Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

В физике термин диэлектрическая прочность имеет следующие значения:

  • для чистого электроизоляционного материала - максимальное электрическое поле, которое материал может выдержать в идеальных условиях без электрического пробоя и превращения в электропроводность (то есть без нарушения его изоляционных свойств).
  • Для определенного куска диэлектрического материала и расположения электродов минимальное приложенное электрическое поле (т. Е. Приложенное напряжение, деленное на расстояние между электродами), которое приводит к пробою. Это понятие пробивного напряжения .

Теоретическая диэлектрическая прочность материала является внутренним свойством объемного материала и не зависит от конфигурации материала или электродов, к которым прикладывается поле. Эта «собственная диэлектрическая прочность» соответствует тому, что может быть измерено с использованием чистых материалов в идеальных лабораторных условиях. При пробое электрическое поле освобождает связанные электроны. Если приложенное электрическое поле достаточно велико, свободные электроны от фонового излучения могут быть ускорены до скоростей, которые могут высвободить дополнительные электроны за счет столкновений с нейтральными атомами или молекулами, в процессе, известном как лавинный пробой . Пробой происходит довольно резко (обычно за наносекунды).), что приводит к образованию электропроводящего пути и пробивного разряда через материал. В твердом материале авария серьезно ухудшает или даже разрушает его изоляционные свойства.

Электрический пробой [ править ]

Электрический ток - это поток электрически заряженных частиц в материале, вызванный электрическим полем . Подвижные заряженные частицы, ответственные за электрический ток, называются носителями заряда . В разных веществах носителями заряда служат разные частицы: в металлах и других твердых телах некоторые внешние электроны каждого атома ( электроны проводимости ) способны перемещаться по материалу; в электролитах и плазме это ионы , электрически заряженные атомы или молекулы, и электроны. Вещество, которое имеет высокую концентрацию носителей заряда, доступных для проводимости, будет проводить большой ток с данным электрическим полем, созданным заданным напряжением, приложенным к нему, и, таким образом, имеет низкое электрическое сопротивление ; это называется электрическим проводником . Материал с небольшим количеством носителей заряда будет проводить очень небольшой ток с данным электрическим полем и имеет высокое удельное сопротивление; это называется электрическим изолятором .

Однако, когда к любому изолирующему веществу приложено достаточно большое электрическое поле, при определенной напряженности поля концентрация носителей заряда в материале внезапно увеличивается на много порядков, поэтому его сопротивление падает, и он становится проводником. Это называется электрическим пробоем . Физический механизм, вызывающий разрушение, различается у разных веществ. В твердом теле это обычно происходит, когда электрическое поле становится достаточно сильным, чтобы отталкивать внешние валентные электроны от их атомов, поэтому они становятся мобильными. Напряженность поля, при которой происходит пробой, является внутренним свойством материала, называемым его диэлектрической прочностью .

В практических электрических цепях электрический пробой часто является нежелательным явлением, отказ изоляционного материала вызывает короткое замыкание , приводящее к катастрофическому отказу оборудования. Внезапное падение сопротивления вызывает протекание большого тока через материал, а внезапный экстремальный джоулев нагрев может привести к плавлению или взрывному испарению материала или других частей цепи. Однако сама поломка обратима. Если ток, подаваемый внешней цепью, достаточно ограничен, материал не повреждается, а уменьшение приложенного напряжения вызывает переход материала обратно в изолирующее состояние.

Факторы, влияющие на кажущуюся диэлектрическую прочность [ править ]

  • Она уменьшается с увеличением толщины образца. [1] (см. «Дефекты» ниже)
  • Он уменьшается с повышением рабочей температуры .
  • Он уменьшается с увеличением частоты.
  • Для газов (например, азота, гексафторида серы) он обычно уменьшается с повышением влажности, поскольку ионы в воде могут обеспечивать проводящие каналы.
  • Для газов оно увеличивается с давлением по закону Пашена.
  • Для воздуха диэлектрическая прочность немного увеличивается с увеличением абсолютной влажности, но уменьшается с увеличением относительной влажности [2]

Напряженность поля пробоя [ править ]

Напряженность поля, при которой происходит пробой, зависит от соответствующей геометрии диэлектрика (изолятора) и электродов, к которым прикладывается электрическое поле , а также от скорости увеличения приложенного электрического поля. Поскольку диэлектрические материалы обычно содержат мельчайшие дефекты, практическая диэлектрическая прочность будет значительно меньше, чем собственная электрическая прочность идеального бездефектного материала. Диэлектрические пленки имеют тенденцию демонстрировать большую диэлектрическую прочность, чем более толстые образцы из того же материала. Например, диэлектрическая прочность пленок диоксида кремния толщиной около 1 мкм составляет около 0,5  ГВ / м. [3] Однако очень тонкие слои (скажем, ниже 100 нм) становятся частично проводящими из-за туннелирования электронов . [ требуется пояснение ] Многослойные тонкие диэлектрические пленки используются там, где требуется максимальная практическая диэлектрическая прочность, например, в высоковольтных конденсаторах и импульсных трансформаторах . Поскольку диэлектрическая прочность газов варьируется в зависимости от формы и конфигурации электродов [4], она обычно измеряется как часть диэлектрической прочности газообразного азота .

