Материалы электронной техники к. т. н. , доц. Марончук И. И.
Тема 3 Диэлектрики Лекция 5 Основные свойства диэлектриков.
Содержание лекции § Диэлектрики § Поляризация диэлектриков § Электропроводность диэлектриков § Потери в диэлектриках § Пробой диэлектриков
Диэлектрики (от греч. dia – через, сквозь и англ. electric – электрический) – вещества, плохо проводящие электрический ток. Термин «диэлектрик» введен Фарадеем для обозначения веществ, в которые проникает электрическое поле. Электропроводность диэлектриков по сравнению с металлами очень мала. Их удельное электрическое сопротивление составляет106– 1015 Ом*м. Между полупроводниками и диэлектриками нет резкой границы. Вещества с шириной запрещенной зоны Еg меньше 3 э. В условно относят к полупроводникам, а с Еg больше 3 э. В – к диэлектрикам.
Поляризация диэлектриков Поляризация - состояние диэлектрика, имеющего электрический момент. Способность к поляризации в электрическом поле характеризуется относительной диэлектрической проницаемостью ε = СД / С 0 (1) где СД - емкость конденсатора с диэлектриком; С 0 - емкость того же конденсатора в вакууме (без диэлектрика). Абсолютная диэлектрическая проницаемость ε α = ε 0 ε , (2) где ε 0 - электрическая постоянная.
Поляризованность Р - отношение электрического момента d p элемента диэлектрика к объему d V: Р=dp/d. V (3) В электрических поляризованность пропорциональна напряженности электрического поля Е: (4) где χ - диэлектрическая восприимчивость материала.
1. Механизмы поляризации 1. 1. Электронная поляризация. 1. 2. Ионная поляризация. 1. 3. Дипольно-релаксационная поляризация. 1. 4. Ионно-релаксационная поляризация. 1. 5. Электронно-релаксационная поляризация. 1. 6. Миграционная поляризация. 1. 7. Резонансная поляризация. 1. 8. Спонтанная поляризация 1. 1. Электронная поляризация – упругое смещение и деформация электронных оболочек атомов и ионов за Т=10 -15 с. Наблюдается у всех диэлектриков и не связана с потерями энергии (рисунок). Рисунок - Схемы моделей атомов водорода в отсутствие внешнего электрического поля (а) и при его воздействии (б)
1. 2. Ионная поляризация у диэлектриков с ионным строением, обусловлена смещением упруго связанных ионов. Ионной поляризации препятствуют упругие силы химической связи. Модель кристаллической решетки каменной соли (рисунок) смещение ионов: - натрия из узлов решетки по направлению электрического поля; - хлора из узлов решетки против направления поля. Рисунок – Схемы расположения ионов каменной соли: а – в узлах кристаллической решетки без электрического поля; б - смещенные из узлов решетки при воздействии поля
Сумма элементарных моментов q E = k у п р ∆x , (6) где k y n p - коэффициент упругой связи; ∆x - смещение ионов. С повышением температуры расстояния между ионами решетки увеличиваются, что сопровождается ослаблением сил упругой связи и усилением поляризованности диэлектрика. Время установления ионной поляризации около 10 -13 с.
1. 3. Дипольно-релаксационная поляризация дипольные молекулы ориентируются под действием поля. Дипольно-релаксационная поляризация возможна, если молекулярные силы не мешают диполям. С увеличением температуры молекулярные силы слабеют, а поляризация усиливается. Поворот диполей требует преодоления сопротивления, потому Дипольно-релаксационная поляризация связана с потерями энергии и нагревом диэлектрика. Расположение дипольных молекул без электрического поля (а) и при его воздействии на диэлектрик (б).
Поляризованность диэлектрика (7) где t - время, прошедшее после снятия поля; τ О - время релаксации. Время τ О сильно зависит от температуры. Дипольно-релаксационная поляризация свойственна полярным жидкостям. Происходит и в твердых полярных органических веществах (поворот радикалов по отношению к молекуле диэлектрика). 4. Ионно-релаксационная поляризация происходит в ионных диэлектриках с неплотной упаковкой ионов неорганических стеклах. Под воздействием электрического поля ионы стекла перебрасываются в направлении поля и смещаются на расстояния, превышающие постоянную кристаллической решетки диэлектрика.
