Введение
Проведение электричества через изолятор при достаточно высоком напряжении
В электронике электрический пробой или диэлектрический пробой – это процесс, который происходит, когда электрически изолирующий материал (диэлектрик), подвергающийся достаточно высокому напряжению, внезапно становится проводником и через него начинает протекать ток. Все изолирующие материалы подвергаются пробою, когда электрическое поле, создаваемое приложенным напряжением, превышает диэлектрическую прочность материала. Напряжение, при котором данный изолирующий объект становится проводящим, называется напряжением пробоя и, помимо диэлектрической прочности, зависит от его размеров и формы, а также от места приложения напряжения к объекту. При достаточном напряжении электрический пробой может возникать в твердых телах, жидкостях или газах (и теоретически даже в вакууме). Однако конкретные механизмы пробоя различаются для каждого типа диэлектрической среды. Электрический пробой может быть кратковременным явлением (например, при электростатическом разряде) или может привести к возникновению непрерывной электрической дуги, если защитные устройства не прерывают ток в цепи питания. В этом случае электрический пробой может вызвать катастрофический отказ электрического оборудования и пожарную опасность.
Пояснение
Электрический ток — это поток электрически заряженных частиц в материале, вызванный электрическим полем, обычно создаваемым напряжением на материале. Подвижные заряженные частицы, составляющие электрический ток, называются носителями заряда. В различных веществах разные частицы выступают в роли носителей заряда: в металлах и некоторых других твердых телах некоторые внешние электроны каждого атома (проводящие электроны) способны перемещаться в материале; в электролитах и плазме это ионы — электрически заряженные атомы или молекулы — и электроны, являющиеся носителями заряда. Материал с высокой концентрацией носителей заряда, доступных для проводимости, например металл, будет проводить большой ток при заданном электрическом поле и, следовательно, обладает низким электрическим сопротивлением; такой материал называется электрическим проводником. Материал с небольшим количеством носителей заряда, например стекло или керамика, будет проводить очень небольшой ток при заданном электрическом поле и обладает высоким сопротивлением; такой материал называется электрическим изолятором или диэлектриком. Вся материя состоит из заряженных частиц, но общим свойством изоляторов является то, что отрицательные заряды, орбитальные электроны, прочно связаны с положительными зарядами, атомными ядрами, и их трудно освободить для обеспечения подвижности. Однако, при приложении достаточно сильного электрического поля к любому изолирующему веществу, при определенной напряженности поля количество носителей заряда в материале внезапно возрастает на много порядков, в результате чего его сопротивление падает, и он становится проводником.
Механизмы
Механизмы пробоя различаются в твердых телах, жидкостях и газах. Пробой зависит от материала электродов, острой кривизны проводящего материала (приводящей к локальному усилению электрического поля), расстояния между электродами и плотности материала в зазоре.
Твердые вещества
В твердых материалах (например, в силовых кабелях) длительный частичный разряд, вызванный дефектом, таким как трещина или пузырь в материале, как правило, предшествует пробою. Частичный разряд представляет собой локальную ионизацию и нагрев области, приводящие к деградации ближайших к дефекту изоляторов и металлов. В конечном итоге частичный разряд пробивает канал из обугленного материала, проводящего ток через зазор.
Жидкие
Возможные механизмы пробоя в жидкостях включают пузырьки, мелкие примеси и электрический перегрев. Процесс пробоя в жидкостях осложняется гидродинамическими эффектами, поскольку нелинейная напряженность электрического поля в зазоре между электродами оказывает дополнительное давление на жидкость. В сжиженных газах, используемых в качестве хладагентов для сверхпроводников, таких как гелий при 4,2 К или азот при 77 К, пузырьки могут инициировать пробой. В трансформаторах, охлаждаемых и изолированных маслом, напряженность поля для пробоя составляет около 20 кВ/мм (по сравнению с 3 кВ/мм для сухого воздуха). Несмотря на использование очищенных масел, причиной пробоев часто являются мелкие частицы загрязнений.
