Диэлектрическая прочность - Dielectric strength

В физика, период, термин диэлектрическая прочность имеет следующие значения:

  • для чистого электрически изолирующий материал, максимум электрическое поле что материал может выдерживать идеальные условия, не подвергаясь электрический пробой и становится электропроводным (то есть без нарушения его изоляционных свойств).
  • Для конкретного куска диэлектрического материала и расположения электроды, минимальное приложенное электрическое поле (т. е. приложенное напряжение, разделенное на расстояние между электродами), которое приводит к пробою. Это концепция напряжение пробоя.

Теоретическая диэлектрик Прочность материала является неотъемлемым свойством объемного материала и не зависит от конфигурации материала или электродов, к которым приложено поле. Эта «собственная диэлектрическая прочность» соответствует тому, что можно было бы измерить с использованием чистых материалов в идеальных лабораторных условиях. При пробое электрическое поле освобождает связанные электроны. Если приложенное электрическое поле достаточно велико, свободные электроны от фоновое излучение может быть ускорен до скоростей, которые могут высвободить дополнительные электроны за счет столкновений с нейтральными атомами или молекулами, в процессе, известном как сход лавины. Поломка происходит довольно резко (обычно в наносекунды ), что приводит к образованию токопроводящей дорожки и разрушительный разряд через материал. В твердом материале авария серьезно ухудшает или даже разрушает его изоляционные свойства.

Электрический пробой

Электрический ток это поток электрически заряженные частицы в материале, вызванном электрическое поле. Подвижные заряженные частицы, ответственные за электрический ток, называются носители заряда. В разных веществах носителями заряда служат разные частицы: в металлах и других твердых телах - некоторые внешние частицы. электроны каждого атома (электроны проводимости ) могут перемещаться по материалу; в электролиты и плазма это ионы, электрически заряженный атомы или же молекулы, и электроны. Вещество с высокой концентрацией носителей заряда, доступных для проводимости, будет проводить большой ток с данным электрическим полем, создаваемым данным Напряжение наносится на него, и поэтому имеет низкий удельное электрическое сопротивление; это называется электрический проводник. Материал с небольшим количеством носителей заряда будет проводить очень небольшой ток с данным электрическим полем и имеет высокое удельное сопротивление; это называется электрический изолятор.

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 электрический пробой. Физический механизм, вызывающий разрушение, различается у разных веществ. В твердом теле это обычно происходит, когда электрическое поле становится достаточно сильным, чтобы тянуть наружу. валентные электроны от своих атомов, поэтому они становятся мобильными. Напряженность поля, при которой происходит пробой, является внутренним свойством материала, называемым его диэлектрическая прочность.

В практике электрические цепи электрический пробой часто является нежелательным явлением, отказ изоляционного материала вызывает короткое замыкание, что привело к катастрофическому отказу оборудования. Внезапное падение сопротивления приводит к тому, что через материал протекает сильный ток, и внезапный экстремальный Джоулевое нагревание может привести к взрыву плавления или испарения материала или других частей контура. Однако сама поломка обратима. Если ток, подаваемый внешней цепью, достаточно ограничен, материалу не повреждается, а уменьшение приложенного напряжения вызывает переход обратно в изолирующее состояние материала.

Факторы, влияющие на кажущуюся диэлектрическую прочность

  • Она уменьшается с увеличением толщины образца.[1] (см. «дефекты» ниже)
  • Он уменьшается с увеличением Рабочая Температура.
  • 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 он увеличивается с давлением в соответствии с Закон Пашена
  • Для воздуха диэлектрическая прочность немного увеличивается с увеличением абсолютной влажности, но уменьшается с увеличением относительной влажности.[2]

