Тепловой пробой. Обусловлен нарушением теплового равновесия диэлектрика вследствие диэлектрических потерь. Мощность, выделяющаяся в образце равна:
Рn
=
U2ωC
Тепловая мощность, отводимая от образца, пропорциональна площади теплоотвода S и разности температур Т и окружающей среды То.
Рр = кS(T-T°),
где к – коэффициент теплоотдачи.
Условие теплового
равновесия является Рn
= Рр,
но так как
обычно растет с повышением температуры,
то, начиная с некоторой критической
Ткр, значение Рn
> Рр
В результате превышения тепловыделения
над теплоотдачей диэлектрик лавинообразно
разогревается, что приводит к разрушению.
Напряжение теплового пробоя отличается от напряжения электрического пробоя и зависит от частоты.
где А – постоянная.
С повышением f
Uпр
уменьшается, аналогично и от изменения
температуры, за счет роста
.
По указаннным причинам изменяется механизм пробоя: при низких f или Т, когда Uпр.тепл велико, происходит электрический пробой, а при высоких f или Т, Uпр.тепл. Снижается до значений, меньших значений Uпр.электр, пробой становится тепловым. Отмечается fкр и Ткр происходит этот переход от электрического к тепловому и зависят от диэлектрика, условий теплоотвода, времени приложения U, скважности импульсов.
Электрохимический пробой. Обусловлен химическими процессами, приводящими к изменениям в диэлектрике под действием электрического поля, так как приводит к «старению», и определяется временем жизни изоляции.
Ионизационный пробой. Он обусловлен ионизационными процессами вследствие частичных разрядов в диэлектрике. Особенно это характерно для диэлектриков с воздушными включениями (бумага).
При больших Е и воздушных порах возникает ионизация воздуха, образуется озони, ускоряются ионы, что приводит к выделению тепла, что снижает Епр. При этом возможен и поверхностный пробой. Чтобы его не допустить необходимо: удлинять возможный путь разряда по поверхности. Для этого поверхность изоляторов делают гофрированной, в конденсаторах оставляют неметаллизированные закраины диэлектрика, поверхности покрывают лаками, компаундами, жидкими диэлектриками с высокой Епр.
Пробой неоднородных микроскопических диэлектриков. Большинство диэлектриков состоят из нескольких слоев обладающих разными электрическими свойствами и имеют больше или меньше количество пор. Например: намоточные изделия, керамические диэлектрика (керамика и стекло).
Если приложить к такому диэлектрику U, то напряженность в отдельных слоях будет отличаться от среднего значения Еср = U (h1 + h2). Поэтому, если произойдет пробой одного слоя, то это вызовет пробой всего образца.
Чем меньше размер пор в диэлектрике, тем более высокое U нужно приложить к образцу, чтобы вызвать разряды в порах. Для этого пористые диэлектрики заполняют жидким или твердеющим электроизоляционным материалом. У кабельной бумаги Епр = 3-5 МВ/м, для пропитанной компаундом Епр = 40 – 80 МВ/м.
3.3 Сегнетодиэлектрики
Сегнетодиэлектриком называют диэлектрик, обладающий спонтанной поляризацией, направление которой может быть изменено внешними воздействиями, например, электрическим полем.
Особенности сегнетодиэлектриков:
1 Обладают доменной структурой. Домен – это макроскопическая область, имеющая пространственно – однородное упорядочение дипольных моментов элементарных кристаллических ячеек. В отсутствие внешнего электрического поля дипольные моменты в доменах ориентированы равновероятно по всем направлениям, что вызывает их взаимную компенсацию.
При воздействии электрического поля дипольные моменты доменов ориентируются преимущественно в направлении поля, что вызывает эффект очень сильной поляризации, а следовательно, высокое и сверхвысокое значение диэлектрической проницаемости.
2 Сильная зависимость Е от температуры (с максимумом при Т°, называемой сегнетоэлектрической точкой Кюри) и сверхвысокое значение диэлектрической проницаемости.
3 Поляризация связана с достаточно большими затратами энергии. В переменном поле имеет место гистерезис.
4 Сильная зависимость Е и диэлектрических потерь от частоты, особенно на СВЧ.
Спонтанная (самопроизвольная) поляризация возникает под влиянием внутренних процессов, без внешних воздействий. Зависимость поляризованности от Е нелинейная и при циклическом изменении Е вид кривой является петля гистерезиса. По значению коэрцитивной силы подразделяются на сегнетомягкие и сегнетотвердые.
Важный параметр – сегнетоэлектрическая точка Кюри – температура, при которой возникает (при охлаждении) или возникает (при нагреве) спонтанная поляризация. При достижении точки Кюри происходит фазовый переход из сегнетоэлектрического состояния в параэлектрическое, когда Рs = 0. При этом изменяется симметрия кристалла, параметры элементарной ячейки, а диэлектрические, упругие, пьезоэлектрические, электрооптические характеристики имеют резкие максимумы.
В сегнетодиэлектриках с фазовым переходом первого рода спонтанная поляризация в точке Кюри изменяется скачком, что характеризуется наличием температурного гистерезиса и выделение скрытой теплоты. В сегнетоэлектриках с размытым переходом, в которых нет определенной точки перехода, наблюдается широкая область температур, где Рs постоянно уменьшается. В этой области существуют обе фазы- сегнето- и параэлектрическая.
По виду поляризации подразделяются на ионные и дипольные. Ионные – представляют собой кристаллы со значительной степенью ионной связи. Наблюдается спонтанная поляризация.
Дипольные – в них существуют постоянные электрические диполи или дипольные группы.
Параметры сегнетодиэлектриков меняются в широких пределах от -273°С до +1200°С, а Е изменяется от единиц до десятков тысяч.
Применение:
- Конденсаторная сегнетокерамика – для изготовления конденсаторов (низкочастотных) большой емкости (титанат бария ВаТiО3).
Нелинейная сегнетокерамика – специальный конденсатор – вариконд, емкость которого зависит от напряжения. Используются: в вычислительной технике (запоминающее устройство), бесконтактных переключателях, преобразователях частоты, усилителях, стабилизаторах.
Терморезистивная - (относится к полупроводникам) отличается позисторным эффектом, в резком возрастании проводимости при повышении температуры. Этот эффект наблюдается в определенном интервале температур. Изготовляют терморезисторы позисторы (стабилизаторах тока, термостатах, регулировки температур и измерения и т.д.).