые очаги иониза- ции. На рис. 4.51 показана схема формирования отрицательного стримера, т. е. потока электронов, направленного к аноду.
Рисунок 4.51 – Схема развития отрицательного стримера при пробое газа
Электронные лавины, образующиеся вследствие ударной ионизации, пока- заны в виде заштрихованных конусов, а волнистыми линиями изображены направления распространения фотонов.
Отдельные лавины нагоняют друг друга и сливаются в сплошной канал иони- зированного газа. Благодаря внутренней фотоионизации газа образование первич- ной лавины электронов происходит за очень короткое время. Однако роль про- цесса фотоионизации еще более важна при формировании положительного стри- мера, т. е. встречного потока заряженных частиц, направленного от анода к ка- тоду. Механизм образования положительного стримера поясняет рис. 4.52.
Рисунок 4.52 – Схема развития лавинно-стримерного пробоя газа
Фотоны высокой энергии легко поглощаются другими атомами или молеку- лами. Фотопоглощение, как правило, сопровождается ионизацией частиц. В ре- зультате возникают новые электроны и обусловленные ими новые очаги иониза- ции. На рис. 4.51 показана схема формирования отрицательного стримера, т. е. потока электронов, направленного к аноду.
Рисунок 4.51 – Схема развития отрицательного стримера при пробое газа
Электронные лавины, образующиеся вследствие ударной ионизации, пока- заны в виде заштрихованных конусов, а волнистыми линиями изображены направления распространения фотонов.
Отдельные лавины нагоняют друг друга и сливаются в сплошной канал иони- зированного газа. Благодаря внутренней фотоионизации газа образование первич- ной лавины электронов происходит за очень короткое время. Однако роль про- цесса фотоионизации еще более важна при формировании положительного стри- мера, т. е. встречного потока заряженных частиц, направленного от анода к ка- тоду. Механизм образования положительного стримера поясняет рис. 4.52.
Рисунок 4.52 – Схема развития лавинно-стримерного пробоя газа
По мере продвижения электронной лавины от катода позади нее остается объемный положительный заряд, так как за короткое время развития пробоя ма- лоподвижные ионы не успевают уйти из разрядного промежутка, а быстрые элек- троны устремляются к аноду. Именно здесь лавины получают наибольшее разви- тие, именно здесь наиболее интенсивны столкновения частиц и связанные с ними процессы фотоионизации. Вновь рождаемые электроны втягиваются в область максимальной напряженности поля, т. е. в область максимальной плотности объ- емного заряда. Начинается формирование плазменного канала в направлении от анода к катоду.
По мере насыщения прианодной области положительными и отрицатель- ными зарядами происходит перераспределение напряженности электрического поля. Максимальная напряженность ???? перемещается в головку стримера, т. е. на границу с областью не полностью ионизированного газа. Благодаря этому обес- печивается дальнейшее прорастание плазменного канала путем всасывания фото- электронов вплоть до полного перекрытия разрядного промежутка.
После завершения формирования газоразрядной плазмы от катода распро- страняется мощная электронная волна, которая проявляется в виде искры. Обра- зовавшаяся искра может перерасти в электрическую дугу, если мощность источ- ника питания достаточна, чтобы поддержать испарения катода. Чем больше напряжение, приложенное к электродам, тем быстрее развивается пробой. Про- бивное напряжение зависит от формы электродов и расстояния между ними, ча- стоты электрического поля, температуры и давления газа, а также от его химиче- ского состава.
Пробой газа в однородном поле протекает иначе, чем в неоднородном.
Однородное электрическое поле в разрядном промежутке можно получить между плоскими электродами с закругленными краями, а также между двумя сферами, если расстояние между ними не превышает их диаметра. В однородном поле про- бой происходит внезапно без каких-либо предварительных стадий. Даже в этом случае электрическая прочность газа не является величиной постоянной. Она за- висит не только от параметров состояния газа, но и от расстояния между электро- дами, достигая высоких значений в малых зазорах.
На рис. 4.53 показана подобная зависимость для воздуха в нормальных усло- виях, т. е. при температуре 20 ℃ и давлении 0,1 МПа (760 мм рт. ст.).
