Теоретическая часть. Электрической прочностью диэлектрика называют ту напряженность поля, при которой диэлектрик теряет изоляционные свойства

Электрической прочностью диэлектрика называют ту напряженность поля, при которой диэлектрик теряет изоляционные свойства. Поскольку напряженность определяют как градиент потенциала, то электрическую прочность (Епр) можно оценить как отношение напряжения, приводящего к пробою (Uпр), к толщине диэлектрика (d).

Епр=Uпр/d (1)

Boзможно развитие трех механизмов пробоя: электрического, электротеплового и электрохимического. Механизм пробоя зависит от напряженности поля, температуры материала, его толщины, условий охлаждения, воздействия с окружающей среды. В газах обычно развивается электрический пробой.

Рассмотрим пробой воздуха. В воздухе всегда содержится небольшое количество ионов, образующихся за счет действия космических лучей, естественной радиоактивности земли и других факторов. Под воздействием электрического поля ионы ускоряются и на длине свободного пробега набирают кинетическую энергию (Wк):

Wк= qlE (2)

где q - заряд частицы;

l - длина свободного пробега в направлении поля (расстояние между двумя столкновениями с молекулами);

Е - напряженность электрического поля.

Сталкиваясь с молекулой, ион передает ей энергию. Если эта энергия превышает энергию ионизации (Wи), то происходит ударная ионизация с образованием свободного электрона и положительно заряженного иона. Условие возникновения ударной ионизации можно записать в виде: Wк> Wи. Отсюда можно оценить минимальную напряженность поля, при которой начинается ударная ионизация:

Еи= Wи/ql (3)

Помимо ударной ионизации, возможна фотонная ионизация газов при существенно меньших значениях напряженности поля. В этом случае взаимодействие иона с молекулой не приводит к ее ионизации, поскольку кинетическая энергия иона меньше энергии ионизации. Однако, поглотив кинетическую энер­гию иона, молекула переходит в возбужденное состояние. При переходе молекулы в равновесное состояние она испускает квант электромагнитного поля - фотон. В случае, если несколько фотонов одновременно попадет на какую-либо молекулу, суммарная энергия поглощенная молекулой, окажется больше энергии ионизации, что станет причиной образования дополнительной пары ионов. Очевидно, что повышение объема газа приведет к увеличению вероятности попадания нескольких фотонов в одну и ту же молекулу, поскольку возрастает общее количество ионов и, соответственно, увеличивается генерация фотонов.

В газах длина свободного пробега ионов существенно больше длины свободного пробега в твердых телах и жидкостях, поэтому электропрочность газов минимальна. В тех случаях, когда в диэлектрике появляется газовая или паровая фаза, электропрочность жидкого или твердого диэлектрика снижается.

Помимо электрического, возможно развитие электротеплового и электрохимического пробоя. Электротепловой пробой связан с локальным повышением температуры диэлектрика вследствие того, что энергия поля, рассеиваемая в диэлектрике, превышает отводимую тепловую энергию. При увеличении температуры диэлектрика возрастают потери на сквозную электропроводность и поляризацию, и, как следствие, снижается электропрочность диэлектрика. Электрохимический пробой вызван необратимыми изменениями химического состава материала при его нахождении в электрическом поле.