5. Электронно-релаксационная поляризация возникает за счет возбужденных тепловой энергией избыточных электронов (дырок). Особенности. Большая диэлектрическая проницаемость и наличие максимума в её температурной зависимости. 6. Самопроизвольная поляризация бывает у сегнетоэлектриков, обладающих особыми электрическими и магнитными свойствами (сегнетова соль). 7. Миграционная поляризация – бывает в твердых диэлектриках с макроскопическими неоднородностями и примесями. Миграционная поляризация связана с рассеянием электрической энергии в диэлектриках. Причины: наличие проводящих включений и слоев с различной проводимостью.
2. Классификация диэлектриков по поляризации механизмам Диэлектрики делят на: линейные (ЛД), нелинейные (НД). Для ЛД зависимость заряда конденсатора Q от напряжения U показана на рисунке а. Для НД зависимость Q = f (U) принимает форму петли гистерезиса (рисунок б). Емкость конденсатора с ЛД зависит от его геометрических размеров. У НД емкостью можно управлять с помощью электрического поля. Рисунок - Зависимость заряда конденсатора от напряжения для линейных диэлектриков (а) и сегнетоэлектриков (б)
Неполярные диэлектрики обладают электронной поляризацией (водород, бензол, парафин, сера, полиэтилен). Полярные (дипольные) диэлектрики вещества с дипольно -релаксационной и электронной поляризацией (кремнийорганические соединения, нитробензол, капрон, фенолоформальдегидные смолы, хлорированные углеводороды ). В группе ЛД выделим две подгруппы с: 1. Ионной и электронной поляризациями (кристаллические вещества с плотной упаковкой ионов, кварц, слюда). 2. Ионной, электронной и релаксационными поляризациями (неорганические стекла, керамика, кристаллические диэлектрики с неплотной упаковкой частиц в решетке).
3. Влияние агрегатного состояния на диэлектрическую проницаемость А. Проницаемость газов характеризуется малыми плотностями из-за больших расстояний между молекулами (ε = 1, 0). Поляризация газа электронная (дипольная). Диэлектрическая проницаемость газов тем больше, чем больше радиус молекулы газа. У воздуха относительная ε = 1, 0006. Б. Проницаемость жидких диэлектриков (ЖД) ЖД состоят из неполярных или полярных молекул. Значение ε неполярных ЖД не более 2, 5 из-за электронной поляризации. Поляризация ЖД, содержащих дипольные молекулы: электронная и дипольно-релаксационная. Значение относительной ε полярных ЖД более 2, 5. Величина ε уменьшается, когда частота поля f большая и молекулы ЖД не успевают следовать за изменением поля.
Влияние f на характер зависимости ε от Т для полярной ЖД (рисунок). С увеличением f максимум ε смещается в область более высоких Т (максимум ε, когда время релаксации одного порядка с полупериодом действия поля). С ростом f совпадение наступает при более высокой Т. Рисунок Зависимость ε от Т для полярного ЖД (глицерина) при различных частотах f и температурах
В. Проницаемость ε твердых диэлектриков (ТД) зависит от их структурных особенностей. Минимальная ε у ТД из неполярных молекул (электронная поляризация). Остальные ТД обладают дипольно-релаксационной поляризацией, а их проницаемость ε зависит от температуры и частоты приложенного напряжения.
Электропроводимость диэлектриков
Введение Поляризационные процессы смещения зарядов приводят к появлению токов смещения (IСМ) в диэлектриках. Токи IСМ очень кратковременны при электронной и ионной поляризациях. Свободные заряды в диэлектриках приводят к возникновению небольших токов сквозной электропроводности І СК. 1. Токи смещения Токи абсорбции (І а б) - токи смещения (IСМ) при замедленной поляризации. При постоянном U токи І а б протекают по диэлектрику в моменты включения и выключения источника э. д. с. При переменном U токи І а б текут непрерывно пока диэлектрик находится в электрическом поле.
Плотность тока утечки J УТ - сумма плотностей абсорбционного J а б и сквозного JСК токов: J ут = J аб + J ск (1) Плотность J СМ включает мгновенные и замедленные смещения зарядов. На рисунке показаны емкости при замедленных (Σ СР) и мгновенных (СМГН) механизмах поляризации. После завершения процессов поляризации (1 мин) через изолятор проходит только ток І СК Рисунок – Зависимости J и С конденсатора с ТД от времени в постоянном электрическом поле
Проводимость ТД при постоянном U определяется током ІСК , а при переменном U - током ІСК и активными составляющими поляризационных токов. Электропроводность диэлектриков ионная, реже электронная. Сопротивление изоляции при постоянном U: R из = U / ( І ут - І аб ) (2) ТД имеют объемную и поверхностную электропроводности (оценивают удельными объемным ρ и поверхностным ρ S сопротивлениями). Удельное сопротивление ρ (Ом∙м) - сопротивление куба с ребром в 1 м, выделенного из ТД, если электрический ток проходит через две противоположные грани. Для плоского образца ТД: ρ=R(S/h) (3) где R - объемное сопротивление, Ом; S - площадь электрода, м 2; h - толщина образца, м.