Рисунок 4.53 – Зависимость электрической прочности воздуха от расстояния
между электродами в случае однородного поля
При стандартном расстоянии между электродами в 1 см пробивная напря- женность воздуха составляет около 3,2 МВ/м, а для межэлектродного промежутка в 0,1 мм она возрастает в три раза. При достаточно больших расстояниях между электродами электрическая прочность изменяется очень незначительно. Соответ- ственно в этих условиях пробивное напряжение практически линейно возрастает с увеличением ℎ. Возрастание ????
пр в малых зазорах объясняется трудностью фор- мирования электронных лавин из-за малого числа частиц между электродами.
Экспериментально установлено, что пробивное напряжение ????
пр в однород- ном электрическом поле закономерно изменяется в зависимости от произведения давления газа ???? на расстояние между электродами ℎ. Эта зависимость, известная как закон Пашена, представлена на рис. 4.54 для воздуха и водорода. Если длина разрядного промежутка и давление газа изменяются так, что их произведение остается постоянным, то и пробивное напряжение не изменяется.
Рисунок 4.54 – Зависимость пробивного напряжения в однородном поле от произведения
давления газа ???? на межэлектродное расстояние ℎ для воздуха и водорода
Как видно из рис. 4.54, для каждого газа существует минимальная величина пробивного напряжения ????
пр min
, отвечающая определенному для данного газа значению произведения ????ℎ. Для разных газов ????
пр min
= 280…420 В, в частности у воздуха – 330 В. Этому значению соответствует ????ℎ = 0,006 мм рт. ст.·м (0,75 Па·м).
В области малых значений ????ℎ реализуется лавинный пробой с достаточно боль- шим временем формирования разряда, которое к тому же возрастает при умень- шении ℎ. Наоборот, области больших значений ????ℎ соответствует лавинно-стри- мерный пробой, длительность развития которого на два порядка меньше и опре- деляется процессами фотоионизации. В воздухе при атмосферном давлении в слу- чае однородного электрического поля изменение характера пробоя (от лавинного к лавинно-стримерному) происходит при длине разрядного промежутка ℎ = 1 мм.
При неизменном расстоянии между электродами кривые, представленные на рис. 4.54, характеризуют зависимость электрической прочности газов от давле- ния, т. е. от плотности среды, если температура постоянна. Необходимо отметить, что точка, соответствующая нормальным условиям, лежит на восходящей части кривой, т. е. справа от минимума. При расстоянии между электродами в 1 см ми- нимальная электрическая прочность воздуха наблюдается при давлении
0,567 мм рт. ст. (75 Па), т. е. в слаборазреженной среде. Возрастание электриче- ской прочности при увеличении давления относительно указанного значения объ- ясняют сокращением длины свободного пробега электронов вследствие повыше- ния плотности газа. Как следует из формулы (4.76), при уменьшении ????̅ для разви- тия ударной ионизации требуется более высокая напряженность поля.
Возрастание пробивной напряженности в области низких давлений обуслов- лено уменьшением вероятности столкновений электронов с молекулами газа вследствие разреженности среды. Малое число столкновений препятствует лави- нообразному размножению заряженных частиц. В случае очень высокого вакуума средняя длина свободного пробега становится больше расстояния между электро- дами. Поэтому ударная ионизация становится невозможной. В таких условиях пробой можно объяснить холодной эмиссией электронов с катода – вырыванием электронов с поверхности катода силами электрического поля. Электрическая прочность в этом случае достигает очень больших значений (10 2
МВ/м), прибли- жаясь к электрической прочности твердых диэлектриков, и зависит от материала электродов, степени их чистоты. Повышенную электрическую прочность вакуума используют в технике при создании высокочастотных вакуумных конденсаторов, рассчитанных на повышенные напряжения. В противоположность этому зажига- ние разряда в газе с небольшой степенью разреженности широко используется в различных газоразрядных приборах: газотронах, тиратронах, стабилитронах, иг- нитронах, газоразрядных лазерах, индикаторных устройствах и т. п.
Пробивное напряжение газа существенно зависит от частоты приложенного поля. Дисперсия электрической прочности особенно заметна в диапазоне радио- частот. На рис. 4.55 показано частотное изменение пробивного напряжения для воздуха в нормальных условиях.