Электрическая прочность (в МВ / м, или 10 6 вольт / метр) различных распространенных материалов:

ВеществоДиэлектрическая прочность
(МВ / м)
Гелий (относительно азота) [5]
[ требуется пояснение ]		0,15
Воздух [6]3
Гексафторид серы [5]8,5–9,8
Глинозем [5]13,4
Оконное стекло [5] 9,8–13,8
Боросиликатное стекло [5] 20–40
Силиконовое масло , минеральное масло [5] [7] 10–15
Бензол [5]163
Полистирол [5]19,7
Полиэтилен [8] 19–160
Неопреновый каучук [5] 15,7–26,7
Дистиллированная вода [5] 65–70
Высокий вакуум (200 мкПа )
(ограниченная автоэлектронная эмиссия) [9]		20–40
(в зависимости от формы электрода)
Плавленый кремнезем [5] 470–670
Вощеная бумага [10] 40–60
PTFE (тефлон, экструдированный ) [5]19,7
PTFE (тефлон, изолирующая пленка) [5] [11] 60–173
PEEK (полиэфирэфиркетон)23
Слюда [5]118
Бриллиант [12]2 000
PZT10–25 [13] [14]

Единицы [ править ]

В системе СИ единицей измерения электрической прочности является вольт на метр (В / м). Также часто встречаются связанные единицы, такие как вольт на сантиметр (В / см), мегавольты на метр (МВ / м) и т. Д.

В обычных единицах измерения в США диэлектрическая прочность часто указывается в вольтах на мил (мил равен 1/1000 дюйма ). [15] Преобразование:

См. Также [ править ]

  • Напряжение пробоя
  • Относительная диэлектрическая проницаемость
  • Вращательное броуновское движение
  • Закон Пашена - изменение диэлектрической прочности газа в зависимости от давления
  • Электрическое древовидное построение
  • Фигура Лихтенберга

Ссылки [ править ]

  1. ^ DuPont Teijin Films (2003). «Майларовая полиэфирная пленка» (PDF) .
  2. ^ Ритц, Ганс (1932). "Durchschlagfeldstärke des homogenen Feldes in Luft". Archiv für Elektrotechnik . 26 (4): 219–232. DOI : 10.1007 / BF01657189 . S2CID 108697400 . 
  3. ^ Bartzsch, Hagen; Glöß, Даниэль; Фрак, Питер; Гиттнер, Матиас; Шультайс, Эберхард; Броде, Вольфганг; Хартунг, Йоханнес (21 января 2009 г.). «Электроизоляционные свойства пленок SiO 2 , Si 3 N 4 и Al 2 O 3, нанесенных напылением при комнатной температуре и 400 ° C». Physica Status Solidi . 206 (3): 514–519. Bibcode : 2009PSSAR.206..514B . DOI : 10.1002 / pssa.200880481 .
  4. ^ Лион, Дэвид; и другие. (2013). «Зависимость диэлектрической прочности нановакуумных зазоров от размера зазора». IEEE . 20 (4): 1467–1471. DOI : 10,1109 / TDEI.2013.6571470 . S2CID 709782 . 
  5. ^ a b c d e f g h i j k l m n Справочник по химии и физике CRC
  6. ^ Хонг, Алиса (2000). Элерт, Гленн (ред.). «Диэлектрическая прочность воздуха» . Сборник фактов по физике . Проверено 18 июня 2020 .
  7. ^ Föll, H. "3.5.1 Электрический пробой и отказ" . Tf.uni-kiel.de . Проверено 18 июня 2020 .
  8. ^ Сюй, Черри (2009). Элерт, Гленн (ред.). «Диэлектрическая прочность полиэтилена» . Сборник фактов по физике . Проверено 18 июня 2020 .
  9. ^ Giere, Стефан; Куррат, Майкл; Schümann, Ульф. Высоковольтная диэлектрическая прочность защитных электродов вакуумных выключателей (PDF) . 20-й Международный симпозиум по разрядам и электроизоляции в вакууме. Архивировано из оригинального (PDF) 01.03.2012 . Проверено 18 июня 2020 .
  10. ^ Муляхова, Даша (2007). Элерт, Гленн (ред.). «Диэлектрическая прочность вощеной бумаги» . Сборник фактов по физике . Проверено 18 июня 2020 .
  11. ^ Гленн Элерт. «Диэлектрики - гипертекст по физике» . Physics.info . Проверено 18 июня 2020 .
  12. ^ «Электронные свойства алмаза» . el.angstrom.uu.se . Проверено 10 августа 2013 .
  13. ^ Моаззами, Реза; Ченмин Ху; Уильям Х. Шеперд (сентябрь 1992 г.). «Электрические характеристики сегнетоэлектрических тонких пленок PZT для приложений DRAM» (PDF) . Транзакции IEEE на электронных устройствах . 39 (9): 2044. Bibcode : 1992ITED ... 39.2044M . DOI : 10.1109 / 16.155876 .
  14. ^ Б. Андерсен; Э. Ринггаард; Т. Бове; А. Альбареда и Р. Перес (2000). «Характеристики пьезокерамических многослойных компонентов на основе жесткого и мягкого PZT» . Труды Actuator 2000 : 419–422.
  15. ^ Для одного из многих примеров см. Полиимиды: материалы, обработка и приложения , автор AJ Kirby, ссылка на книги Google
  •  Эта статья включает  материалы, являющиеся общественным достоянием, из документа Управления общих служб : «Федеральный стандарт 1037C» .(в поддержку MIL-STD-188 )

Внешние ссылки [ править ]

  • Статья «Максимальная диэлектрическая прочность тонких пленок оксида кремния» из IEEE Transactions on Electron Devices