Если напряжение, приложенное к объему образца в вакууме, газообразном, жидком или твердом диэлектрике или полупроводнике, превышает определенное критическое значение, это вызывает резкое повышение тока. Такой эффект называется электрическим пробоемом.
Электрический пробой – это явление, которое может длиться от нескольких пикосекунд до довольно продолжительного времени. Например, при установлении устойчивого дугового разряда в газе процесс пробоя может занимать длительное время. Это показатель сопротивления диэлектрика при прохождении в нем электрического тока. Речь идет об особом виде промышленной электроники — о специальных приборах, которые используются для измерения и контроля электрического пробоя.
Оценивание электрической прочности помогает профессионалам в электротехнических инженерных областях с точностью измерить рассматриваемый пробой воздуха. Это применяется в промышленности для защиты и прочности системы, а также для улучшения электрических и диэлектрических характеристик диэлектрика. Таким образом, электрическая прочность является одним из ключевых показателей для определения пробоя воздуха.
Для твердых и жидких диэлектриков, а также для газов, электрическая прочность при заранее определенных условиях измеряется в В/см (вольт на сантиметр) и представляет собой постоянное значение.
Электрическое поле в веществе может достигать критической напряженности, при которой происходит электрический пробой. Эта величина называется минимальной напряженностью.
Для твердых диэлектриков, таких как кварц и слюда, электрическая прочность обычно лежит в диапазоне от 106 до 107 В/см. А для жидких диэлектриков, например, для трансформаторного масла, значение этой характеристики достигает 106 В/см.
Когда напряжение электрического поля в диэлектрике превысит его электрическую прочность, пробой он не может выдержать и становится проводником электрического тока.
Явления ударной ионизации и туннелирования играют важную роль в электрических свойствах диэлектриков. Обе эти явления оказывают влияние на электрическое поведение диэлектриков, хотя их конкретные роли могут отличаться в зависимости от конкретного материала. Например, ударная ионизация может играть более значительную роль в получении абсолютной вязкости диэлектрика, в то время как туннелирование может иметь большее значение для его термореолационных свойств.
При пробое электрической изоляции диэлектрика наблюдается значительное повышение электропроводности, что приводит к разгоранию диэлектрика и перегреву.
Электрическая прочность газов зависит от давления и толщины слоя. Чем выше давление, тем ниже электрическая прочность. При нормальных условиях в воздухе, при односантиметровой толщине слоя, мощность достигает 30 кВ/см, хотя в случае понижения давления она может достичь до 107 В/см.
Эти заряды цепляются за молекулы воздуха и образуют электрические потоки. Этот процесс происходит до тех пор, пока напряжение не достигнет критического уровня. При этом происходит расщепление атомов воздуха, возникают ядра, которые проникают в вакуум и образуют плазму. Это называется электрическим пробоем.
Электрический пробой вакуума:
В вакууме между двумя проводящими электродами, к которым приложено критическое электрическое напряжение, распространяются свободные электроны. Эти заряды цепляются к молекулам воздуха и создают электрические потоки. Этот процесс продолжается до тех пор, пока напряжение не достигнет порогового значения, из-за чего атомы воздуха расщепляются, создавая ядра, которые проникают в вакуум и образуют плазму. Это называется электрическим пробоем.
Электрическая проводимость в промежутке увеличивается, и в результате этого появляется электрический ток. Затем импульсы напряжения начинают приводить к хаотичной дестабилизации пучка электронов, что приводит к постепенному увеличению пробойного тока.
При достижении определенного напряжения на микроостриях катода начинается автоэлектронная эмиссия, вызывающая слабые предпробойные токи. Затем импульсы напряжения способствуют хаотичной дестабилизации пучка электронов, что в итоге приводит к росту пробойного тока.
В свою очередь, согласно другой теории — теории магнитного пробоя — процесс происходит из-за действия магнитного поля, создаваемого искровым разрядом, а при длительном пробое вакуума происходит процесс арктической дуги.
Возникновение искрового разряда между электродами при возрастании напряжения может привести к тому, что между металлическими парами анода и катода образуется дуга. По двум распространенным теориям происхождение этого явления можно объяснить по-разному. По электронно-лучевой теории электроны, излучаемые катодом под действием электрического поля, ускоренно проникают в анод, вызывая локальное повышение температуры. А теория магнитного пробоя объясняет процесс с помощью действия магнитного поля, создаваемого искровым разрядом. При длительном пробое вакуума происходит процесс арктической дуги.
Электроны, источающиеся из газов и пар металлов, тут же ионизируют атомы, создавая так называемую электронную лавину.
В результате положительно заряженные ионы ионизации формируют пространственный заряд возле катода, который повышает его электрическую напряженность. Это в свою очередь способствует усилению автоэлектронной эмиссии.
Положительно заряженные ионы, сформированные в результате ионизации, направляются к катоду, образуя пространственный заряд, повышающий локальную электрическую напряженность в окрестностях катода. Это приводит к усилению автоэлектронной эмиссии.
