Механические, электрические и магнитные свойства материалов. Учебное пособие

годны для высоковольтной аппаратуры. У гигроскопичных материалов tg име-

ет повышенное значение, так как вода является источником свободных ионов.

Для неоднородных и композиционных диэлектриков tgзависит от при-

роды и распределения включений, специальных наполнителей. Значение tg cлоистых пластмасс может изменяться в широких пределах в зависимости от количественных соотношений компонентов, достигая нескольких единиц.

Наименьшие потери имеют однородные диэлектрики плотной структуры с минимальным содержанием примесей, имеющие мгновенную поляризацию. К

таким материалам относятся полистирол, полиэтилен, фторопласт-4, трансфор-

маторное масло, слюда, высокочастотный стеатит и др. Особенно высокие тре-

бования предъявляются к диэлектрикам, применяемым на высоких частотах и в высоковольтной аппаратуре.

2.5. Электрический пробой диэлектриков

Надежность и долговечность электрической изоляции проводов, диэлек-

трика конденсатора и других деталей радиоэлектронной аппаратуры зависят от электрической прочности диэлектрика. Пробоем называется потеря диэлектри-

ком электроизолирующих свойств материала в канале, образующемся между электродами, под действием электрического поля. Напряжение, при котором происходит пробой, называется пробивным напряжением (Uпр).

Электрическую прочность диэлектрика Eпр в однородном электрическом поле определяют величиной пробивного напряжения Uпр, отнесенной к тол-

щине диэлектрика d (расстоянию между электродами):

Допускаются производные единицы измерения: МВ/м, кВ/мм, кВ/см.

В случае неоднородного поля под Eпр подразумевают среднее значение пробивной напряженности.

41

Величина Eпр характеризует способность диэлектрика противостоять раз-

рушающему действию электрического поля.

Явление пробоя связано с нарушением химических связей между молеку-

лами (атомами), ионизацией атомов вещества лавинообразно нарастающим под действием ударной ионизации потоком электронов. Электрическая прочность материала определяется длиной свободного пробега электронов, то есть плот-

ностью вещества и его агрегатным состоянием.

В твердых диэлектриках различают три основных вида пробоя: электри-

ческий, электротепловой и электрохимический. Возникновение того или иного вида пробоя в диэлектрике зависит от его свойств, формы электродов, условий эксплуатации.

Электрический пробой твердых диэлектриков сводится к нарушению упругих связей в молекулах под действием электронной лавины и по своей природе является чисто электронным процессом. Электрический пробой возни-

кает при условии хорошего теплоотвода и отсутствии краевого разряда, иска-

жающего поле. В этих условиях значения электрической прочности диэлектри-

ков высоки и могут составлять ~103 МВ/м. Электрический пробой протекает очень быстро (10-8 - 10-7 c), электрическая прочность большинства однородных материалов в однородном поле не зависит от толщины, температуры и времени действия напряжения. Величина Епр неоднородных диэлектриков заметно уменьшается с увеличением площади электродов и толщины диэлектрика из-за повышения вероятности попадания слабых мест в направлении электрического поля.

На практике часто до наступления электрического пробоя при более низ-

ком напряжении происходит электротепловой пробой, вызванный тем, что ко-

личество теплоты, выделяющейся в диэлектрике за счет сквозной проводимо-

сти и диэлектрических потерь, превышает количество теплоты, которое может рассеиваться. При этом нарушается тепловое равновесие и процесс приобретает лавинообразный характер, материал разогревается до температур, соответству-

ющих расплавлению и обугливанию. Для теплового пробоя характерно умень-

42

шение электрической прочности с ростом температуры, а также частоты элек-

трического поля вследствие роста мощности диэлектрических потерь [соотно-

шение(2.9)].

Пробивное напряжение с увеличением длительности действия приложен-

ного напряжения уменьшается из-за дополнительного разогрева диэлектрика, а

также химического старения и других явлений. При кратковременном прило-

жении напряжения (например, импульсного) вероятность теплового пробоя ма-

ла даже при сравнительно большой проводимости, так как образец не успевает прогреться.

Электрическая прочность при тепловом пробое уменьшается с ростом толщины диэлектрика вследствие увеличения его неоднородности и ухудшения теплоотдачи.

В диэлектриках, длительно находящихся в электрическом поле, может происходить электрохимический пробой вследствие электролиза, ионизации га-

зовых включений и т.д. Эти процессы приводят к химическому старению ди-

электрика. Конечной стадией электрохимического пробоя чаще всего является тепловой пробой.

Наибольшей электрической прочностью обладают твердые диэлектрики,

однородные по структуре, имеющие низкую электрическую проводимость, по-

вышенные теплопроводность и нагревостойкость (пленочные фторопласт-4,

полиэтилен, лавсан, слюда и т.д.). Епр таких материалов достигает 100–300

МВ/м.