Рисунок 4.55 – Зависимость пробивного напряжения воздуха от частоты
однородного электрического поля
(пробивное напряжение на каждой частоте ????
пр ????
нормировано к пробивному напряжению
на постоянном токе ????
пр 0
)
Следует отметить, что ввиду кратковременности электронного разряда про- бивное напряжение при воздействии переменного поля определяется амплитуд- ным, а не действующим значением.
При небольших частотах (до 10 кГц) амплитудное значение пробивного напряжения совпадает со значением пробивного напряжения в постоянном поле.
На более высоких частотах ????
пр уменьшается и приходит в минимум на частоте около 5 МГц, после чего вновь начинает возрастать. Уменьшение пробивного напряжения с ростом частоты объясняется искажениями поля, обусловленными образованием объемного заряда в газе вследствие различной подвижности элек- тронов и ионов. Протекающие при этом процессы отражает диаграмма на рис. 4.56.
Рисунок 4.56 – Диаграмма, поясняющая особенности ионизации газа
в переменном электрическом поле
Ионизация газа и прорастание электронных лавин происходит лишь в те про- межутки времени, когда мгновенное значение напряжения превосходит порог ионизации ????
и
(интервалы
????
1
− ????
2
,
????
3
− ????
4
). При снижении напряжения до уровня, ниже порогового, ионизация прекращается и начинается рассасывание образовав- шегося объемного заряда в межэлектродном пространстве. Скорость рассасыва- ния определяется скоростью дрейфа ионов в направлении к катоду. На высоких частотах время полупериода настолько мало, что ионы не успевают нейтрализо- ваться на катоде. Накопление объемного положительного заряда усиливает гра- диенты потенциала, что облегчает дальнейшую ионизацию и снижает напряжения пробоя.
В области еще более высоких частот продолжительность полупериода изме- нения поля становится соизмеримой со временем формирования электронных ла- вин. Поэтому для полного развития и завершения процесса ударной ионизации необходимо повысить напряжение на электродах, так как с увеличением напря- жения сокращается время формирования стримера. Глубина минимума на частот- ной зависимости тем больше, чем больше расстояние между электродами.
Пробой газа в неоднородном поле характеризуется меньшими значени- ями пробивного напряжения, чем в однородном поле при одинаковых межэлек- тродных зазорах. Сильно неоднородное поле возникает между двумя остриями, острием и плоскостью, между двумя проводами и т. п. Главной особенностью пробоя газа в неоднородном поле является возникновение частичного разряда, называемого короной. Корона предшествует полному разряду между электродами и возникает в местах максимальной неоднородности поля, где его напряженность в первую очередь достигает критических значений (например, вблизи острия или острой кромки электрода). При дальнейшем возрастании напряжения корона пре- вращается в искровой разряд или в электрическую дугу.
Для неоднородного поля различают начальное напряжение ионизации ????
нач
(иначе называемое напряжением короны) и пробивное напряжение ????
пр
. В случае однородного поля эти напряжения равны. Чем сильнее выражена электрическая неоднородность, тем больше отношение ????
пр
????
нач
⁄
. При появлении короны возрас- тает ток утечки, резко увеличиваются диэлектрические потери. Корона характе- ризуется свечением, которое обусловлено испусканием фотонов возбужденными атомами или молекулами.
Лазерный (оптический) пробой газа происходит под действием мощного лазерного излучения плотностью порядка 10 15
Вт/м
2
, получаемого от импульс- ного лазера. При мощном лазерном излучении становятся возможными процессы многофотонного поглощения, когда происходит сложение энергий фотонов. В ре- зультате многофотонного поглощения некоторые из молекул газа ионизируются и возникают первичные электроны. Под действием сильного электрического поля световой волны электроны увеличивают свою кинетическую энергию и при упру- гих столкновениях с молекулами газа производят их ударную ионизацию. Для развития процесса плотность светового потока должна превосходить некоторое пороговое значение. В результате ударной ионизации и фотоионизации в фокусе лазерного излучения образуется сгусток газоразрядной плазмы – искра. Механизм образования искры аналогичен лавинно-стримерному пробою газов на высоких частотах.
