Теория. 4.6_Пробой_твердых_диэлектриков__газов_и_жидких_диэлектриков. Конспект лекций спбгэту лэти, 2021 г. 6 Пробой твердых диэлектриков, газов и жидких диэлектриков
 Скачать 1.19 Mb.
|
1 2
Материалы электронной техники А. В. Соломонов, В. С. Сорокин, Б. Л. Антипов, Н. П. Лазарева Конспект лекций СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2021 г. 4.6 ПРОБОЙ ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ, ГАЗОВ И ЖИДКИХ ДИЭЛЕКТРИКОВ Основные понятия о пробое Диэлектрик, находясь в электрическом поле, может потерять свойства изоля- ционного материала, если напряженность поля превысит некоторое критическое значение. Явление образования проводящего канала в диэлектрике под действием электрического поля называют пробоем. Минимальное приложенное к диэлектрику напряжение, приводящее к его пробою, называется пробивным напряжением 𝑈 пр Предпробойное состояние диэлектрика характеризуется резким возрастанием тока, отступлением от закона Ома в сторону увеличения проводимости. Формально за пробивное принимают такое напряжение, при котором d𝐼 d𝑈 ⁄ = ∞, т. е. диффе- ренциальная проводимость становится бесконечно большой (рис. 4.50). Рисунок 4.50 – Изменение тока при пробое электрической изоляции Значение пробивного напряжения зависит от толщины диэлектрика ℎ и формы электрического поля, обусловленной конфигурацией электродов и самого диэлектрика. Поэтому оно характеризует не столько свойства материала, сколько способность конкретного образца противостоять сильному электрическому полю. Для сравнения свойств различных материалов более удобной характеристикой яв- ляется электрическая прочность. Электрической прочностью называется мини- мальная напряженность однородного электрического поля, приводящая к пробою диэлектрика: 𝐸 пр = 𝑈 пр ℎ ⁄ . Отсюда следует, что пробивное напряжение возрастает с увеличением тол- щины диэлектрика или расстояния между электродами. Рабочее напряжение, дей- ствующее на диэлектрик в конкретном изделии или устройстве, естественно, должно быть меньше 𝑈 пр . Отношение пробивного напряжения к номинальному рабочему напряжению называют коэффициентом запаса по электрической проч- ности. Пробивное напряжение возрастает также при импульсном воздействии электрического поля. Отношение импульсного пробивного напряжения к его ста- тическому значению называют коэффициентом импульса. Если пробой произошел в газообразном диэлектрике, то благодаря высокой подвижности молекул пробитый участок после снятия напряжения восстанавли- вает свою электрическую прочность. В противоположность этому пробой твер- дых диэлектриков при его полном развитии заканчивается разрушением изоля- ции. Однако разрушение материала можно предупредить, ограничив нарастание тока при пробое допустимым пределом. Жидкие диэлектрики также обладают способностью к восстановлению электрической прочности, однако это восстанов- ление в большинстве случаев оказывается неполным. Пробой диэлектриков может возникать в результате чисто электрических, тепловых, а в некоторых случаях и электрохимических процессов, обусловленных действием электрического поля. Рассмотрим механизмы пробоя диэлектриков в зависимости от их агрегат- ного состояния. Пробой газов Воздух является изоляционной средой для различной электронной аппара- туры. Обычно физические процессы в воздухе протекают при нормальном атмо- сферном давлении. Однако в исследовательской практике, а также при создании целого ряда электронных приборов приходится встречаться со свойствами воз- духа и других газов в разреженном состоянии или при сильно повышенных дав- лениях. Пробивная напряженность воздуха в нормальных условиях невелика по срав- нению с 𝐸 пр большинства жидких и твердых диэлектриков. Пробой воздуха и дру- гих газов следует рассматривать как следствие развития процессов ударной иони- зации и внутренней фотоионизации. Механизмы пробоя газов Вследствие воздействия внешних ионизаторов в газе всегда находится неко- торое число ионов и электронов, совершающих беспорядочное тепловое движе- ние. При наложении внешнего поля