По сопротивлению ρ определяют удельную объемную проводимость γ = 1 / ρ , а по сопротивлению ρ S удельную поверхностную проводимость: γS = l / (ρ S ). На рисунке увеличение ІСК (кривая 2) происходит из-за постоянно протекающего в процессе старения, способном привести к пробою. Уменьшение ІСК (кривая 1) из-за того, что электропроводность ТД обусловлена ионами посторонних примесей.
Удельное сопротивление ρS - сопротивление квадрата, выделенного на поверхности ТД (ток течет через две противоположные стороны): ρS=RS(d/l) (4) где R S - поверхностное сопротивление ТД между параллельными электродами шириной d на расстоянии l (рисунок). Рисунок – План размещения электродов (1) на поверхности ТД (2) при измерении удельного поверхностного сопротивления
2. Электропроводность газов и жидких диэлектриков Газы при малой напряженности поля Е обладают малой проводимостью γ. Ток в газах возникает при наличии ионов или свободных электронов. Ионизация молекул газа возникает под действием внешних факторов или соударений ионизированных частиц газа с молекулами газа (ударная ионизация). Внешние факторы проводимости - рентгеновские, ультрафиолетовые и космические лучи, а также сильный нагрев газа. Процесс ионизации газа сопровождается процессом рекомбинации зарядов (препятствует безграничному росту числа ионов). Ионизированный газ находится между двумя электродами, к которым приложено напряжение. Ионы перемещаются и в цепи возникает электрический ток. Часть ионов нейтрализуется на электродах, а часть исчезает за счет рекомбинации зарядов.
На рисунке показана зависимость электрического тока от напряжения для газа На начальном линейном участке (до UН) выполняется закон Ома: J = γ ∙Е. На участке около UН ионы уносятся к электродам конденсатора и разряжаются на них (ток стабилизируется-IСТ). На рабочем участке от UН до UKР течет ток насыщения (стабилизации) газа (IСТ). Воздух (Е = 0, 6 В/м) хороший диэлектрик, пока не создадутся условия для ударной ионизации (начала пробоя) газа. При ударной ионизации (участок за UKР) ток насыщения резко увеличивается и наступает пробой газа между электродами. Рисунок Зависимость тока от напряжения для газа
Электропроводность ЖД связана со строением его молекул. В неполярных ЖД электропроводность определяется наличием диссоциированных примесей, в том числе влаги, а в полярных - от примесей и диссоциированных молекул самой жидкости. Электрический ток в ЖД обусловлен передвижением ионов и перемещением крупных заряженных коллоидных частиц. Удалить примеси сложно, поэтому получить ЖД с малой проводимостью γ трудно. Проводимость γ любого ЖД сильно зависит от температуры Т. С увеличением температуры вязкость ЖД уменьшается, подвижность ионов возрастает и увеличивается их тепловая диссоциация. Эти факторы усиливают рост удельной проводимости: γ = А ехр (- а / Т), (5) где А и а - постоянные, характеризующие материал диэлектрика.
3. Электропроводность твердых диэлектриков Проводимость ТД зависит от передвижения ионов и ионов случайных примесей. Вид электропроводности ТД определяют используя закон Фарадея (ионная проводимость идет с переносом зарядов на электроды). При протекании электрического тока через ТД часть ионов примесей удаляется, выделяясь на электродах, что приводит к уменьшению проводимости и сквозного тока. В ТД ионного строения проводимость обусловлена перемещением ионов (флуктуация теплового движения зарядов). При низких Т 0 С передвигаются слабо закрепленные ионы примесей ТД, а при высоких - ионы кристаллической решетки. В ТД с атомной (молекулярной) решеткой проводимость зависит от наличия примесей. В ТД закон Ома соблюдается при малых напряженностях поля Ε (концентрация NТ и подвижность μ заряда не зависят от Ε)
Удельная проводимость при Т 0 С (См/м): γ = q ‧ NТ ‧ μ Т (6) где q – заряд иона, Кл; NТ - число носителей в единице объема, м -3; μ Т - подвижность носителей заряда, м 2 / (В∙с). Скорость перемещения ионов и электронов: υ = μ ∙ Ε (соблюдается закон Ома). Подвижность электронов μ Э больше, чем подвижность ионов μ Т. В керамике подвижность μ Т = 10 -16 м 2/(В∙с). При ионной электропроводности ТД число диссоциированных ионов: (7) где N - общее число ионов в 1 м 3; ЭД - энергия диссоциации; k T - тепловая энергия. Подвижность иона: (8) где μ mах - предельная подвижность иона; ЭПЕР - энергия перемещения.
