Глава 6. Пробой диэлектриков

диэлектрических потерь, при увеличении толщины диэлектрика. Кроме того, пробивное напряжение зависит от условий охлаждения, влажности, температуры окружающей среды и других факторов.

Таким образом, электрическая прочность при тепловом пробое является характеристикой данного конкретного диэлектрика и изделия из него, в то время как пробивная напряженность при электрическом пробое является физической характеристикой диэлектрика как материала.

В ряде случаев при изменении внешних условий в диэлектрике может происходить и смена механизма пробоя. Например, при длительном приложении напряжения электрический пробой переходит в тепловой. Аналогичная картина наблюдается и при повышении температуры.

6.5.3. Электрохимический пробой твердых диэлектриков

Электрохимический пробой происходит при напряжениях существенно меньших электрической прочности и обусловлен изменением химического состава и структуры диэлектриков при длительном воздействии электрического поля. При повышенной температуре и влажности воздуха в материале развиваются электролитические процессы, обусловливающие необратимое изменение его свойств: увеличивается проводимость, снижается электрическая и механическая прочность, развиваются окислительные процессы и т. п. Такое явление часто на-

зывают электрическим старением диэлектрика, а зависимость элек-

трических свойств от времени – кривой жизни диэлектрика. Электрохимический пробой требует для своего развития дли-

тельного времени (~ 103–108 с), так как он связан с явлением электропроводности, приводящим к медленному выделению в материале малого количества химически активных веществ.

6.6. Пробой неоднородных диэлектриков

Большинство технических диэлектриков, применяемых в электронных устройствах, неоднородны и имеют сложный состав (керамика, композиты, слоистые пластики и др.). Понятно, что в неоднородных материалах электрические характеристики отдельных слоев отличаются друг от друга, а распределение электрического поля по толщине отличается от линейного. Теоретический анализ подобных структур

251

Разд ел 2. Диэлектрически е материалы: основные положения физикидиэлектриков

весьма сложен в силу больш ого числа неконтролируемых переменных параметров. Обычно анал изируются лишь простейшие регулярные структур ы.

Рассмотрим неоднородный диэлектрик, состоящий из двух плоскопараллельных слоев, к которому приложено постоянное напряжение U. П араметры слоев приведены на рис. 6.5.

Будем считать, что ε1, ε2, σ1 и σ2 не зависят от величины и времени пр иложения напряж ения. В установившемся режиме плот-

где Е1 и Е2 – напряженности электрического поля в первом и втором слоях диэлектрика соответственно;

где U – приложенное н апряжен ие.

Рис. 6.5. Конденсатор с двухслойным диэлектриком

252

Глава 6. Пробой диэлектриков

Из анализа выражений (6.17) и (6.18) следует, что при определенном соотношении толщин и проводимостей диэлектрических слоев напряженность поля в одном из них может превысить пробивную напряженность, характерную для данного слоя ( E1 > Eпр1 или E2 > Eпр2 ).

В результате этот слой будет пробит, а эффективная толщина диэлектрика конденсатора станет равной толщине второго слоя, к которому и будет приложено всё напряжение, обычно превышающее пробивное напряжение второго слоя, что и приведет к полному пробою конденсатора.

Максимальное пробивное напряжение двухслойного диэлектрика достигается при условии

При выполнении условия (6.19) слой диэлектрика, имеющий бóльшую напряженность поля пробоя, работает при бóльших напряжениях, чем электрически менее прочный.

Если приложенное электрическое поле переменно в выражениях (6.17) и (6.18), проводимости необходимо заменить соответствующими диэлектрическими проницаемостями.

Контрольные вопросы и задания

1.Какие виды пробоя происходят в диэлектриках?

2.Что такое пробивное напряжение и электрическая прочность?

Вкаких единицах измеряются эти величины?

3.Какие механизмы пробоя вам известны?

4.Что такое ударная ионизация?

5.Что такое стример?

6.Что такое коэффициент импульса?

7.В чем сущность теплового пробоя?

8.Объясните механизм электрического пробоя твердых диэлек-

триков.

9.Объясните роль процесса фотоионизации в развитии пробоя.

10.От каких факторов зависит напряжение теплового пробоя?

11.Изобразите и объясните кривую старения диэлектрика.

253

Раздел 2. Диэлектрические материалы: основные положения физикидиэлектриков

12.Почему пробивная напряженность при тепловом пробое не является истинно физической характеристикой материала?

13.В чем сущность электрохимического пробоя?

14.Дайте характеристику поверхностного пробоя.

15.Чем отличается лавинный пробой от лавинно-стримерного

пробоя?

254