заряженные частицы получают добавочную скорость упорядоченного перемещения. В процессе своего направленного движе- ния к электродам ускоренные электроны и ионы сталкиваются с атомами или мо- лекулами газа и передают им накопленную кинетическую энергию. Добавочная кинетическая энергия, которую получают заряды под действием поля напряжен- ностью 𝐸, может быть выражена произведением Э = 𝑞𝐸𝑙̅, (4.75) где 𝑙̅ – средняя длина свободного пробега частиц. Если напряженность поля достаточно велика, то начинается ударная иониза- ция, т. е. в результате столкновений частиц происходит расщепление молекул на электроны и положительно заряженные ионы. Необходимым условием для разви- тия ударной ионизации является выполнение неравенства 𝑞𝐸𝑙̅ ≥ Э и , (4.76) где Э и – энергия ионизации атомов или молекул газа, которая в зависимости от природы последнего может принимать значения от 4 до 25 эВ. Необходимо отметить, что ударная ионизация производится главным обра- зом электронами, хотя ионы имеют намного большую массу. Это объясняется тем, что электроны благодаря меньшей массе обладают в 100-1 000 раз большей подвижностью. Поэтому за одинаковый промежуток времени они пройдут в 100-1 000 раз большее расстояние и, соответственно, произведут большее число ионизаций. Ударная ионизация вызывает лавинообразное размножение заряжен- ных частиц, которое можно охарактеризовать экспоненциальной зависимостью вида 𝑛 = 𝑛 0 exp(α и ℎ), (4.77) где 𝑛 0 – начальная концентрация электронов; α и – коэффициент ударной иониза- ции; ℎ – длина прорастающей лавины. Лавина распространяется к аноду со скоростью около 10 5 м/с и вблизи анода достигает своего наибольшего развития. Однако прорастание одной электронной лавины еще не приводит к формированию проводящего канала, поскольку обра- зовавшиеся электроны быстро уходят из разрядного промежутка на анод. Для полного развития пробоя ударной ионизации должны сопутствовать другие про- цессы, обеспечивающие восполнение и накопление числа заряженных частиц между электродами. В зависимости от характера этих сопутствующих процессов в газах различают лавинный и лавинно-стримерный пробой. При лавинном пробое большую роль играют вторичные процессы на катоде. Среди них следует выделить ионную бомбардировку поверхности катода, приво- дящую к выбиванию вторичных электронов (ионная ударная ионизация). Вновь рождаемые электроны, ускоряясь полем, образуют новые, более интенсивные ла- вины. Последовательное наложение нескольких электронных и ионных лавин со- провождается прогрессирующим нарастанием тока и в конечном итоге приводит к насыщению зарядами межэлектродного пространства, газ переходит в проводя- щее состояние. Однако для полного развития такого многолавинного процесса требуется сравнительно большой промежуток времени, определяемый прежде всего скоростью пересечения межэлектродного расстояния положительными ионами, обладающими низкой подвижностью. Как правило, время формирования лавинного пробоя составляет 10 –5 …10 –4 с. Лавинный пробой возникает при малом расстоянии между электродами ℎ или при пониженном давлении газа 𝑝, т. е. в условиях низкого значения произве- дения 𝑝ℎ, когда мало общее число молекул в разрядном промежутке. Величина пробивного напряжения в этом случае зависит от материала катода, что подтвер- ждает важную роль вторичных процессов на катоде в формировании проводящего канала. При больших значениях 𝑝ℎ пробой в газах носит лавинно-стримерный харак- тер. Под стримером понимают область скопления заряженных частиц, которая по степени ионизации существенно превосходит прилегающие области межэлек- тродного пространства. Лавинно-стримерный пробой развивается за время 10 –7 …10 –6 с, т. е. гораздо быстрее лавинного механизма. Ускорению формирова- ния разряда в значительной мере способствует внутренняя фотоионизация газа. Суть ее заключается в следующем. Часть электронов, ускоренных полем, при столкновениях с молекулами газа может не ионизировать их, а переводить в воз- бужденное состояние. При возбуждении атома или молекулы связанные с ними