Подставляя NТ и μ Т в (6) и объединяя постоянные N, q и μ mах в коэффициент АТ, получаем: γ = А Т ехр (- b / Т), (9) где параметр b = ( ЭД + ЭПЕР ) / k Чем больше энергии диссоциации ЭД и перемещения ЭПЕР ионов, тем значительнее электрическая проводимость ТД. При ЭД >> ЭПЕР температурная зависимость определяется концентрацией ионов ТД. При низких Т 0 С проводимость γ зависит от ионизированных примесей ТД, а при высоких от собственных. Для расчета зависимостей параметров γ и ρ от температуры Т используют формулы: γ = γ 0 ехр [ α Т ( Т – Т 0 ) ], (10) ρ = ρ 0 ехр [ α ρ ( Т – Т 0 ) ] (11) где γ 0 и ρ 0 - соответственно удельные объемные проводимость и сопротивление при Т = То; | α Т | = | α ρ| - соответствующие температурные коэффициенты ТД.
У пористых ТД при наличии влаги значительно увеличивается проводимость γ. Сушка ТД повышает сопротивление ρ, а увлажнение уменьшает. У пористых ТД с растворимыми в воде примесями снижается удельное объемное сопротивление (в объеме образуется электролит с высокой проводимостью γ). ТД для уменьшения влагопоглощения пропитывают стойкими к влаге веществами. Электропроводность γs обусловлена влагой, загрязнениями и дефектами на поверхности ТД. Вода обладает хорошей проводимостью γ. При слое влаги на поверхности появляется проводимость γs (зависит от толщины слоя). Сопротивление пленки влаги связано с природой ТД, поэтому проводимость γs рассматривают как свойство самого изолятора. Впитывание поверхностью ТД воды зависит от влажности окружающей среды. Это решающий фактор, определяющий проводимость γs ТД.
У полярных ТД происходит увеличение проводимости γ s, т. к. на поверхности образуется пленка электролита и липнет проводящая электрический ток грязь. Проводимость γs ТД тем ниже, чем меньше поляризуемость и чище поверхность изолятолра. Загрязнения поверхности ТД слабо влияют на проводимость γs гидрофобных и сильно - гидрофильных диэлектриков. Таким образом: Высокой проводимостью γs обладают и объемнопористые ТД (процесс поглощения влаги в глубь материала стимулирует образование пленки воды на поверхности). Для уменьшения проводимости γs применяют приемы очистки поверхности - промывку специальными жидкостями и водой с последующей просушкой ТД. Эффективными способами очистки поверхности ТД является кипячение в чистой воде и покрытие керамики пленкой кремнийорганических лаков.
Потери в диэлектриках
Введение Потери энергии в твердом диэлектрике (ТД) происходят при любом напряжении из-за сквозного тока утечки IСК , обусловленного электрической проводимостью. При постоянном напряжении сопротивление RИЗ определяют объемное R и поверхностное R S. При переменном напряжения кроме тока IСК протекают токи утечки приводящие к тепловым потерям, которые возрастают при газовых включениях в ТД. При эксплуатации ЭУ кроме сопротивления RИЗ измеряют тангенс угла диэлектрических потерь ТД. Угол диэлектрических потерь δ - угол, дополняющий до 90° угол сдвига фаз φ между током и напряжением в цепи электронных устройств. В идеальном ТД угол φ = 90° (угол δ = 0). Чем больше рассеивается мощность в ТД, тем меньше угол сдвига фаз φ и больше угол потерь δ.