Пробой жидких диэлектриков в основном обусловлен количеством и природой примесей, содержащихся в них. Пробой жидкостей, содержащих га-

зовые включения, объясняется локальным перегревом жидкости за счет энер-

гии, выделяющейся в легко ионизирующихся пузырьках. Вскипание жидкости приводит к образованию газового канала между электродами, в котором и раз-

вивается пробой. Частицы твердых примесей также понижают Епр жидких ди-

электриков вследствие возможности поляризации в поле и создания проводя-

щих “мостиков”, полностью или частично соединяющих электроды.

43

Большое внимание уделяется очистке гигроскопичных жидких диэлек-

триков от воды, снижающей Епр. Неочищенное трансформаторное масло,

например, имеет Епр = 4 МВ/м, после тщательной очистки электрическая проч-

ность масла повышается до 20–25 МВ/м.

Газообразные диэлектрики широко применяются в газонаполненных и вакуумных конденсаторах. Воздух является хорошим изолятором, но только в слабых полях. Электрическая прочность газообразных диэлектриков не превы-

шает 2–3 МВ/м. Процесс пробоя обусловлен лавинным умножением электронов под действием ударной и фотоионизации.

Число электронов, образующихся в течение 1 с в 1см3 воздуха под дей-

ствием радиоактивности Земли или космических лучей, составляет от 10 до 20 [2]. Эти электроны являются начальными зарядами, приводящими к пробою в достаточно сильном поле.

При увеличении напряженности электрического поля Е электроны на длине свободного пробега приобретают энергию W=е Е, достаточную для ионизации молекул газа: W Wu (Wu – энергия ионизации, е – заряд электрона).

В результате при столкновении с атомами и молекулами они порождают новые электроны. «Вторичные» электроны под действием поля, в свою очередь, вы-

зывают ионизацию молекул газа. В результате этого процесса число электронов в газовом промежутке, лавинообразно нарастая, очень быстро увеличивается.

Электроны распределяются в межэлектродном пространстве в виде компактно-

го облачка, называемого электронной лавиной.

Известны два механизма пробоя газов: лавинный и лавинно-

стримерный [2].

При лавинном механизме ударная ионизация электронами сопровождает-

ся вторичными процессами на катоде, в результате которых заряды в газовом промежутке восполняются. Пробой газа сопровождается образованием серии лавин, причем каждая вновь образующаяся лавина по сравнению с предыдущей содержит большее число электронов – происходит «раскачивание» электрон-

ных лавин. Лавинный пробой, как правило, развивается в течение относительно

44

длительного времени (более 1 мкс) и не характерен для импульсных напряже-

ний [2].

При лавинно-стримерном механизме на развитие пробоя существенно влияет совместное действие поля пространственного заряда лавины и фо-

тоионизации в объеме газа.

В некоторых случаях электрон, ускоренный электрическим полем, может не ионизировать молекулу, а привести ее в возбужденное состояние: электрон,

находящийся внутри молекулы, переходит из равновесного состояния с мень-

шей энергией в состояние с более высокой энергией (на более удаленную от ядра орбиту). Такая возбужденная молекула в следующий момент отдает свою избыточную энергию в форме излучения – испускает фотон. Фотон поглощает-

ся какой-либо другой молекулой, которая при этом может ионизироваться. Та-

кая внутренняя фотонная ионизация газа благодаря большой скорости распро-

странения излучения приводит к быстрому развитию в разрядном промежутке каналов с повышенной концентрацией носителей заряда, которая достаточна для преобразования лавины в стример [3]. Стример представляет собой скоп-

ление ионизированных частиц, сильно превосходящее лавину по степени иони-

зации. После распространения стримеров (положительного, образованного ионами, и отрицательного, созданного электронами) на весь межэлектродный промежуток происходит пробой газа.

Электрическая прочность газов уменьшается с ростом расстояния между электродами, имеет немонотонную зависимость от давления с минимумом, со-

ответствующим давлению, близкому к атмосферному [2].

45

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Материалы микроэлектронной техники / Под ред. В.М. Андреева. М.:

Радио и связь, 1989. 350 с.

2.Электрорадиоматериалы / Под ред. Б.М. Тареева. М.: Высшая школа, 1978. 336 с.

3.Богородицкий Н.П., Пасынков В.В., Тареев Б.М. Электротехнические материалы. Л.: Энергоатомиздат, 1985. 304 с.

4.Свойства и применение металлов и полупроводников: Учеб. пособие /

С.П. Вихров, Т.А. Холомина; Рязан. гос. радиотехн. акад. Рязань, 2004. 84 с.

5. Уэрт Ч., Томсон Р. Физика твердого тела: Пер с англ. М.: Мир, 1969.

С. 437-503.

46

47