Явление лазерного пробоя носит взрывной характер и сопровождается яркой вспышкой света в видимой и ультрафиолетовой областях спектра, а также сфери- ческой ударной волной. Последняя обусловлена резким повышением давления газа при быстром нагревании небольшого объема. Распространяясь навстречу лучу, ударная волна способствует ионизации газа, облегчая условия пробоя. За счет этого происходит расширение образовавшейся искры в направлении лазера.
Точечный взрыв при лазерном пробое газа по сути многих физических процессов является гидродинамической моделью взрыва атомной бомбы.
Плазма хорошо поглощает лазерное излучение, вследствие чего в небольшом объеме, занимаемом ею, выделяется значительная световая энергия. Поэтому тем- пература плазмы может превышать 10 6
К.
1 2
Влияние химического состава газа
При равных условиях одинаковую с воздухом электрическую прочность имеют азот и кислород, а у водорода она на 40 % меньше. Очень низкой электри- ческой прочностью обладают инертные газы (гелий, аргон, неон), используемые для заполнения газоразрядных приборов и источников света. Например, у гелия в нормальных условиях ????
пр в три раза меньше, чем у воздуха, а у неона она отлича- ется в семь раз. Повышенной пробивной напряженностью отличаются некоторые тяжелые газы с большой молекулярной массой и высокой поляризуемостью. К их числу относятся, в частности, фреон CCl
2
F
2
и элегаз
SF
6
, у которых ????
пр примерно в 2,5 раза выше, чем у воздуха. Достоинства элегаза в том, что он не токсичен,
Влияние химического состава газа
При равных условиях одинаковую с воздухом электрическую прочность имеют азот и кислород, а у водорода она на 40 % меньше. Очень низкой электри- ческой прочностью обладают инертные газы (гелий, аргон, неон), используемые для заполнения газоразрядных приборов и источников света. Например, у гелия в нормальных условиях ????
пр в три раза меньше, чем у воздуха, а у неона она отлича- ется в семь раз. Повышенной пробивной напряженностью отличаются некоторые тяжелые газы с большой молекулярной массой и высокой поляризуемостью. К их числу относятся, в частности, фреон CCl
2
F
2
и элегаз
SF
6
, у которых ????
пр примерно в 2,5 раза выше, чем у воздуха. Достоинства элегаза в том, что он не токсичен,
При равных условиях одинаковую с воздухом электрическую прочность имеют азот и кислород, а у водорода она на 40 % меньше. Очень низкой электри- ческой прочностью обладают инертные газы (гелий, аргон, неон), используемые для заполнения газоразрядных приборов и источников света. Например, у гелия в нормальных условиях ????
пр в три раза меньше, чем у воздуха, а у неона она отлича- ется в семь раз. Повышенной пробивной напряженностью отличаются некоторые тяжелые газы с большой молекулярной массой и высокой поляризуемостью. К их числу относятся, в частности, фреон CCl
2
F
2
и элегаз
SF
6
, у которых ????
пр примерно в 2,5 раза выше, чем у воздуха. Достоинства элегаза в том, что он не токсичен,
химостоек, не разлагается при нагревании до 800 ℃, его можно сжать без сжиже- ния до давления 2 МПа при комнатной температуре.
Еще большей электрической прочностью обладают пары перфторированных углеводородов. Например, пары фторфенантрена C
14
F
24
имеют
????
пр в 10 раз больше, чем у воздуха.
В жидком состоянии такие газы, как азот, аргон, водород, гелий, широко ис- пользуемые при проведении различных исследований, являются хорошими ди- электриками с электрической прочностью 30…33 МВ/м.
Пробой жидких диэлектриков
Электрическая прочность жидких диэлектриков в значительной мере зависит от их чистоты. Пробой тщательно очищенных жидкостей имеет чисто электрон- ный характер и обусловлен процессами ударной ионизации. Длительность фор- мирования электрического разряда в этом случае не превышает 10
–6
с. Начальные электроны, образующие лавину, возникают вследствие их инжекции из катода.
Наблюдается корреляция между значением ????