1. Эквивалентные схемы диэлектриков с потерями Рассмотрим схему эквивалентную конденсатору с ТД. Заменим конденсатор с диэлектрическими потерями (ДП) идеальным с сопротивлением R. Эквивалентные последовательная (а) и параллельная (б) схемы и векторные диаграммы токов (напряжений) показаны на рисунке. Рисунок – Эквивалентные параллельная (а) и последовательная (б) схемы диэлектрика и векторные диаграммы к ним
Для параллельной схемы (1) где, Ра – обуславливает потери энергии, ω − круговая частота электрического поля, U − напряжение на обкладках конденсатора, С − ёмкость конденсатора. Для последовательной схемы Приравнивая выражения (1) и (2) найдем: (2) (3) Пренебрегаем tg 2δ и считаем СР=СД = С. Для схем (а) и (б): (4)
Таким образом, при переменном напряжении емкость ТД с большими ДП условная величина и зависит от выбора эквивалентной схемы. Если в конденсаторе схемы ДП обусловлены сопротивлениями соединительных проводов и электродов, то рассеиваемая мощность растет пропорционально квадрату частоты: (5) Таким образом, для уменьшения потерь высокочастотные конденсаторы должны иметь небольшие сопротивления электродов, соединительных проводов и контактов. Механизм ДП в конденсаторе нельзя свести к потерям от сквозной проводимости или к потерям в контактах.
Удельные потери в ТД определяются выражением: (6) где V - объем ТД между электродами, м 3; Е - напряженность электрического поля, В/м. Параметр ε∙tg δ = ε" - коэффициент ДП. Величина ДП пропорциональна квадрату приложенного напряжения и частоте. Большие потери вызывают сильный нагрев ТД и могут привести к тепловому пробою и механическому разрушению.
2. Виды диэлектрических потерь По физической природе и особенностям потери подразделяют на четыре вида: 1. На электропроводность. 2. Релаксационные. 3. Ионизационные. 4. Резонансные.
1. Потери на электропроводность есть в любых ЖД и ТД (объемные и поверхностные). Если другие виды ДП малы, то частотные зависимости параметров Ра и tg δ (рисунок ) получают из параллельной эквивалентной схемы замещения ТД. Параметр tg δ уменьшается с частотой по гиперболическому закону: tg δ = 1, 8 1010 / ( ε f ρ ) (7) С ростом температуры ДП сквозной проводимости (Р а Т) возрастают по экспоненциальному закону: Р а Т = А ехр (- b / Т), (8) где А, b - постоянные материала. Рисунок – Зависимости ДП на проводимость от частоты (а) и температуры (б)
2. Релаксационные потери (РП) обусловлены активными составляющими поляризационных токов и характерны для диэлектриков, обладающих замедленными видами поляризации. РП происходят в области высоких частот (сказывается отставание поляризации от изменения поля). Рассмотрим РП на примере дипольно-релаксационной поляризации полярных ЖД. При воздействии на ЖД напряжения высокой частоты дипольные молекулы не успевают ориентироваться в вязкой среде и следовать за изменением электрического поля. При низкой Т из-за большой вязкости велико время релаксации поляризации (τ о >> 1 / ω), возможности поворота диполей в вязкой среде ограничены и параметр tg δ мал.
С повышением Т 0 С вязкость ЖД уменьшается, а время релаксации приближается к времени периода изменения электрического поля. При более высоких Т 0 С время релаксации намного меньше времени периода изменения напряженности Е, поэтому исчезает запаздывание поляризации относительно поля и уменьшаются потери. На высоких частотах велико число циклов поляризации ЖД и активная мощность остается постоянной. РП происходят у линейных диэлектриков с ионнорелаксационным и электронно-релаксационным механизмами поляризации. Потери из-за миграционной поляризации происходят в диэлектриках со случайными примесями (отдельными компонентами) намеренно введенными в ЖД. Случайными примесями в диэлектрике могут быть полупроводящие вещества, например, восстановленные окислы.
3. Ионизационные потери свойственны диэлектрикам в газообразном состоянии (механизм потерь рассмотрим при изучении потерь в диэлектриках в зависимости от их агрегатного состояния). 4. Резонансные потери происходят в газах и ТД, если совпадают частоты вынужденных и собственных колебаний (характерно наличие максимума в частотной зависимости tg δ).
3. Зависимость диэлектрических потерь от агрегатного состояния вещества А. ДП в газах малы при напряженностях поля, когда нет ударной ионизации. Источник ДП – проводимость (ориентация дипольных молекул идет без потерь). Газы отличаются малой проводимостью и углом ДП, особенно при высоких частотах. Параметры газов: ρ = 1016 Ом∙м; ε ≈ 1, 0; tg δ = 4∙ 10 -8 при ƒ=50 Гц. Потери на ионизацию Р а И = Aƒ f ( U - U И ) (9) где Aƒ – коэффициент пропорциональности; f - частота; U - напряжение на электродах схемы; UИ - напряжение начала ионизации. Формула (9) справедлива при U > UИ (UИ зависит от давления газа, т. к. развитие ударной ионизации молекул связано с длиной свободного пробега электронов).
