Электротехнический интернет-журнал Electrik.info

"Электрик Инфо" - онлайн журнал про электричество. Теория и практика. Обучающие статьи, примеры, технические решения, схемы, обзоры интересных электротехнических новинок. Уроки, книги, видео. Профессиональное обучение и развитие. Сайт для электриков и домашних мастеров, а также для всех, кто интересуется электротехникой, электроникой и автоматикой.
 


Схемы подключения | Принципиальные схемы | Электроснабжение
Розетки и выключатели | Автоматы защиты | Кабель и провод | Монтаж электропроводки Ремонт электротехники | Молодому электрику

Электрик Инфо » Электрическая энергия в быту и на производстве » В помощь начинающим электрикам » Электрический пробой и электрическая прочность: виды и причины явления
Количество просмотров: 16373
Комментарии к статье: 7


Электрический пробой и электрическая прочность: виды и причины явления


Резкое возрастание величины тока в вакууме, а также в газообразном, жидком или твердом диэлектрике, либо в полупроводнике, связанное с приложением к объему образца напряжения, величина которого превышает некое критическое значение, именуют электрическим пробоем. Электрический пробой как явление может длиться от нескольких пикосекунд до довольно продолжительного времени, как например в случае установления устойчивого дугового разряда в газе.

Пробой воздуха

С явлением электрического пробоя тесно связана такая характеристика как электрическая (или диэлектрическая) прочность. Для твердых и жидких диэлектриков, а также для газов, электрическая прочность в заранее определенных условиях является величиной постоянной и выражается в В/см (вольт на сантиметр).

Она обозначает величину минимальной (критической) напряженности электрического поля в веществе, при которой наступает электрический пробой. Для твердых диэлектриков, таких как кварц или слюда, электрическая прочность лежит в диапазоне от 106 до 107 В/см, для жидких диэлектриков (таких как трансформаторное масло) — достигает 106 В/см.

Если напряженность электрического поля в диэлектрике вдруг начинает превышать его электрическую прочность, то после пробоя диэлектрик начинает проводить электрический ток. Это связано с явлениями ударной ионизации и туннелирования, причем роли каждого из этих двух явлений для разных конкретных диэлектриков различны. В условиях пробоя электропроводность диэлектрика возрастает скачком, а сам диэлектрик зачастую испытывает при этом перегрев и разрушается.

У газов электрическая прочность связана с давлением и толщиной слоя, - чем выше давление — тем ниже электрическая прочность: при нормальных условиях в воздухе, при толщине слоя в 1 см, электрическая прочность находится в районе 30 кВ/см, однако с понижением давления она может доходить до 107 В/см.

Электрический пробой и прочность воздуха

Электрический пробой вакуума

В вакууме, в промежутке между двумя проводящими электродами, к которым приложено критическое электрическое напряжение, появляются свободные электроны. Как следствие - проводимость в промежутке увеличивается и возникает электрический ток.

Суть происходящего заключается в том, что при некотором минимальной напряжении, на микроостриях катода (отрицательного электрода) сначала начинается автоэлектронная эмиссия, формирующая слабые предпробойные токи.

Когда же напряжение возрастает, между электродами формируется искровой разряд, который в принципе способен превратиться в дугу в парах металла, из которого изготовлены электроды. Есть две теории, описывающие данный процесс.

Электрический пробой вакуума

Согласно одной — электронно-лучевой теории — электроны, образовавшиеся в результате автоэлектронной эмиссии на катоде, будучи ускорены электрическим полем в промежутке, врезаются в анод, вызывая его локальный разогрев. Выделяются газы и пары металлов, атомы которых тут же ионизируются ускоренными электронами, в результате формируется электронная лавина.

Положительно заряженные ионы, получившиеся в результате такой ионизации, направляются к катоду, формируя возле него пространственный заряд, локально увеличивающий электрическую напряженность возле катода, что способствует усилению автоэлектронной эмиссии.

Вместе с этим начинается ионно-электронная эмиссия и катодное распыление. Концентрация паров металлов и газов в промежутке возрастает, вследствие чего развиваются искровой и дуговой разряды.

Как возникает электрический пробой

Согласно другой теории, ток автоэлектронной эмиссии разогревает катод, и при плотностях тока около 108 А/кв.м, на катоде происходит микровзрыв, приводящий к образованию паров металла, в которых и формируется дуговой разряд.

Электрический пробой газа

Электрический пробой газа

В газах электрический пробой напрямую связан с электрическим током и процессом ионизации. В результате столкновений электронов, ускоренных электрическим полем, с атомами и молекулами газа, начинается лавинообразное размножение заряженных частиц с образованием новых электронов, которые также ускоряются и усиливают ионизацию, формируя самостоятельный разряд.

