- •Глава 6. Керамические Диэлектрики 102
- •Введение
- •Глава 1. Диэлектрики в статических полях
- •1.1. Соотношения электростатики
- •1.2. Молекулярная поляризуемость
- •1.3. Локальное поле
- •1.4. Соотношение Клаузиуса-Мосотти
- •2.5. Полярные молекулы
- •1.6. Относительная диэлектрическая проницаемость полимеров
- •1.6.1. Неполярные полимеры
- •1.6.2. Полярные полимеры
- •1.7. Полимеры с низкой диэлектрической проницаемостью
- •Глава 2. Диэлектрическая релаксация
- •2.1. Общая теория
- •2.1.1. Комплексная диэлектрическая проницаемость и диэлектрические потери
- •2.1.2. Процесс диэлектрической релаксации
- •2.1.3. Отклонения от модели Дебая
- •2.2. Термическая активация дипольной релаксации
- •2.3. Кооперативная дипольная релаксация в полимерах
- •2.4. Диэлектрическая релаксация в твердых полимерах
- •2.5. Электронные эффекты
- •Глава 3. Полимерные диэлектрические материалы
- •3.1. Синтетические жидкие диэлектрики
- •3.2.Термопласты
- •3.2.1. Неполярные термопласты
- •3.2.2. Полярные термопласты
- •3.3. Реактопласты
- •3.4. Пластические массы
- •Глава 4 Электронная проводимость полимеров
- •Глава 5. Электрический пробой
- •5.1. Электронный пробой
- •5.2. Электромеханический пробой
- •5.3. Тепловой пробой
- •5.4. Пробой вследствие газового разряда
- •5.4.1. Внутренние разряды и образование дендритов
- •5.4.2. Внешние разряды и тренинг
- •5.5. Длительная электрическая прочность
- •5.6. Переменные поля
- •5.7. Эффекты пространственного заряда
- •5.8. Конструкция высоковольтных изделий
- •5.8.1. Силовые кабели
- •5.8.1. Тонкослойные конденсаторы
- •5.9. Приложение: статистика пробоя
- •Глава 6. Керамические Диэлектрики
- •6.2. Физикохимические основы создания керамики.
- •6.2.1. Твердые растворы
- •6.2.2. Типы твердых растворов
- •6.3. Основные типы диаграмм состояния двухкомпонентных систем
- •6.3.1. Диаграмма состояния двухкомпонентной системы с непрерывным рядом твердых растворов
- •6.3.2. Диаграмма состояния двухкомпонентной системы с эвтектикой без химических соединений и твердых растворов.
- •6.4. Система CaO–Aℓ2o3–SiOz
- •6.5. Свойства керамических материалов
- •Список литературы
Глава 5. Электрический пробой
При увеличении напряжения, приложенного к диэлектрическому материалу, наступает момент, когда он больше не способен выступать в роли изолятора и следует полный пробой материала. Типичным для пробоя является то, что это событие локализованное, происходит внезапно и имеет катастрофический характер. Вследствие высокого напряжения, быстрое высвобождение такого количества электрической энергии обычно ведет к выгоранию материала в области пробоя между электродами. Хотя направление пробоя обычно определяется имеющимся локальным дефектом или неоднородностью в материале и его окружении, постараемся очертить ответственные за это свойства материалов. Наличие максимального напряжения, которое изолятор может выдерживать в течение длительного времени до выхода из строя, приводит к понятию электрической прочности диэлектрика, определяемой как напряжение пробоя, деленное на толщину изолятора, т. е. максимальной напряженности электрического поля, которую материал может выдерживать неограниченное время. Собственная электрическая прочность Епр однородного твердого тела, несомненно, очень высока, обычно более 100 [MB•м−1], и оказывается при этом фундаментальным, но весьма неопределенным свойством [4].
При пробое твердых 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.
В Международной системе единиц Епp измеряется в вольтах на метр, В/м. На практике в качестве единицы измерения используют киловольт на миллиметр, кВ/мм, для газов — кВ/см:
10 кВ/см = 1 кВ/мм = 1 МВ/м = 106 В/м.
Для надежной работы электротехнических устройств (деталей) Upаб берется всегда ниже, чем Uпp изоляции. Отношение Uпp/Upаб представляет собой коэффициент запаса электрической прочности изоляции.
Одна из причин этого — невоспроизводимость результатов полученных для набора тщательно подготовленных одинаковых образцов. Электрическая прочность всегда демонстрируют большой разброс величин. Другими словами, пробой и, в особенности, его инициирование по своей природе являются стохастическими процессами и критическим образом зависят от статистической неравномерности состава и структуры индивидуального образца.
Вторая причина заключается в том, что пробой может произойти по причинам, связанным скорее с окружением образца, его физическим состоянием, чистотой и типом используемого электрода, а не формальным составом и структурой. Именно эти причины обычно лимитируют эффективную прочность изолятора в реальных обстоятельствах, и полностью устранить их не удается. В этих обстоятельствах следует с осторожностью относиться к стандартным тестам электрической прочности твердых тел — в действительности с их помощью не измеряют собственное значение для материала, поскольку возможны преждевременные разряды в окружающей газовой или жидкой среде. Поэтому в промышленности для оценки пробойных характеристик материалов при разработке конкретных изделий предпочитают использовать специально созданные тесты, имитирующие условия эксплуатации. Вдобавок старение и износ материала в течение срока службы, например химическое разложение под действием солнечного излучения и растрескивание под действием механических нагрузок, приобретают особое значение, так как подобные изменения почти всегда приводят к появлению электрически слабых мест. К тому же под действием сильных полей происходит постепенное кумулятивное старение, со временем приводящее к пробою. Пространственное распределение типов пробоя отражает его стохастическую природу, а древовидная картина разрушения является следствием этого [4].