пр и работой выхода электрона из металла, используемого в качестве катода.
Плотность жидкостей, используемых в электроизоляционной технике, при- мерно в 10 3
раз больше плотности газов в нормальных условиях. Соответственно в жидкостях электроны, производящие ударную ионизацию, обладают намного меньшей длиной свободного пробега. Поэтому пробивная напряженность у чи- стых жидких диэлектриков на один-два порядка выше, чем у газов. Например, тщательно очищенное трансформаторное масло имеет ????
пр
= 40 МВ/м. Формально жидкие очищенные углеводороды можно рассматривать как газы, сжатые до дав- ления 2 000 атм (2·10 8
Па).
При пробое загрязненных и технически чистых жидкостей определяющую роль играют так называемые вторичные процессы, связанные с движением и пе- рераспределением примесных включений. Эти процессы в корне изменяют меха- низм пробоя и приводят к снижению электрической прочности диэлектриков.
Формы проявления вторичных процессов могут быть весьма многообразны.
Например, если в жидком диэлектрике присутствуют твердые достаточно прово- дящие микровключения, то под действием электрического поля они поляризу- ются, притягиваются друг к другу и образуют «мостики», замыкающие элек- троды. По этим мостикам проходит электрический разряд.
Еще большей электрической прочностью обладают пары перфторированных углеводородов. Например, пары фторфенантрена C
14
F
24
имеют
????
пр в 10 раз больше, чем у воздуха.
В жидком состоянии такие газы, как азот, аргон, водород, гелий, широко ис- пользуемые при проведении различных исследований, являются хорошими ди- электриками с электрической прочностью 30…33 МВ/м.
Пробой жидких диэлектриков
Электрическая прочность жидких диэлектриков в значительной мере зависит от их чистоты. Пробой тщательно очищенных жидкостей имеет чисто электрон- ный характер и обусловлен процессами ударной ионизации. Длительность фор- мирования электрического разряда в этом случае не превышает 10
–6
с. Начальные электроны, образующие лавину, возникают вследствие их инжекции из катода.
Наблюдается корреляция между значением ????
пр и работой выхода электрона из металла, используемого в качестве катода.
Плотность жидкостей, используемых в электроизоляционной технике, при- мерно в 10 3
раз больше плотности газов в нормальных условиях. Соответственно в жидкостях электроны, производящие ударную ионизацию, обладают намного меньшей длиной свободного пробега. Поэтому пробивная напряженность у чи- стых жидких диэлектриков на один-два порядка выше, чем у газов. Например, тщательно очищенное трансформаторное масло имеет ????
пр
= 40 МВ/м. Формально жидкие очищенные углеводороды можно рассматривать как газы, сжатые до дав- ления 2 000 атм (2·10 8
Па).
При пробое загрязненных и технически чистых жидкостей определяющую роль играют так называемые вторичные процессы, связанные с движением и пе- рераспределением примесных включений. Эти процессы в корне изменяют меха- низм пробоя и приводят к снижению электрической прочности диэлектриков.
Формы проявления вторичных процессов могут быть весьма многообразны.
Например, если в жидком диэлектрике присутствуют твердые достаточно прово- дящие микровключения, то под действием электрического поля они поляризу- ются, притягиваются друг к другу и образуют «мостики», замыкающие элек- троды. По этим мостикам проходит электрический разряд.
При эксплуатации трансформаторного и других нефтяных масел трудно из- бежать их загрязнения атмосферной влагой. Даже незначительная добавка воды
(0,01 %) в несколько раз уменьшает пробивное напряжение очищенного транс- форматорного масла. При этом вода может существовать в масле как в виде рас- твора, так и в виде эмульсии (маленьких взвешенных капелек). Растворенная вода практически не влияет на пробивное напряжение, а образование водной эмульсии сопровождается резким снижением электрической прочности. Капельки поляр- ной жидкости (воды), находящиеся в неполярной среде (масле) с малой диэлек- трической проницаемостью, в сильном электрическом поле теряют сферическую форму и вытягиваются в эллипсоиды. Образовавшиеся макродиполи взаимодей- ствуют между собой и выстраиваются вдоль силовых линий поля, формируя ме- жэлектродные мостики с повышенной проводимостью. При изменении темпера- туры изменяется растворимость воды, что приводит к изменению соотношения ее количеств в молекулярной и эмульсионной формах. Соответственно изменяется и электрическая прочность масла.