Ионизационные потери - дополнительные потери для ТД с газовыми включениями. На участке от UИ до U 1 параметр tgδ растет. При U > U 1 газовые включения уже ионизированы и требуется малая энергия на ионизацию и tg δ уменьшается. tgδ = f( U ) - кривая ионизации газа. С ростом частоты потери в газе возрастают и ТД может разрушится. Ионизация газа в порах приводит к трещинам и разрушению ТД. Ионизация воздуха идет с образованием озона и окислов азота, что приводит к разрушению органической изоляции, содержащей газовые включения. Рисунок – Зависимость параметра tg δ от напряжения для твердой изоляции с газовыми включениями
Б. Потери в жидких диэлектриках Неполярные ЖД с дипольными молекулами (без примесей) - потери на электропроводность (γ). Проводимость чистых ЖД мала, поэтому и ДП небольшие (конденсаторное масло). Полярные ЖД имеют ДП связанные с дипольнорелаксационной поляризацией, помимо потерь на электропроводность. При Т = 200 С проводимость γ = 10 -11 См/м. Дипольно-релаксационные потери: 1. В вязких ЖД при переменном U, значительно превосходят потери на электропроводность. 2. При низких f малы и меньше потерь на электропроводность. 3. При высоких f велики и больше потерь на электропроводность (полярные ЖД не применяют в ЭУ высокой частоты).
В. Потери в твердых диэлектриках (ТД) ДП в зависят от структуры ТД (имеют разное строение, все виды потерь). 1. Потери ТД с молекулярной структурой зависят от вида молекул (с неполярными молекулами без примесей, обладают малыми ДП - сера, полиэтилен и полистирол). Большие потери у ТД из полярных молекул (капрон, лавсан, гетинакс). 2. Потери ТД с ионной структурой зависят от особенностей упаковки ионов в решетке. В ТД с кристаллической структурой и плотной упаковкой ионов ДП малы, а в с неплотной упаковкой ионов велики. Потери в ТД с ионной структурой имеют особенности (неорганические стекла). В стеклах за релаксацию ответственны слабосвязанные ионы, совершающие перескоки из одной ячейки в другую.
Релаксационные потери в стеклах определяются набором времен релаксации. Это приводит к сглаживанию максимумов в температурной и частотной зависимостях тангенса угла диэлектрических потерь (рисунок). Рисунок – Зависимость параметра tgδ от частоты (а) и температуры (б) для органического стекла: 1 – потери на электропроводимость; 2 – релаксационные потери; 3 – суммарные потери
Таким образом: Чем больше набор времени релаксации, тем меньше значение релаксационного максимума. Сглаженные максимумы релаксационных потерь могут маскироваться потерями на электропроводность и не проявляться в явном виде. При высоких частотах, приближающихся к частотам собственных колебаний ионов, в стеклах возможны также резонансные потери.
Пробой диэлектриков
В момент пробоя сквозной ток IСК резко увеличивается, напряжение на электродах уменьшается, сопротивление падает и происходит электрический пробой диэлектрика (рисунок). Напряжение UПР зависит от толщины h и конфигурации электродов диэлектрика. Для сравнения свойств изоляторов применяют: ЕПР = UПР / h (1) где ЕПР – в к. В/мм. В газах и ЖД, благодаря подвижности молекул, участок пробоя между электродами восстанавливает свойства (после снятия U). Пробой ТД заканчивается разрушением изоляции ЭУ. Рисунок – Зависимость электрического тока от напряжения приложенного к диэлектрику
1. Электрический пробой газов Величина ЕПР газа (воздуха) в нормальных условиях мала по сравнению с ЖД и ТД. Пробой газа - следствие развития процессов фотоионизации и ударной ионизации. Механизм пробоя газа. В диэлектрике ионы и электроны, находятся в тепловом движении. При воздействии поля заряды получают добавочную скорость и в зависимости от знака перемещаются в направлении поля или против него. При этом заряженная частица приобретает дополнительную энергию Э=q. Ul, (1) где q - заряд; U l - разность потенциалов на длине свободного пробега. Если поле однородно, то можно считать U l = E l ср , (2) где Е - напряженность поля; l - длина свободного пробега.