Если для поддержания разряда в газе требуется дополнительная ионизация, например, внешним ионизирующим излучением, то такой разряд называется несамостоятельным. Обычно для поддержания разряда в газе применяют постоянное или переменное электрическое поле. В процессе разряда в газе, движущиеся ионы увлекают за собой молекулы газа, это называют электрическим ветром.

Молния как электрический пробой газа

Так называемый «пробой на убегающих электронах» впервые в 1992 году рассмотрел российский физик-теоретик Александр Викторович Гуревич. Данный вид пробоя в газе, как полагают, является начальной фазой формирования природной молнии.

Молния как электрический пробой газа

Суть заключается в том, что электроны в воздухе при обычных условиях отличаются небольшой средней длиной свободного пробега — около 1 мкм. Среди электронов в воздухе встречаются быстрые электроны - с энергиями от 0,3 до 1 МэВ, которые движутся со скоростями близкими к скорости света. Такие быстрые электроны отличаются от «обычных» электронов в 100 раз большей средней длиной свободного пробега.

Электрическое поле в атмосфере способно ускорить быстрые электроны до энергий, сильно превышающих энергию обычных, изначально покоившихся электронов. При столкновении ускоренных электронов с молекулами воздуха, высвобождаются «убегающие» релятивистские электроны, формирующие электронные лавины.

Таким образом происходит пробой воздуха при атмосферном давлении, причем напряжение пробоя оказывается сильно меньше, чем при пробое воздуха (тоже при атмосферном давлении) в лабораторных условиях. Здесь критический уровень равен около 2,16 кВ/см, тогда как без «убегающих» электронов потребовалось бы 23 кВ/см.

Источником, отвечающим за образование быстрых электронов в атмосфере, изначально являются космические лучи, ионизирующие молекулы воздуха в верхних слоях атмосферы, высвобождающие таким образом релятивистские электроны, которые и рассматриваются как «быстрые».

Гроза и молния

Тепловой пробой полупроводников и диэлектриков

При чрезмерном разогреве кристаллической решетки полупроводника или диэлектрика может случиться его тепловой пробой. Суть в том, что с ростом температуры вещества, свободные электроны в нем приобретают энергию, близкую к той, которой достаточно для ионизации атомов кристаллической решетки. В связи с этим пробивное (критическое) напряжение данного вещества снижается.

Так, в результате передачи тепла к полупроводнику извне, либо вследствие протекания по нему тока, или из-за протекания переменного тока внутри диэлектрика (тепло диэлектрических потерь), в условиях когда тепло не успевает уходить в окружающую среду, может произойти термическое разрушение образца.

Тепловой пробой полупроводников и диэлектриков

Для полупроводникового p-n-перехода тепловой пробой является необратимым, и, как правило, является следствием превышения обратного напряжения, которое из-за разогрева полупроводника уменьшилось. Именно таким путем часто вызывается выход из строя полупроводниковых приборов.

Лавинный пробой в диэлектриках и полупроводниках

Под действием сравнительно сильного электрического поля внутри диэлектрика или полупроводника, носители заряда в нем способны уже на расстоянии длины свободного пробега разогнаться до такой степени, что приобретают кинетическую энергию достаточную для того чтобы произвести ударную ионизацию атомов или молекул.

Лавинный пробой в диэлектриках и полупроводниках

В итоге, от столкновений с атомами или молекулами таких ускоренных носителей заряда, внутри вещества образуются пары противоположно заряженных частиц, которые также начинают разгонятся электрическим полем и тоже производят ударную ионизацию. При этом число участвующих в ударной ионизации заряженных частиц нарастает лавинообразно.

Туннельный пробой и эффект Зенера

Туннельный эффект, проявляющийся как квантовомеханическое явление просачивания электронов через тонкий потенциальный (энергетический) барьер, способен вызвать явление резкого нарастания тока через обратносмещенный p-n-переход — туннельный пробой.

Туннельный пробой и эффект Зенера

Суть эффекта состоит в том, что когда p-n-переход находится в обратносмещенном состоянии, энергетические зоны — зона проводимости и валентная зона — перекрываются. В данных условиях электроны имеют возможность переходить из валентной зоны p-области — в зону проводимости n-области.

Электрическое поле, приложенное к обедненному слою полупроводника, вызывает в нем туннелирование электронов из валентной зоны — в зону проводимости, что и выражается как резкое нарастание обратного тока через p-n-переход. Если данный ток как-то ограничен, то пробой обратим и p-n-переход не разрушается (а при лавинном пробое — разрушается).

В сильнолегированных p-n-переходах туннельный эффект наблюдается уже при напряжении менее 5 вольт, пробой является обратимым и относится к чистому эффекту Зенера (применяется в стабилитронах — диодах Зенера).