Вторичные процессы могут проявляться в виде образования газовых пузырь- ков, инициированных вскипанием жидкости. Разогрев может быть обусловлен разными причинами, например большими диэлектрическими потерями в диапа- зоне радиочастот или же локальным выделением теплоты в местах наиболее рез- ких неоднородностей электрического поля. В любом случае возникающие газо- вые пузырьки при их слиянии образуют между электродами сплошной канал с пониженной электрической прочностью. Следует также учитывать возможность химического разложения жидких диэлектриков при развитии ударной ионизации в газовых пузырьках.
Рассмотренные вторичные явления, возникающие в жидкостях под дей- ствием сильного электрического поля, протекают сравнительно медленно. Напри- мер, образование проводящих мостиков может затягиваться на несколько секунд.
Поэтому пробивное напряжение зависит от длительности воздействия электриче- ского поля. При кратковременном приложении напряжения (импульсами) пробой даже не очень чистых жидкостей носит преимущественно электронный характер, а электрическая прочность имеет порядок 10 7
В/м. В случае больших экспозиций
????
пр изменяется в широких пределах (10 7
…10 5
В/м) и определяется типом примес- ных включений, их количеством, условиями пробоя и различными случайными факторами.
ПРОБОЙ ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ
Виды и стадии пробоя
Пробой твердых диэлектриков может происходить как при весьма высоких, так и при низких напряжениях. Например, в полупроводниковых интегральных схемах для изоляции элементов используют диэлектрические пленки толщиной порядка 100 нм. В этом случае при рабочем напряжении всего 10 В в диэлектрике создается напряженность поля 10 8
В/м, что очень близко к критическим значе- ниям. Таким образом, даже в низковольтных элементах электронной аппаратуры пробой ограничивает предельные рабочие напряжения и может являться одной из причин выхода из строя диэлектрической изоляции.
В развитии пробоя твердых диэлектриков принято выделять, по крайней мере, две важные стадии: предварительную (начальную) и завершающую. На предварительной стадии происходит нарушение стационарного режима электро- проводности, приводящее к потере диэлектриком электрической прочности и рез- кому возрастанию тока. Завершающую стадию связывают с образованием прово- дящего канала и последующим разрушением материала. Вторую стадию пробоя можно предупредить, если ограничить нарастание тока в разрядной цепи. По при- роде процессов, определяющих развитие подготовительной стадии, различают три основных механизма пробоя:
электрический;
тепловой;
электрохимический.
Каждый из выделенных механизмов пробоя может иметь место в одном и том же диэлектрике в зависимости от характера приложенного напряжения – по- стоянного или переменного, низкочастотного, высокочастотного или импульс- ного; а также от длительности воздействия поля; степени однородности и дефект- ности диэлектрика, его толщины, наличия в нем закрытых пор; условий охлажде- ния материала и др.
Электрический пробой твердых диэлектриков является чисто электрон- ным процессом, в котором основную роль играет ударная ионизация. Начальные электроны появляются в результате их инжекции с металлических электродов в зону проводимости или вследствие стимулированного полем освобождения носи-
телей заряда с ловушек. В свою очередь, инжекция может осуществляться по ме- ханизму полевой эмиссии Шоттки либо путем квантово-механического туннели- рования электронов сквозь барьер, сформированный у катода.
Ударная ионизация начинается в том случае, когда ускоренные электроны приобретают от поля энергию, превышающую ширину запрещенной зоны. Тогда при взаимодействии первичных электронов с узлами решетки образуются вторич- ные электроны путем перевода последних из валентной зоны в зону проводимо- сти. Упрощая картину взаимодействия, можно полагать, что при каждом акте ионизации вместо одного быстрого электрона, уже ускоренного полем, образу- ется два медленных электрона, которые затем также разгоняются полем и вновь производят ионизации, как показано на рис. 4.57. В результате формируется элек- тронная лавина. Время пролета электронов до анода обычно не превышает не- скольких пикосекунд.
