Кіріспе

Электроникада электрлік бұзылу немесе диэлектрикалық бұзылу – электр оқшаулағыш материал (диэлектрик) жеткілікті жоғары кернеуге ұшырағанда кенеттен тоқ өткізгішке айналып, одан ток өтетін процесс. Барлық оқшаулағыш материалдар қолданылатын кернеуден туындаған электр өрісі, материалдың диэлектрлік беріктігінен асып кеткенде бұзылады. Белгілі бір оқшаулағыш нысанда тоқ өткізгіш болатын кернеу оның бұзылу кернеуі деп аталады және оның диэлектрлік беріктігінен өзге, оның мөлшері мен пішініне, сондай-ақ кернеу қолданылатын нысанның орналасуына байланысты. Жеткілікті кернеу болғанда, электрлік бұзылу қатты денелерде, сұйықтықтарда немесе газдарда (теориялық тұрғыдан тіпті вакуумде) пайда болуы мүмкін. Алайда, әр диэлектрлік орта үшін бұзылу механизмдері әртүрлі болады. Электрлік бұзылу уақытша құбылыс болуы мүмкін (электростатикалық разряд сияқты) немесе қорғау құрылғылары қуат тізбегіндегі токты тоқтатуға қабілетсіз болса, үздіксіз электр доғасына әкелуі мүмкін. Мұндай жағдайда электрлік бұзылу электр жабдықтарының күйреуіне және өрт қатеріне ұшыратуы мүмкін.

Түсіндірме

Электр тогы – материалдағы электр зарядталған бөлшектердің ағыны, ол әдетте материал арқылы өтетін кернеудің әсерінен туындайтын электр өрісінен пайда болады. Электр тогын құрайтын жылжымалы зарядталған бөлшектер заряд тасымалдаушылар деп аталады. Әртүрлі заттарда әртүрлі бөлшектер заряд тасымалдаушы ретінде қызмет етеді: металдар мен кейбір басқа да қатты денелерде әр атомның сыртқы электрондарының бір бөлігі (өткізгіш электрондары) материалда еркін қозғала алады; электролиттер мен плазмада иондар, электр зарядталған атомдар немесе молекулалар және электрондар заряд тасымалдаушы болып табылады. Электр өткізгіштік үшін жеткілікті заряд тасымалдаушылардың жоғары концентрациясына ие материал, мысалы металл, белгілі бір электр өрісінде үлкен ток өткізеді, демек, электр кедергісі төмен болады; мұндай материал электр өткізгіші деп аталады. Шыны немесе керамика сияқты заряд тасымалдаушылары аз материал белгілі бір электр өрісінде өте аз ток өткізеді және жоғары кедергіге ие; мұндай материал электр оқшаулағышы немесе диэлектрик деп аталады. Барлық зат зарядталған бөлшектерден тұрады, бірақ оқшаулағыштардың ерекше қасиеті – теріс зарядтар, яғни орбиталық электрондар, оң зарядтарға, атом ядроларына тығыз байланысқан және оңай босатылып, жылдамдыққа ие бола алмайды. Дегенмен, кез келген оқшаулағыш затқа жеткілікті электр өрісі қолданғанда, белгілі бір өріс күшінде материалдағы заряд тасымалдаушылардың саны күрт өседі, нәтижесінде кедергісі төмендеп, ол өткізгішке айналады.

Механизмдер

Қатты, сұйық және газ күйіндегі материалдардың ыдырау механизмдері әртүрлі болады. Ыдырауға электрод материалы, өткізгіштің өткір қисықтары (одан жергілікті түрде электр өрісі күшейеді), электродтар арасындағы қашықтық және аралықтағы материалдың тығыздығы ықпал етеді.

Қатты заттар

Қатты материалдарда (мысалы, қуат кабельдерінде) материалдағы жарық немесе көпіршік сияқты кемшіліктен туындаған ұзақ мерзімді ішінара разряд, әдетте, тозуға дейін болады. Ішінара разряд – бұл аймақтың жергілікті иондануы және қызуы, нәтижесінде кемшілікке жақын оқшаулағыштар мен металдардың қасиеттері төмендейді. Соңында, ішінара разряд тоқ өткізетін көмірленген материалдан тұратын арна арқылы өтеді.

Сұйықтықтар

Сұйықтықтардың ыдырау механизміне көпіршіктер, ұсақ қоспалар және электрлік қызып кету жатады. Электродтар арасындағы кеңістіктегі сызықты емес электр өрісінің күші қосымша қысым түсіретіндіктен, сұйықтықтардағы ыдырау процесі гидродинамикалық әсерлермен күрделенеді. Суперөткізгіштерді салқындату үшін қолданылатын сұйытылған газдарда, мысалы, 4,2 К гелийде немесе 77 К азотта, көпіршіктер ыдырауға себеп болуы мүмкін. Маймен салқындатылатын және маймен оқшауланған трансформаторларда ыдырауға төзімділік шамамен 20 кВ/мм (құрғақ ауа үшін 3 кВ/мм-ге қарағанда). Тазартылған майлар қолданылса да, ұсақ бөлшекті қоспалар кінәлі деп есептеледі.

