Раздел 2. Диэлектрические материалы: основные положения физикидиэлектриков
на границах пор, вызванной ионами газа. Такой пробой характерен для диэлектриков с воздушными включениями. При больших приложенных напряжениях происходит ионизация воздуха в газовых включениях, возникают частичные разряды и частичный пробой. За счет ионизационных потерь происходит разогрев диэлектрика и расширение газа в микропорах. В результате возникают механические напряжения, приводящие к его разрушению. Напряженность поля, при котором
происходит ионизация газовых включений, составляет ~ 3 . 106 В · м–1. С уменьшением размеров пор возрастает напряжение пробоя газовых включений.
Поверхностный пробой возникает прежде всего из-за повышенной электрической и химической активности поверхности. Обладая избыточной энергией, поверхность активно адсорбирует примеси, в том числе электрически активные. Как правило, абсорбционный слой имеет меньшую напряженность поля пробоя. Кроме того, появляется поверхностная составляющая тока проводимости, которая может существенно превышать объемную компоненту. На поверхности возникают проводящие каналы, и диэлектрик теряет свои электроизоляционные свойства.
Для предотвращения поверхностного пробоя поверхности защищают лаками, компаундами и другими материалами, характеризующимися высоким значением электрической прочности.
Рассмотрим подробнее пробой в газообразных, жидких и твердых диэлектриках. Начнем с газообразных диэлектриков, поскольку механизм пробоя газов наиболее изучен, а модельные представления о пробое газообразных диэлектриков часто применимы для объяснения пробоя жидких и твердых диэлектрических материалов.
6.3. Пробой газообразных диэлектриков
Выше было отмечено (см. параграф 4.3), что в нормальных условиях и в отсутствие внешнего электрического поля ионизация молекул воздуха природными ионизаторами (космическими и солнечными лучами, радиационным фоном и др.) сопровождается возникновением крайне низкой электропроводности, обусловленной образованием в 1 м3 воздуха около 109 электронов и ионов в секунду. В стандартных условиях (T = 25 ºC, P = 760 мм рт. ст.) электрическая прочность воз-
238
Глава 6. Пробой диэлектриков
духа невелика, по сравнению с прочностью большинства жидких и твердых диэлектриков, и составляет величину Епр = (3–4) · 106 В · м–1. При приложении внешнего электрического поля к такому газообразному диэлектрику свободные носители заряда начинают перемещаться: положительные – по направлению поля, отрицательные – в противоположном направлении. Через диэлектрик начинает протекать электрический ток. Вольт-амперная характеристика подобного газообразного диэлектрика была рассмотрена нами в параграфе 4.3 и изображена на рис. 4.7.
Рассмотрим область сильных электрических полей (рис. 4.7, область III), в которой наблюдается резкое возрастание тока из-за увеличения числа носителей заряда за счет развития ионизационных процессов и эмиссии электронов из катода. Это область ударной ионизации.
Ударная ионизация – физическое явление увеличения числа электронов и ионов в промежутке между электродами за счет столкновения электронов, обладающих повышенной энергией, с нейтральными молекулами. При дальнейшем повышении напряженности поля до величины Е > Епр наступает ионизационный пробой диэлектрика.
Двигаясь в электрическом поле, заряженная частица газа между двумя соударениями приобретает дополнительную энергию Eдоп .
Если поле достаточно однородно, то можно считать, что |
|
Eдоп = qEλ, |
(6.2) |
где q – заряд частицы; E – напряженность внешнего поля; λ – длина свободного пробега частицы.
При неупругих столкновениях движущихся заряженных частиц с нейтральными молекулами последним передается часть добавочной энергии. Если Eдоп достаточно велика, то происходит возбужде-
ние атомов и молекул, связанное с переходом электронов на более высокие энергетические уровни, или даже ионизация молекул, сопровождающаяся образованием свободных электронов и положительных ионов. Очевидно, что это возможно лишь при выполнении условия
Eдоп > Eион , |
(6.3) |
где Eион – энергия ионизации атомов или молекул газов.
239
Раздел 2. Диэлектрические материалы: основные положения физикидиэлектриков
Значения Eион зависят от природы молекул и составляют, напри-
мер, для цезия 3,88 эВ, для азота – 14,5 эВ, для кислорода – 12,5 эВ. Движущиеся в электрическом поле положительные ионы при
соударении с нейтральными частицами газа не вызывают их ионизации. В процессе ионизации принимают участие только электроны. Это объясняется тем, что для электронов длина свободного пробега больше, чем для ионов, поэтому они успевают набрать энергию, отвечающую условию (6.3), а следовательно, произведут большее число ионизаций.