Рисунок 4.57 – Схема формирования электронной лавины
за счет ударной ионизации
При сильном развитии лавин у анода после ухода электронов остается объ- емный положительный заряд достаточно большой плотности. Благодаря ему начинается формирование встречного стримера, прорастающего к аноду с уча- стием процессов фотоионизации. Потеря материалом электрической прочности при такой последовательности процессов происходит за время порядка
10
–7
…10
–8
с. Предварительная стадия пробоя завершается образованием тонких проводящих каналов диаметром около одного микрометра. Плотность тока в этих каналах при отсутствии ограничений может достигать 10 9
А/м
2
. На завершающей стадии происходит плавление диэлектрика в объеме канала. Возникающее при этом давление может привести к появлению трещин или полному разрушению материала.
Ударная ионизация начинается в том случае, когда ускоренные электроны приобретают от поля энергию, превышающую ширину запрещенной зоны. Тогда при взаимодействии первичных электронов с узлами решетки образуются вторич- ные электроны путем перевода последних из валентной зоны в зону проводимо- сти. Упрощая картину взаимодействия, можно полагать, что при каждом акте ионизации вместо одного быстрого электрона, уже ускоренного полем, образу- ется два медленных электрона, которые затем также разгоняются полем и вновь производят ионизации, как показано на рис. 4.57. В результате формируется элек- тронная лавина. Время пролета электронов до анода обычно не превышает не- скольких пикосекунд.
Рисунок 4.57 – Схема формирования электронной лавины
за счет ударной ионизации
При сильном развитии лавин у анода после ухода электронов остается объ- емный положительный заряд достаточно большой плотности. Благодаря ему начинается формирование встречного стримера, прорастающего к аноду с уча- стием процессов фотоионизации. Потеря материалом электрической прочности при такой последовательности процессов происходит за время порядка
10
–7
…10
–8
с. Предварительная стадия пробоя завершается образованием тонких проводящих каналов диаметром около одного микрометра. Плотность тока в этих каналах при отсутствии ограничений может достигать 10 9
А/м
2
. На завершающей стадии происходит плавление диэлектрика в объеме канала. Возникающее при этом давление может привести к появлению трещин или полному разрушению материала.
Рассмотренный механизм пробоя твердых диэлектриков во многом аналоги- чен лавинно-стримерному пробою газов. Он характерен для объемных образцов толщиной ℎ > 100 мкм. В этом случае пробивная напряженность в однородном поле практически не зависит от толщины диэлектрика. Однако тонкие пленки, как правило, обладают более высокой электрической прочностью, чем массивные об- разцы. Это свойство получило название электрического упрочнения материалов.
В тонких пленках изменяется механизм электрического пробоя. Одна элек- тронная лавина при малой длине разрядного промежутка не может создать у анода достаточно мощный положительный заряд, который способен инициировать фор- мирование встречного стримера. Вместе с тем такой объемный заряд могут обра- зовать несколько последовательных лавин, развивающихся в одной и той же об- ласти пленки. Таким образом, в тонких слоях лавинно-стримерный пробой пре- вращается в многолавинный, как в случае газов при малых значениях ????ℎ. Вслед- ствие этого на один-два порядка возрастает длительность пробоя, так как между лавинами всегда существует некоторая статистическая задержка в развитии про- цесса.
Чтобы электронные лавины в тонких слоях приобрели достаточную мощ- ность, необходимо увеличивать напряженность прикладываемого поля. Явление электрического упрочнения обычно наблюдается в пленках толщиной менее
1 мкм. Пробивная напряженность высококачественных тонких диэлектрических пленок может достигать 10 10
В/м. В качестве примера на рис. 4.58 приведены экс- периментальные данные по электрической прочности аморфных пленок SiO
2
и
Al
2
O
3
, используемых в электронике в структурах типа металл–диэлектрик–ме- талл (МДМ) и металл–диэлектрик–полупроводник (МДП).