Отсюда: Э = E q l с р (3) Дополнительная энергия заряженных частиц сообщается молекулам газа, с которыми эти частицы сталкиваются. А. Ионизация молекул газа Если энергия Э велика происходит ионизация молекул (расщепление на электроны и (+) ионы). Условие ионизации молекул: Э ≥ ЭИ (4) где Э включает энергию теплового движения. Из выражений (3) и (4) имеем E q l с р ≥ ЭИ (5) Энергию ЭИ характеризуют ионизационным потенциалом: UИ = ЭИ /q (UИ = 4 - 25 В)
Б. Ударная ионизация молекул газа Электрон приводит молекулу в «возбужденное состояние» и она испускает фотон. Часть фотона имеют энергию, больше энергии ионизации молекулы. При поглощении фотона другой молекулой идет внутренняя фотонная ионизация газа. Процесс приводит к быстрому развитию каналов с повышенной проводимостью газа. На рисунке дана схема, поясняющая, почему рост стримера происходит быстрее, чем продвижение электронной лавины. Рисунок – Схема развития отрицательного стримера от катода (-) к аноду (+)
Лавины показаны в виде заштрихованных конусов, а волнистыми линиями - пути фотона. Внутри конуса газ ионизируется ударами электронов. Число электронов и (+) ионов резко нарастает. Фотоны обгоняют лавину (конец волнистой линии) и ионизируют молекулу. Выбитый электрон, устремляясь к аноду, порождает новую лавину. В результате, лавины в (-) стримере сливаются, образуя канал ионизированного газа. Возникает (+) стример и наступает пробой газового промежутка.
Пробой газа в однородном поле Между электродами возникает искра, которая затем переходит в дугу, если источник напряжения имеет достаточную мощность. При малых расстояниях между электродами прочность газа Е растет (сложность возникновения пробоя). Минимальные напряжения пробоя. Газов: Воздуха: Uп р = 280 В. Uп р = 300 В. При увеличении давления р расстояние между молекулами становится меньше, длина свободного пробега электронов сокращается и электрическая прочность газа Е возрастает. При падении давления р электрическая прочность Е уменьшается, а затем возрастает из-за сокращения числа молекул газа в единице объема.
При небольших частотах f значение U п р совпадает напряжением U п р для постоянного тока, а на высоких напряжение U п р мало и доходит до минимума при f = 5∙ 106 Гц. Затем напряжение U п р вновь возрастает до значений, превосходящих напряжение. U п р при постоянном токе на 1, 5 раза. Уменьшение напряжения U п р с ростом частоты f объясняется искажением электрического поля, из-за образования объемных зарядов и различной подвижности (+) ионов и электронов. Рисунок Зависимость отношения пробивных напряжений воздуха к частоте (а); диаграмма напряжений, ионизации газа в переменном поле (б)
Ионизация газа происходит если мгновенное значение напряжения U превосходит порог ионизации UИ (рисунок б). При напряжении U ниже порогового, ионизации нет, т. к. идет рассасывание объемного заряда, скорость которого зависит от скорости дрейфа ионов к катоду. Повышенное UПР у тяжелых газов: элегаз ( SF 6 ) и фреон (C Cl 2 F 2 ) - напряжение U п р в 2, 5 раза выше, чем у воздуха.
2. Пробой жидких и твердых диэлектриков А. Пробой жидких диэлектриков. Чистые ЖД получить трудно из-за примесей: воды, газа и механических частиц. В чистых ЖД при высокой напряженности Е происходит вырывание электронов из электродов и разрушение молекулы при соударениях с заряженными частицами, как и пробой газа. Повышенная прочность ЖД по сравнению с газами обусловлена меньшей длиной свободного пробега электронов. Пробой ЖД (перегрев и вскипание в местах скопления примесей) приводит к образованию газового мостика между электродами. Пробой ЖД при повышенных частотах обусловлен его разогревом за счет потерь, что приводит к термическому разрушению. Предельно допустимые напряженности поля для ЖД на больших частотах f оказываются ниже, чем на промышленной частоте.
