5.2. Электромеханический пробой
При проведении испытаний на пробой закрепленные на поверхности образца электроды, между которыми приложено напряжение V, из-за взаимного кулоновского притяжения оказывают на образец сжимающее усилие. Если это усилие ведет к существенной деформации образца при напряженности поля ниже пробойного, электрическая прочность должна понижаться. Сила притяжения F равна производной энергии системы по толщине d материала при постоянном напряжении:
(5.2)
Подставляя выражение для емкости плоскопараллельного конденсатора С (площадь сечения А, диэлектрическая проницаемость ε/), получаем выражение для сжимающей силы на единицу площади:
(5.3)
В равновесии сила сжатия равна противодействующей силе упругой деформации, связанной с модулем Юнга. Подобный механизм пробоя можно обнаружить при сравнении пробивного напряжения в обычном полиэтилене и в радиационно-модифицированном, для которого модуль упругости (а также электрическая прочность) лишь незначительно уменьшаются с ростом температуры.
Кажущиеся низкие значения пробивной прочности в каучукоподобных материалах качественно описываются выражением:
, (5.4),
где Y – модуль упругости при растяжении.
При высоких температурах пробой большинства пластиков происходит по электромеханическому механизму.
5.3. Тепловой пробой
Если электропроводность диэлектрика достаточно велика для джоулева нагрева во внешнем поле, возникает возможность неконтролируемого разогрева материала, поскольку увеличение температуры, в свою очередь, будет приводить к увеличению электропроводности. В переменном поле возможен дополнительный нагрев из-за наличия релаксационных процессов, что должно облегчать условия для неконтролируемого разогрева материала. Дальнейший разогрев зависит от скорости отвода выделяющегося тепла. Уравнение теплового баланса имеет следующий вид:
(5.5)
где σ — электропроводность материала, CV — теплоемкость на единицу объема, а λ — теплопроводность. Общее решение данного уравнения невозможно, так как σ, CV и λ являются функциями температуры, однако имеется приближенное численное решение для полубесконечной пластины между находящимися при постоянной температуре электродами. Из этого уравнения следует, что температура в месте наибольшего разогрева, в центре пластины, рис. 5.3
Рис. 5.3. Расчетные кривые разогрева для бесконечной пластины материала до максимальной температуры при увеличении приложенного напряжения, показывающие начало неконтролируемого разогрева.
Основной характерной чертой зависимости является наличие критического напряжения VC, при достижении которого температура бесконечно возрастает. Это должно снижать собственную электрическую прочность до тех пор, пока не наступит пробой, если, конечно, не учитывать возможного плавления материала или его химического разложения. Понятно, что в данном конкретном примере критическое напряжение VC не зависит от толщины, поскольку ее увеличение будет приводить к уменьшению напряженности электрического поля, но также и к уменьшению скорости отвода тепла из центральной области. По этой причине иногда пользуются значением напряжения теплового пробоя. Тепловой пробой в полимерах наиболее вероятен а) при высоких температурах, когда становится заметной электропроводность (например, найлон-6,6 выше 90°С или б) на высоких частотах, когда начинает играть роль выделение тепла за счет релаксационных процессов.