Напряженность поля пробоя

Напряженность поля, при котором происходит пробой, зависит от соответствующей геометрии диэлектрика (изолятора) и электродов, с которыми электрическое поле применяется, а также скорость увеличения приложенного электрического поля. Поскольку диэлектрические материалы обычно содержат мелкие дефекты, практическая диэлектрическая прочность будет значительно меньше, чем собственная электрическая прочность идеального бездефектного материала. Диэлектрические пленки обычно демонстрируют большую диэлектрическую прочность, чем более толстые образцы из того же материала. Например, диэлектрическая прочность пленок диоксида кремния толщиной около 1 мкм около 0,5 ГВ / м.[3] Однако очень тонкие слои (скажем, ниже 100 нм) становятся частично проводящими из-за электронное туннелирование.[требуется разъяснение ] Многослойные тонкие диэлектрические пленки используются там, где требуется максимальная практическая диэлектрическая прочность, например, при высоком напряжении. конденсаторы и пульс трансформаторы. Поскольку диэлектрическая прочность газов зависит от формы и конфигурации электродов,[4] она обычно измеряется как часть диэлектрической прочности газообразный азот.

Диэлектрическая прочность (в МВ / м или 106⋅вольт / метр) из различных распространенных материалов:

ВеществоДиэлектрическая прочность
(МВ / м)
Гелий (относительно азота)[5]
[требуется разъяснение ]		0.15
Воздуха[6]3
Гексафторид серы[5]8.5–9.8
Глинозем[5]13.4
Окно 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
Неопрен резинка[5] 15.7–26.7
Дистиллированный воды[5] 65–70
Высоко вакуум (200 мкПа )
(ограничено полевой эмиссией)[9]		 20–40
(зависит 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
Алмаз[12]2,000
PZT 10–25[13][14]

Единицы

В SI, единицей диэлектрической прочности является вольт на метр (В / м). Также часто встречаются связанные единицы, такие как вольт на сантиметр (В / см), мегавольт на метр (МВ / м) и т. Д.

В Обычные единицы США, диэлектрическая прочность часто указывается в вольтах на мил (мил равен 1/1000 дюйм ).[15] Преобразование:

Смотрите также

Рекомендации

  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. Дои:10.1007 / BF01657189. S2CID  108697400.
  3. ^ Bartzsch, Hagen; Glöß, Daniel; Фрак, Питер; Гиттнер, Маттиас; Schultheiß, Eberhard; Броде, Вольфганг; Хартунг, Йоханнес (21 января 2009 г.). «Электроизоляционные свойства SiO, нанесенного методом напыления.2, Si3N4 и Al2О3 пленки при комнатной температуре и 400 ° C ». Physica Status Solidi A. 206 (3): 514–519. Bibcode:2009PSSAR.206..514B. Дои:10.1002 / pssa.200880481.
  4. ^ Лион, Дэвид; и другие. (2013). «Зависимость диэлектрической прочности нано-вакуумных зазоров от размера зазора». IEEE. 20 (4): 1467–1471. Дои:10.1109 / TDEI.2013.6571470. S2CID  709782.
  5. ^ а б c d е ж грамм час я j k л м п CRC Справочник по химии и физике
  6. ^ Хонг, Алиса (2000). Элерт, Гленн (ред.). «Диэлектрическая прочность воздуха». Справочник по физике. Получено 2020-06-18.
  7. ^ Фёлль, Х. «3.5.1 Электрический пробой и отказ». Tf.uni-kiel.de. Получено 2020-06-18.
  8. ^ Сюй, Черри (2009). Элерт, Гленн (ред.). «Диэлектрическая прочность полиэтилена». Справочник по физике. Получено 2020-06-18.
  9. ^ Гиэр, Стефан; Куррат, Майкл; Schümann, Ульф. Высоковольтная диэлектрическая прочность экранирующих электродов вакуумных выключателей. (PDF). 20-й Международный симпозиум по разрядам и электрической изоляции в вакууме. Архивировано из оригинал (PDF) на 2012-03-01. Получено 2020-06-18.
  10. ^ Муляхова, Даша (2007). Элерт, Гленн (ред.). «Диэлектрическая прочность вощеной бумаги». Справочник по физике. Получено 2020-06-18.
  11. ^ Гленн Элерт. «Диэлектрики - гипертекст по физике». Physics.info. Получено 2020-06-18.
  12. ^ «Электронные свойства алмаза». el.angstrom.uu.se. Получено 2013-08-10.
  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. Дои: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. ^ Один из многих примеров см. Полиимиды: материалы, обработка и применение, автор: A.J. Кирби, ссылка на книги Google

внешняя ссылка