Б. Пробой твердых диэлектриков (ТД). У ТД три основных механизма пробоя: электрический, тепловой и электрохимический. Вид пробоя зависит от характеристик электрического поля, времени воздействия напряжения, наличия в дефектов, размеров материала и условий охлаждения. Б 1. Электрический пробой (ЭП) идет быстро и протекает за время 10 -7 с. Пробой сопровождается разрушением ТД в узком канале. ЭП по природе электронный процесс, когда из начальных электронов в создается электронная лавина. Развитие лавин идет с фотоионизацией (ускоряет образование проводящего канала). Ускоренные полем электроны передают энергию узлам кристаллической решетки и разогревают ТД вплоть до плавления. В разрядном канале возникает высокое давление, появляются трещины и изолятор разрушается.
ЭП возможен когда исключено: • влияние электрической проводимости; • диэлектрических потерь; • ионизация газовых включений. Для чистых ТД пробивные напряженности при ЭП мера их электрической прочности, что характерно для монокристаллов, окислов и органических полимеров. Б 2. Тепловой пробой (ТП) возникает, если количество тепловой энергии, превышает количество энергии, которое может рассеивать диэлектрик. В результате нарушается тепловое равновесие и процесс ТП приобретает лавинообразный характер. Явление ТП сводится к разогреву ТД до температур расплавления и обугливания. Прочность при ТП характеристика не только ТД, но и ЭУ (прочность при ЭП служит характеристикой самого диэлектрика).
Напряжение UПР , обусловленное нагревом ТД, связано с частотой сети, условиями охлаждения, температурой окружающей среды и др. Величина UПР зависит от нагревостойкости ТД. У органических ТД более низкие пробивные напряжения, чем у неорганических (кварц, керамика), при прочих равных условиях. Признак ТП - уменьшение пробивного напряжения по экспоненте с ростом температуры окружающей среды. На практике явление ТП протекает сложно. По объему ТД идет перепад Т 0 С, средний слой его нагревается, сопротивление диэлектрика резко падает. Поле искажается и происходит пробой ТД при более низких напряжениях. Разновидность ТП - ионизационный пробой (ИП). Характерен для пористых ТД (ионизация газа в порах). За счет потерь разогревается поверхность пор, возникают перепады температуры в объеме ТД, механические напряжения и разрушение диэлектрика.
Б 3. Электрохимический и поверхностный пробой материалов Электрохимический пробой (ЭХП) возникает при высоких Т 0 С и влажности воздуха (при малом сопротивлении ТД происходит электрохимическое старение). ЭПХ возможен при высоких частотах, если в порах ТД идет ионизация газа с тепловым эффектом (керамика). Для развития ЭХП надо время (связано с явлением электропроводности). ЭХП возможен у органических ТД (зависит от материала). Поверхностный пробой (ПП) бывает при испытаниях и эксплуатации ТД с высокой электрической прочностью. ПП - пробой газа (жидкости) вблизи поверхности ТД. Прочность не нарушается, но образование проводящего канала на поверхности ограничивает рабочие напряжения диэлектрика. Значение UПР зависит от конфигурации электродов, габаритных размеров и формы.
Если поверхность электронного устройства открытая, то UПР зависит от: давления, Т 0 С, относительной влажности воздуха и частоты сети. Одной из причин снижения UПР является искажение поля, из-за перераспределения зарядов в пленке влаги на поверхности ТД. Смещение ионов по поверхности ТД, увеличивает напряженность поля у электродов диэлектрика. Чем резче выражены гидрофильные свойства ТД, тем ниже UПР Влияние влажности воздуха на UПР невелико при высоких частотах, когда поверхность ТД просыхает. Для предотвращения ПП увеличивают длину пути разрядного тока вдоль поверхности ТД. Этому способствует создание ребристой поверхности ТД, проточка канавок, конструкции с «утопленными» электродами. Повышение рабочих напряжений ТД достигается сглаживанием неоднородностей поля за счет изменения формы электродов. На практике наносят на поверхность изолятора специальные покрытия (диэлектрические пленки).
Контрольные вопросы. 1. Какие механизмы поляризации диэлектриков Вы знаете? 2. Классифицируйте диэлектрики по механизмам поляризации. 3. Как агрегатное состояние веществ влияет на диэлектрическую проницаемость? 4. Токи смещения в диэлектриках. 5. Как агрегатное состояние влияет на электропроводность диэлектриков? 6. Какие эквивалентные схемы диэлектриков с потерями Вы знаете? 7. Какие виды диэлектрических потерь Вы знаете? 8. Как диэлектрические потери зависят от агрегатного состояния веществ? 9. Какие виды пробоя диэлектриков при различном агрегатном состоянии Вы знаете?