Газы
Электрический пробой происходит в газе, когда диэлектрическая прочность газа превышена. Области с высокой концентрацией градиента напряжения могут вызвать частичную ионизацию окружающего газа и начало его проводимости. Это намеренно используется в разрядах низкого давления, например, в люминесцентных лампах. Напряжение, приводящее к электрическому пробою газа, аппроксимируется законом Пашена. Частичный пробой в воздухе вызывает запах озона, напоминающий запах "свежего воздуха" во время гроз или вблизи высоковольтного оборудования. Хотя воздух обычно является отличным изолятором, при воздействии достаточно высокого напряжения (электрического поля около 3 x 10⁶ В/м или 3 кВ/мм) воздух может начать пробиваться, становясь частично проводящим. На относительно небольших расстояниях напряжение пробоя в воздухе является функцией произведения длины зазора на давление. Если напряжение достаточно велико, полный электрический пробой воздуха приведет к образованию электрической искры или электрической дуги, перекрывающей весь зазор. Цвет искры зависит от состава газовой среды. Небольшие искры, возникающие при статическом электричестве, могут быть едва слышны, а более крупные искры часто сопровождаются громким щелчком или хлопком. Молния является примером огромной искры, которая может простираться на многие километры, а вызванный ею гром можно услышать на очень большом расстоянии.
Постоянные дуги
Если предохранитель или автоматический выключатель не разрывают цепь при возникновении искры в электрической цепи, ток может продолжать течь, формируя очень горячую электрическую дугу (около 30 000 градусов Цельсия). Цвет дуги зависит главным образом от проводящих газов, некоторые из которых могли быть твердыми веществами до испарения и смешивания с горячей плазмой в дуге. Свободные ионы внутри и вокруг дуги рекомбинируют, образуя новые химические соединения, такие как озон, угарный газ и закись азота. Озон наиболее легко обнаружить по его характерному запаху. Хотя искры и дуги обычно нежелательны, они могут быть полезны в таких областях, как свечи зажигания для бензиновых двигателей, электрическая сварка металлов или плавка металла в электрической дуговой печи. Перед началом газового разряда газ излучает свет различных цветов, зависящих от энергетических уровней атомов. Не все механизмы полностью изучены. Предполагается, что даже вакуум может подвергнуться электрическому пробою на или вблизи предела Швингера.
Соотношение напряжения и тока
Перед пробоем газа существует нелинейная зависимость между напряжением и током, как показано на рисунке. В области 1 присутствуют свободные ионы, которые могут ускоряться электрическим полем и создавать ток. Этот ток насыщается после достижения определенного напряжения, что соответствует области 2, и становится постоянным. Области 3 и 4 обусловлены ионной лавиной, как это объясняется механизмом таунсендовского разряда. Фридрих Пашен установил взаимосвязь между условиями пробоя и напряжением пробоя. Он вывел формулу, определяющую напряжение пробоя для однородных межэлектродных зазоров как функцию длины зазора и давления газа в зазоре.
Пашен также установил зависимость между минимальным значением произведения давления и длины зазора, при котором происходит пробой, и минимальным напряжением пробоя. Коронные разряды также используются для изменения поверхностных свойств многих полимеров. Например, коронная обработка пластиковых материалов улучшает адгезию краски или чернил.
Разрушающие устройства
Разрушающее устройство предназначено для создания электрического напряжения на диэлектрике, превышающего его электрическую прочность, с целью преднамеренного вызывания электрического пробоя устройства. Пробой вызывает резкий переход части диэлектрика из изолирующего состояния в состояние высокой проводимости. Этот переход характеризуется образованием электрической искры или плазменного канала, который может сопровождаться электрической дугой, проходящей через часть диэлектрического материала. Если диэлектрик является твердым телом, необратимые физические и химические изменения вдоль траектории разряда значительно снижают его электрическую прочность, и устройство можно использовать только один раз. Однако, если диэлектрический материал представляет собой жидкость или газ, диэлектрик может полностью восстановить свои изолирующие свойства после внешнего прерывания тока через плазменный канал. Коммерческие искровые промежутки используют это свойство для быстрого переключения высоких напряжений в импульсных системах питания, для защиты телекоммуникационных и электрических систем от импульсных перенапряжений, а также для воспламенения топлива посредством свечей зажигания во двигателях внутреннего сгорания. Искровые передатчики использовались в ранних системах радиосвязи.