Рисунок 4.58 – Зависимость пробивной напряженности в однородном поле
от толщины диэлектрических пленок
Чисто электрический пробой имеет место в тех случаях, когда исключено влияние электропроводности и диэлектрических потерь, обусловливающих
нагрев диэлектрика, а также отсутствует ионизация газовых включений. Такие условия соблюдаются в монокристаллах различных оксидов, щелочно-галоидных соединений и некоторых полимеров. Экспериментальные данные позволяют вы- явить ряд характерных признаков электрического пробоя.
1. В сильных полях перед электрическим пробоем доминирует электронная электропроводность, наблюдается нарушение закона Ома в сторону более резкого возрастания тока.
2. Пробивная напряженность различных твердых диэлектриков (как органи- ческих, так и неорганических) изменяется в сравнительно узких пределах (от 10 8
до 10 9
В/м), что близко к электрической прочности сильно сжатых газов или тща- тельно очищенных жидкостей.
3. Значение
????
пр для данного диэлектрика при электрическом пробое намного выше, чем при других видах пробоя.
4. Электрическая прочность материала несколько возрастает с температурой, что можно объяснить уменьшением длины свободного пробега электронов.
5. Значения
????
пр не зависят от длительности воздействия напряжения и ча- стоты поля (по крайней мере до ???? 10 6
Гц).
6. Электрический пробой наблюдается у большинства диэлектриков при кратковременном (импульсном) воздействии напряжения, так как в области ма- лых экспозиций не успевают развиваться ни тепловые, ни электрохимические процессы.
Таким образом, при электронной форме пробоя значение ????
пр в однородном поле в однородном диэлектрике практически не зависит от параметров окружаю- щей среды и многих побочных факторов. Поэтому пробивная напряженность, со- ответствующая таким условиям, является наиболее надежной и воспроизводимой характеристикой электрической прочности самого вещества.
Тепловой пробой характерен только для твердых диэлектриков и обуслов- лен нарушением теплового равновесия в них при воздействии достаточно силь- ного электрического поля. Диэлектрические потери вызывают разогрев матери- ала. Если количество тепловой энергии, выделяющейся в диэлектрике за счет по- терь, превысит количество теплоты, отводимой в окружающее пространство, то начнется прогрессирующий разогрев изолятора вплоть до полной потери им элек- трической прочности. Тепловой пробой по сравнению с электрическим разрядом характеризуется меньшим значением ????
пр и существенно большей длительностью предварительной стадии.
1. В сильных полях перед электрическим пробоем доминирует электронная электропроводность, наблюдается нарушение закона Ома в сторону более резкого возрастания тока.
2. Пробивная напряженность различных твердых диэлектриков (как органи- ческих, так и неорганических) изменяется в сравнительно узких пределах (от 10 8
до 10 9
В/м), что близко к электрической прочности сильно сжатых газов или тща- тельно очищенных жидкостей.
3. Значение
????
пр для данного диэлектрика при электрическом пробое намного выше, чем при других видах пробоя.
4. Электрическая прочность материала несколько возрастает с температурой, что можно объяснить уменьшением длины свободного пробега электронов.
5. Значения
????
пр не зависят от длительности воздействия напряжения и ча- стоты поля (по крайней мере до ???? 10 6
Гц).
6. Электрический пробой наблюдается у большинства диэлектриков при кратковременном (импульсном) воздействии напряжения, так как в области ма- лых экспозиций не успевают развиваться ни тепловые, ни электрохимические процессы.
Таким образом, при электронной форме пробоя значение ????
пр в однородном поле в однородном диэлектрике практически не зависит от параметров окружаю- щей среды и многих побочных факторов. Поэтому пробивная напряженность, со- ответствующая таким условиям, является наиболее надежной и воспроизводимой характеристикой электрической прочности самого вещества.
Тепловой пробой характерен только для твердых диэлектриков и обуслов- лен нарушением теплового равновесия в них при воздействии достаточно силь- ного электрического поля. Диэлектрические потери вызывают разогрев матери- ала. Если количество тепловой энергии, выделяющейся в диэлектрике за счет по- терь, превысит количество теплоты, отводимой в окружающее пространство, то начнется прогрессирующий разогрев изолятора вплоть до полной потери им элек- трической прочности. Тепловой пробой по сравнению с электрическим разрядом характеризуется меньшим значением ????
пр и существенно большей длительностью предварительной стадии.