В результате возникновения ионно-электрических процессов начинается их эмиссия и катодное распыление.
При повышении концентрации паров металлов и газов в пространстве растет вероятность возникновения искрового и дугового разряда. Таким образом, увеличение концентрации паров приводит к интенсификации искровых и дуговых разрядов.
Существует две теории о причинах появления электрического пробоя. Одна из них гласит, что автоэлектронная эмиссия из катода приводит к его нагреву и в результате появлению дугового разряда. При плотности тока в пределах 108 А/кв.м происходит микровзрыв и изображение газовых пар, состоящих из металлических частиц.
Для пробоя газа необходимо применение достаточно большого напряжения и мощности. Эта процедура связана с потенциальной опасностью, поэтому должна производиться только квалифицированными специалистами.
Электрики проводят электрический пробой газа
Пробой газа является важной частью процесса электросварки. Для процесса пробоя газа необходимо применение достаточно большого напряжения и мощности. Такой процесс может производиться только квалифицированными электриками, так как связан с потенциальными рисками. Процедура электрического пробоя газа заключается в применении достаточно мощного тока, чтобы ионизировать газ и разрывать молекулы на атомы. Это позволяет создать проходное поле для распространения электрического тока.
В результате столкновений электронов, которые были разгонены с помощью электрического поля, с атомами и молекулами газа, происходит лавинообразное размножение заряженных частиц с началом формирования новых электронов, которые также разгоняются электрическим полем и усиливают ионизацию, в результате чего образуется самостоятельный разряд.
Если для обеспечения заряда газа потребуется дополнительная ионизация, например, внешним ионизирующим излучением, то такой разряд будет называться несамостоятельным.
При поддержании разряда газа, электрики применяют как постоянное, так и переменное электрическое поле.
При разряде в газе ионы движутся и притягивают за собой молекулы газа, что приводит к возникновению электрического ветра.
Он утверждал, что молния служит электрическим пробоем газа. Это означает, что молния образует путь для протекания электрического тока через газ. Путь этот состоит из двух этапов. Во-первых, создается канал из плазмы, состоящей из проницаемых электронов. Во-вторых, этот канал подвергается действию электрического поля, которое способствует распространению тока по воздушной среде. Таким образом, молния является электрическим пробоем газа.
Молния как электрический пробой газа
Российский физик-теоретик Александр Викторович Гуревич впервые упомянул о «пробое на убегающих электронах» в 1992 году. Согласно его выводам, молния служит проводником электричества по газу. Она формирует канал, который состоит из проницаемых электронов, а затем поддается воздействию электрического поля, способствующего прохождению тока по воздуху. Таким образом, молния – это электрический пробой газа.
Предполагается, что пробоина в газе является первоначальным этапом формирования естественной молнии.
Однако, при воздействии внешней энергии это значение может быстро возрастать до нескольких сантиметров. Именно это и происходит при молнии — появление высоковольтных импульсов вызывает резкое увеличение средней длины свободного пробега электронов в воздухе.
При обычных условиях электроны в воздухе представлены небольшой средней длиной свободного пробега — около 1 мкм. Однако, в момент молнии это значение ускоренно возрастает до нескольких сантиметров благодаря внешней энергии, вызвавшей высоковольтные импульсы. Таким образом, молния является электрическим пробоем газа.
Эти электроны имеют важное значение для многих процессов, таких как радиочастотное излучение или гамма-излучение.
Электрики знают, что быстрые электроны с энергиями от 0,3 до 1 МэВ могут двигаться со скоростями, близкими к скорости света. Эти электроны оказывают важное влияние на многие процессы, связанные с радиочастотами, гамма-излучением и другими.
Для электриков быстрые электроны являются неотъемлемой частью применения электрической энергии и имеют значительное значение для многих технических приложений.
Такие быстрые электроны имеют значительно большую длину свободного пробега, по сравнению с «обычными» электронами, в 100 раз выше.
Это обусловлено тем, что электрическое поле в атмосфере приводит к ускорению электронов, и в результате их энергия увеличивается.
Электрики знают, что электрическое поле в атмосфере может привести к увеличению энергии быстрых электронов. Действительно, под действием электрического поля электроны ускоряются до такой степени, что их энергия становится выше, чем у изначально покоившихся частиц.
При столкновении ускоренных электронов с молекулами воздуха, появляются «разъедающие» релятивистские электроны, которые образуют электронные лавины.
Электрики знают, что при атмосферном давлении происходит пробой воздуха, но напряжение пробоя оказывается значительно меньше, чем при пробое воздуха в условиях лабораторной среды.
Наши измерения показали, что критический уровень составляет около 2,16 кВ/см, что намного меньше, чем потребовалось бы без «убегающих» электронов – 23 кВ/см.