Андрей Повный

Популярные публикации:

Надеюсь, что эта статья была для вас полезной. Смотрите также другие статьи в категории Электрическая энергия в быту и на производстве » В помощь начинающим электрикам

Подписывайтесь на наш канал в Telegram: Домашняя электрика 



Поделитесь этой статьей с друзьями:


Другие статьи с сайта Электрик Инфо:

  • Электронная эмиссия, ионизация воздуха и электрическая искра
  • Виды и свойства электрических разрядов в газах
  • Собственные и примесные полупроводники - ответы на популярные вопросы
  • Самовосстановление и "самозалечивание" в конденсаторах
  • Что такое УЗИС и УЗДП?
  • Коронные разряды или огни святого Эльма
  • Максимальная рассеиваемая мощность и обратное напряжение на диоде
  • Что такое скин-эффект и где он применяется на практике
  • Как вода проводит электричество
  • Напряжение, сопротивление, ток и мощность - основные электрические величины
  • Категория: Электрическая энергия в быту и на производстве » В помощь начинающим электрикам

    Основы электричества, Андрей Повный – все статьи

      Комментарии:

    #1 написал: иван |

    Оба вида пробоев могут разрушать- и лавинный и туннельный без ограничения тока.
    С ограничением оба безопасны и оба исользуются в разных схемах.

      Комментарии:

    #2 написал: Гость |

    Электрический пробой - это явление, при котором электрическая изоляция теряет свои свойства и происходит электрический разряд через изоляцию. Электрическая прочность - это величина, которая показывает, какое напряжение необходимо приложить к единице площади изолятора, чтобы вызвать электрический пробой.

      Комментарии:

    #3 написал: Сергей |

    Познавательная статья. К сожалению, в интернете очень мало таких полезных материалов. В основном все переписывают друг у друга по сто раз оно и тоже. Для электриков, увлекающихся своей профессией, очень мало есть реально полезных материалов с хорошей подачей. У вас очень хороший сайт!

      Комментарии:

    #4 написал: Михаил |

    Эта статья предоставляет хороший обзор основных понятий в области электрического пробоя и электрической прочности, и она может быть полезной для тех, кто интересуется электротехникой и электроникой. 

      Комментарии:

    #5 написал: Гость |

    Электрический пробой может быть нескольких видов: тлеющий разряд, возникающий в условиях низкого давления и вызывающий свечение газа, искровой разряд, характеризующийся высокой температурой, ярким светом и высоким напряжением и дуговой разряд, связанный с возникновением электрической дуги между двумя проводниками. Электрическая прочность также может иметь разные значения в зависимости от условий и типа материала: Для твердых диэлектриков электрическая прочность может варьироваться от 10 кВ/см до 1000 кВ/см. Жидкие диэлектрики имеют электрическую прочность около 1-20 кВ/см, в зависимости от состава и температуры. Газы имеют электрическую прочность от 0,01 кВ/см до нескольких кВ/см в зависимости от давления, температуры и состава газа. Причины электрического пробоя могут быть различными: понижение электрической прочности диэлектрика, вызванное старением или загрязнением, воздействие высоких напряжений, превышающих критическую величину, нагревание диэлектрика, приводящее к снижению его диэлектрической прочности. 

      Комментарии:

    #6 написал: Артем |

    Электрический пробой - это явление, при котором электрическая изоляция ухудшает свои свойства и происходит разряд в машине через изоляцию.

    Пробой может перейти в твёрдом, жидком или газообразном диэлектрике (или полупроводнике) или атмосфере. Существует несколько видов проблем, включая электротепловую пробой, которая возникает, когда предлагается в диэлектрике за счет электропроводности или диэлектрических потерь тепла (тепловыделение). Причинами проблем могут быть:

    • Высокое напряжение. Если напряжение на выходе достигает определенного уровня, происходит пробой.
    • Механическое напряжение. Механическое напряжение может вызвать пробой, если оно установит предел прочности материала.
    • Высокая температура. Высокая температура может вызвать пробку, если она достигнет предела термической стойкости материала.

    Электрическая прочность - это свойство диэлектрика сопротивляться пробою. Она характеризуется максимальным значением напряжения, которое может быть приложено к диэлектрику без пробоя.

      Комментарии:

    #7 написал: Алекс |

    Очень познавательно, всё понравилось.

    Присоединяйтесь к нам в социальных сетях:

    ВКонтакте | Facebook | Одноклассники | Электрик Инфо на Яндекс Дзен

     

    Популярные разделы сайта:

    Электрика дома  Электрообзоры  Энергосбережение
    Секреты электрика Источники света Делимся опытом
    Домашняя автоматика Электрика для начинающих
    Практическая электроника Электротехнические новинки
    Андрей Повный - все статьи автора



    Copyright © 2009-2024 Электрик Инфо - Electrik.info, Андрей Повный
    Вся информация на сайте предоставлена в ознакомительных и познавательных целях.
    За применение этой информации администрация сайта ответственности не несет.
    Перепечатка материалов сайта запрещена.