Итак, если кинетическая энергия электрона превышает Eион , то
происходит прямая ионизация, которую можно отобразить квазихимической реакцией
e + A A+ + e + e, |
(6.4) |
где e – электрон; A – нейтральный атом; A+ – положительный ион. Разгоняясь электрическим полем, появившиеся свободные элек-
троны, в свою очередь, также вызывают ионизацию нейтральных молекул (атомов). В результате ударная ионизация приводит к лавинообразному размножению заряженных частиц, число которых возрастает по экспоненциальному закону
n = n0 exp(αионl), |
(6.5) |
где n – концентрация электронов; n0 – начальная концентрация элек-
тронов; αион– коэффициент ударной ионизации; l – длина разрядного
промежутка (длина лавины).
Эти электроны располагаются в межэлектродном пространстве и формируют электронную лавину. Экспоненциальный рост концентрации, описываемый выражением (6.5), имеет место лишь на первом этапе формирования лавины. При большой плотности заряда собственное электрическое поле лавины начинает препятствовать ее развитию. Поэтому появившуюся одиночную лавину нельзя отождествлять с пробоем, поскольку она не приводит к появлению проводящего канала в межэлектродном пространстве. Пробой наступает тогда, когда возникает самостоятельный многолавинный разряд. Условием само-
стоятельности разряда является наличие сопутствующих процессов, обеспечивающих после прохождения лавины появление и накопление в межэлектродном пространстве заряженных частиц с энергией, пре-
240
Глава 6. Пробой диэлектриков
вышающей энергию ионизации. В зависимости от характера этих процессов различают лавинный и лавинно-стримерный пробой.
Лавинный пробой. При лавинном пробое возникающие при ударной ионизации ионы движутся к катоду, бомбардируют его поверхность и выбивают так называемые вторичные электроны. Этот процесс получил название вторичной ионно-электронной эмиссии. Раз-
гоняясь под воздействием поля, вторичные ионы приводят к образованию новых, более интенсивных лавин. В случае сильных полей число вторичных электронов превышает число первичных. Поэтому увеличивается не только интенсивность лавин, но и их количество. В результате в межэлектродном промежутке формируется проводящий канал.
Поскольку подвижность положительных ионов мала, по сравнению с подвижностью электронов, время формирования лавинного пробоя составляет величину порядка 10–4 с.
Лавинный пробой характерен для разреженных газов при малом расстоянии между электродами, когда количество частиц в межэлектродном пространстве относительно невелико. В этом случае величина пробивного напряжения определяется главным образом материалом катода, ибо от его эмиссионной способности зависит количество вторичных электронов и число образующихся лавин.
При нормальном и повышенном давлении, а также при больших межэлектродных расстояниях изменяется механизм пробоя. Это связано с тем, что за счет увеличения размеров электронной лавины и количества носителей заряда, напряженность электрического поля вблизи ее фронта становится столь большой, что разряд может распространяться без участия электродов, т. е. инициируется переход разряда в стримерную форму.
Лавинно-стримерный пробой. Если энергия электронов меньше энергии ионизации, но больше энергии возбуждения E нейтральных атомов ( E < E < Eион ), то ионизация происходит в два этапа:
1-й этап –
e + A → A + e,
2-й этап –
А + е → А+ + е+ е. |
(6.6) |
На первом этапе происходит возбуждение нейтральной молекулы. При столкновении со следующим электроном возбужденная молекула (частица) ионизируется, освобождая электрон.
241
Раздел 2. Диэлектрические материалы: основные положения физикидиэлектриков
Процесс может развиваться и по более сложным схемам, напри-
мер:
1-й этап –
e + A → A ,
2-й этап –
А + А → А+ + А+ + е+ е |
(6.7) |
или
1-й этап –
e + A → A + e,
2-й этап –
А + е → А+ + е+ hv ,
3-й этап –
A + e + hν → A+ + e. |
(6.8) |
Наиболее интересна последняя схема, согласно которой возбужденная на первом этапе молекула отдает на втором этапе избыточную энергию, испуская фотон hν, который, двигаясь в направлении поля, взаимодействует с нейтральной молекулой, отрывая от нее электрон (уравнение (6.8), 3-й этап). Этот процесс, называемый внутренней фотоионизацией, приводит к быстрому развитию электропроводящего канала, называемого «стримером». Стример – узкий светящийся канал, образующийся в газе, находящемся в сильном электрическом поле при давлении близком к атмосферному в стадии, предшествую-
щей электрическому пробою.
Рост стримера происходит быстрее, чем продвижение электронной лавины. Двигаясь со скоростью света, фотоны, возникающие при фотоионизации, обгоняют исходную лавину, ионизируют частицы газа и формируют новую лавину далеко впереди первой. Таким образом фотон создает благоприятные условия для формирования канала повышенной проводимости в газе – стримера. Затем отдельные лавины сливаются, образуя сплошной канал ионизированного газа – газоразрядную плазму. По этому каналу и происходит пробой газового промежутка.
Одновременно с ростом стримера, направленного от катода к аноду, начинается образование встречного лавинного потока положительно заряженных частиц, направленного к катоду.
Положительный стример представляет собой канал газоразрядной плазмы. Электронные лавины оставляют на своем пути большое число возникающих положительных ионов, концентрация которых особенно
242