Газдар

Газдың диэлектрлік беріктігі асып кеткен кезде газдың ішінде электрлік бұзылу пайда болады. Кернеу градиенті жоғары аймақтар жақын маңдағы газды ішінара иондауға және өткізгіштікке түсіруі мүмкін. Бұл флуоресцентті шамдар сияқты төмен қысымды разрядтарда қасақана жасалады. Газдың электрлік бұзылуына себеп болатын кернеу Пашен заңымен есептеледі. Ауадағы ішінара разряд, дауыл кезінде немесе жоғары кернеулі жабдықтардың маңында озонның "таза ауа" иісін тудырады. Әдетте ауа өте жақсы оқшаулағыш болғанымен, жеткілікті жоғары кернеуге (шамамен 3 x 106 В/м немесе 3 кВ/мм электр өрісіне) ұшырағанда ауа бұзыла бастайды, жартылай өткізгіш бола алады. Шамалы аралықтарда ауадағы бұзылу кернеуі аралықтың ұзындығына және қысымға байланысты. Кернеу жеткілікті деңгейде болса, ауаның толық электрлік бұзылуы электр ұшқынына немесе бүкіл аралықты жабатын электр доғасына әкеледі. Ұшқынның түсі газды ортаны құрайтын газдарға байланысты. Статикалық электрден туындаған ұсақ ұшқындарды естігенің өзі қиын, ал үлкен ұшқындар көбінесе қатты дыбыспен немесе жарылыспен сүйемелденеді. Найзағай – бұл көптеген шақырымға созылатын алып ұшқынның мысалы, ал одан туындаған дауылдың күркірі өте алыстан естіледі.

Тұрақты доғалар

Егер электр желісіндегі ұшқын арқылы өтетін токты сақтандырғыш немесе автоматтік қосқыш тоқтата алмаса, ток өте ыстық (30 000 градус Цельсия) электр доғасын қалыптастыра отырып жалғасуы мүмкін. Доғаның түсі негізінен өткізгіш газдарға байланысты, олардың кейбіреулері буланып, доғадағы ыстық плазмаға араласу алдында қатты күйде болуы мүмкін. Доғаның ішіндегі және айналасындағы бос иондар озон, көміртек монооксиді және азот оксиді сияқты жаңа химиялық қосылыстарды құру үшін бірігіп қайтадан түзіледі. Озонды оның ерекше иісімен анықтауға болады. Ұшқындар мен доғалар көбінесе қажетсіз болғанымен, бензин қозғалтқыштарындағы тұтандыру шамдары, металдарды электрлік дәнекерлеу немесе электр доға пешінде металл балқыту сияқты қолдануларда пайдалы болуы мүмкін. Газ разрядталғанға дейін, газ атомдардың энергия деңгейіне байланысты ерекше түстермен жарқырайды. Барлық механизмдер толыққанды түсіндірілмеген. Вакуумның өзі Швингер лимитінде немесе оған жақын жерде электрлік бұзылуға ұшырауы күтіледі.

Кернеу-ағымдағы қатынас

Газдың ыдырау алдында кернеу мен ток арасында сызықтық емес қатынас бар, бұл суретте көрсетілгендей. 1-аймақта өріс арқылы үдетіліп, ток тудыратын еркін иондар бар. Олар белгілі бір кернеуге жеткеннен кейін қанығып, тұрақты ток береді, 2-аймақ. 3 және 4-аймақтар иондық лавина нәтижесінде пайда болады, бұл Таунсенд ағызу механизмімен түсіндіріледі. Фридрих Пашен ыдырау шарты мен ыдырау кернеуі арасындағы байланысты анықтады. Ол біртекті өрістегі саңылаулар үшін ыдырау кернеуін саңылау ұзындығы және саңылау қысымы функциясы ретінде анықтайтын формула шығарды. Пашен сондай-ақ, ыдыраудың пайда болуы үшін қажетті ең төменгі қысым мен саңылау арасындағы байланысты анықтады. Короналық разрядтар көптеген полимерлердің беттік қасиеттерін өзгерту үшін де қолданылады. Мысалы, пластикалық материалдарды коронамен өңдеу бояудың немесе сыяның жақсы жабысуына мүмкіндік береді.

Тосқауыл жасау құрылғылары

Тосқауыл құрылғысы диэлектрикті оның диэлектрик беріктігінен асырып электрлік кернеуге салу үшін жасалған, осылайша құрылғының қасақана түрде электрлік бұзылуына себеп болады. Бұзылу диэлектриктің бір бөлігінің оқшаулағыш күйден күшті өткізгіш күйге кенеттен өтуіне әкеледі. Бұл өту электр ұшқыны немесе плазма арнасының пайда болуымен сипатталады, содан кейін диэлектрлік материалдың бір бөлігі арқылы электр доғасы түзілуі мүмкін. Егер диэлектрик қатты зат болса, разряд жолындағы тұрақты физикалық және химиялық өзгерістер материалдың диэлектрик беріктігін айтарлықтай төмендетеді, сондықтан құрылғыны бір рет ғана қолдануға болады. Дегенмен, егер диэлектрик сұйық немесе газ болса, плазма арнасы арқылы ток сырттан тоқтатылғаннан кейін диэлектрик толыққандай оқшаулау қасиеттерін қайта қалпына келтіре алады. Коммерциялық ұшқындық разрядтағыштар осы қасиетті импульстік қуат жүйелерінде жоғары кернеуді күрт ауыстыруға, телекоммуникация және электр энергиясы жүйелерін кернеуден қорғауға, сондай-ақ ішкі жану қозғалтқыштарындағы ұшқындық шамдар арқылы отынды тұтандыруға пайдаланады. Ұшқындық таратушылар ерте замандағы радиотелеграф жүйелерінде қолданылған.