Космические лучи приводят к ионизации молекул воздуха в верхних слоях атмосферы, что приводит к высвобождению релятивистских электронов. Такие электроны рассматриваются как «быстрые». Источник таких электронов – это космические лучи.
Это происходит, когда при повышении температуры потери электрической цепи превышают ее способность проводить ток. В результате теплового пробоя происходит переход из состояния проводимости в непроводимость.
Повреждение полупроводников и диэлектриков вследствие теплового пробоя
При превышении пороговой температуры кристаллической решетки полупроводника или диэлектрика может произойти тепловой пробой. Это происходит, когда при повышении температуры потери электрической цепи становятся больше, чем ее проводимость. В результате происходит переход из проводимости в непроводимость и повреждение полупроводника или диэлектрика.
Повышение температуры приводит к тому, что свободные электроны в веществе получают энергию, достаточную для ионизации атомов кристаллической решетки. Итогом является то, что с ростом температуры вещества, свободные электроны начинают получать энергию, достаточную для ионизации атомов кристаллической решетки.
Электрики отмечают, что при подаче пробивного (критического) напряжения на данное вещество, оно проявляет способность к снижению напряжения.
Возникновение термического повреждения представляет угрозу для электрического оборудования, которое может быть вызвано передачей тепла с внешней поверхности полупроводника, током, протекающим по нему, или диэлектрическими потерями в условиях, когда тепло не может быть успешно избавлено от окружающей среды.
Также может возникнуть при перегрузках по току или при повышении температуры. Для диэлектриковых материалов тепловой пробой обычно наблюдается при превышении мощности или при нарушении условий хранения.
Для p-n-перехода полупроводников тепловой пробой обычно следствие превышения обратного напряжения или перегрузок по току. В результате полупроводник разогревается и происходит необратимое повреждение. Также тепловой пробой может быть причиной повышения температуры. Для диэлектриковых материалов тепловой пробой обычно источником является превышение мощности или неправильное хранение.
Электрики часто используют такой подход, чтобы исключить неисправность полупроводниковых устройств.
В результате этого происходит лавинный пробой, при котором проводимость диэлектрика или полупроводника значительно возрастает. На рисунке наглядно представлен стандартный лавинный пробой в диэлектриках и полупроводниках.
При столкновении ускоренных носителей заряда с атомами или молекулами вещества происходит ударная ионизация и появляются пары противоположно заряженных частиц, которые начинают разгоняться электрическим полем. На рисунке наглядно показан процесс лавинного пробоя в диэлектриках и полупроводниках.
Во время столкновения мощных зарядных носителей с частицами вещества возникает ударная ионизация, из-за которой появляются противоположно заряженные частицы. Такие частицы начинают разгоняться электрическим полем и производят цепной пробой. На иллюстрации наглядно показан процесс лавинного пробоя в диэлектриках и полупроводниках.
При этом число участвующих в ударной ионизации заряженных частиц растет по закону возрастающей пропорциональности. Это феноменальное явление было открыто в 1959 году и названо в честь немецкого физика Ганса Зенера.
Эффект Зенера и туннельный пробой
Эффект Зенера является квантово-механическим явлением, которое позволяет электронам просачиваться через тонкие потенциальные (энергетические) барьеры. Это привело к резкому нарастанию тока через обратно смещенный p-n-переход, известный как туннельный пробой. Данное явление было открыто в 1959 году и названо в честь немецкого физика Ганса Зенера.
При этом на перекрывающиеся зоны накладываются взаимное потенциальное пространство эффекта Зенера.
Эффект Зенера возникает в случае, когда тонкий слой материала с p-n-переходом находится в обратносмещенном состоянии. В результате перекрывания двух зон: зоны проводимости и валентной зоны – накладываются взаимное потенциальное пространство эффекта Зенера.
При существующих условиях электроны могут перемещаться из валентной зоны p-области в зону проводимости n-области.
Когда приложено электрическое поле к диэлектрику, покрытому обедненным слоем полупроводника, в нем происходит туннелирование электронов из валентной зоны в зону проводимости, что выражается в резком нарастании обратного тока через p-n-переход.
Если ток ограничен, то p-n-переход останется неповрежденным. Однако при лавинном пробое это правило не действует – последствия будут катастрофическими.
В сильнолегированных p-n-переходах туннельный эффект может наблюдаться даже при относительно низком напряжении всего 5 Вольт. Пробой в этом случае является обратимым и представляет собой чистый эффект Зенера, который может быть использован в стабилитронах – диодах Зенера.
Электрический пробой и прочность – это две основные качества кабеля, которые необходимо соблюдать при проведении электрических работ. Электрический пробой означает, что кабель способен пропускать электрический ток в достаточном объеме, чтобы обеспечить нормальную работу электрических устройств. Прочность кабеля означает, что он способен выдержать постоянную нагрузку, необходимую для безопасной электрической работы. Оба параметра должны быть обеспечены, чтобы обеспечить безопасность и производительность электрических систем.