электроны переходят на более высокие энергетические уровни. Время жизни атома или молекулы в возбужденном состоянии очень мало (10 –8 с), и в следую- щий момент времени такая возбужденная частица, возвращаясь в основное состо- яние, испускает фотон. Фотоны распространяются во все стороны, в том числе по пути следования основной электронной лавины. Некоторые из фотонов имеют энергию, превышающую энергию ионизации молекул Э и . Такие фотоны рожда- ются при ударном возбуждении электронов, находящихся на внутренних оболоч- ках атомов. Аналогичный результат может быть получен при возбуждении уже образовавшегося иона. Фотоны высокой энергии легко поглощаются другими атомами или молеку- лами. Фотопоглощение, как правило, сопровождается ионизацией частиц. В ре- зультате возникают новые электроны и обусловленные ими новые очаги иониза- ции. На рис. 4.51 показана схема формирования отрицательного стримера, т. е. потока электронов, направленного к аноду. Рисунок 4.51 – Схема развития отрицательного стримера при пробое газа Электронные лавины, образующиеся вследствие ударной ионизации, пока- заны в виде заштрихованных конусов, а волнистыми линиями изображены направления распространения фотонов. Отдельные лавины нагоняют друг друга и сливаются в сплошной канал иони- зированного газа. Благодаря внутренней фотоионизации газа образование первич- ной лавины электронов происходит за очень короткое время. Однако роль про- цесса фотоионизации еще более важна при формировании положительного стри- мера, т. е. встречного потока заряженных частиц, направленного от анода к ка- тоду. Механизм образования положительного стримера поясняет рис. 4.52. Рисунок 4.52 – Схема развития лавинно-стримерного пробоя газа По мере продвижения электронной лавины от катода позади нее остается объемный положительный заряд, так как за короткое время развития пробоя ма- лоподвижные ионы не успевают уйти из разрядного промежутка, а быстрые элек- троны устремляются к аноду. Именно здесь лавины получают наибольшее разви- тие, именно здесь наиболее интенсивны столкновения частиц и связанные с ними процессы фотоионизации. Вновь рождаемые электроны втягиваются в область максимальной напряженности поля, т. е. в область максимальной плотности объ- емного заряда. Начинается формирование плазменного канала в направлении от анода к катоду. По мере насыщения прианодной области положительными и отрицатель- ными зарядами происходит перераспределение напряженности электрического поля. Максимальная напряженность 𝐸 перемещается в головку стримера, т. е. на границу с областью не полностью ионизированного газа. Благодаря этому обес- печивается дальнейшее прорастание плазменного канала путем всасывания фото- электронов вплоть до полного перекрытия разрядного промежутка. После завершения формирования газоразрядной плазмы от катода распро- страняется мощная электронная волна, которая проявляется в виде искры. Обра- зовавшаяся искра может перерасти в электрическую дугу, если мощность источ- ника питания достаточна, чтобы поддержать испарения катода. Чем больше напряжение, приложенное к электродам, тем быстрее развивается пробой. Про- бивное напряжение зависит от формы электродов и расстояния между ними, ча- стоты электрического поля, температуры и давления газа, а также от его химиче- ского состава. Пробой газа в однородном поле протекает иначе, чем в неоднородном. Однородное электрическое поле в разрядном промежутке можно получить между плоскими электродами с закругленными краями, а также между двумя сферами, если расстояние между ними не превышает их диаметра. В однородном поле про- бой происходит внезапно без каких-либо предварительных стадий. Даже в этом случае электрическая прочность газа не является величиной постоянной. Она за- висит не только от параметров состояния газа, но и от расстояния между электро- дами, достигая высоких значений в малых зазорах. На рис. 4.53 показана подобная зависимость для воздуха в нормальных усло- виях, т. е. при температуре 20 ℃ и давлении 0,1 МПа (760 мм рт. ст.). Рисунок 4.53 – Зависимость электрической прочности воздуха от расстояния между электродами в случае однородного поля При стандартном расстоянии между электродами в 1 см пробивная напря- женность воздуха составляет около 3,2 МВ/м, а для межэлектродного промежутка в 0,1 мм она возрастает в три раза. При достаточно больших расстояниях между электродами электрическая прочность изменяется очень незначительно. Соответ- ственно в этих условиях пробивное напряжение практически линейно возрастает с увеличением ℎ. Возрастание 𝐸 пр в малых зазорах объясняется трудностью фор- мирования электронных лавин из-за малого числа частиц между электродами. Экспериментально установлено, что пробивное напряжение 𝑈 пр в однород- ном электрическом поле закономерно изменяется в зависимости от произведения давления газа 𝑝 на расстояние между электродами ℎ. Эта зависимость, известная как закон Пашена, представлена на рис. 4.54 для воздуха и водорода. Если длина разрядного промежутка и давление газа изменяются так, что их произведение остается постоянным, то и пробивное напряжение не изменяется. Рисунок 4.54 – Зависимость пробивного напряжения в однородном поле от произведения давления газа 𝑝 на межэлектродное расстояние ℎ для воздуха и водорода Как видно из рис. 4.54, для каждого газа существует минимальная величина пробивного напряжения 𝑈 пр min , отвечающая определенному для данного газа значению произведения 𝑝ℎ. Для разных газов 𝑈 пр min = 280…420 В, в частности у воздуха – 330 В. Этому значению соответствует 𝑝ℎ = 0,006 мм рт. ст.·м (0,75 Па·м). В области малых значений 𝑝ℎ реализуется лавинный пробой с достаточно боль- шим временем формирования разряда, которое к тому же возрастает при умень- шении ℎ. Наоборот, области больших значений 𝑝ℎ соответствует лавинно-стри- мерный пробой, длительность развития которого на два порядка меньше и опре- деляется процессами фотоионизации. В воздухе при атмосферном давлении в слу- чае однородного электрического поля изменение характера пробоя (от лавинного к лавинно-стримерному) происходит при длине разрядного промежутка ℎ = 1 мм. При неизменном расстоянии между электродами кривые, представленные на рис. 4.54, характеризуют зависимость электрической прочности газов от давле- ния, т. е. от плотности среды, если температура постоянна. Необходимо отметить, что точка, соответствующая нормальным условиям, лежит на восходящей части кривой, т. е. справа от минимума. При расстоянии между электродами в 1 см ми- нимальная электрическая прочность воздуха наблюдается при давлении 0,567 мм рт. ст. (75 Па), т. е. в слаборазреженной среде. Возрастание электриче- ской прочности при увеличении давления относительно указанного значения объ- ясняют сокращением длины свободного пробега электронов вследствие повыше- ния плотности газа. Как следует из формулы (4.76), при уменьшении 𝑙̅ для разви- тия ударной ионизации требуется более высокая напряженность поля. Возрастание пробивной напряженности в области низких давлений обуслов- лено уменьшением вероятности столкновений электронов с молекулами газа вследствие разреженности среды. Малое число столкновений препятствует лави- нообразному размножению заряженных частиц. В случае очень высокого вакуума средняя длина свободного пробега становится больше расстояния между электро- дами. Поэтому ударная ионизация становится невозможной. В таких условиях пробой можно объяснить холодной эмиссией электронов с катода – вырыванием электронов с поверхности катода силами электрического поля. Электрическая прочность в этом случае достигает очень больших значений (10 2 МВ/м), прибли- жаясь к электрической прочности твердых диэлектриков, и зависит от материала электродов, степени их чистоты. Повышенную электрическую прочность вакуума используют в технике при создании высокочастотных вакуумных конденсаторов, рассчитанных на повышенные напряжения. В противоположность этому зажига- ние разряда в газе с небольшой степенью разреженности широко используется в различных газоразрядных приборах: газотронах, тиратронах, стабилитронах, иг- нитронах, газоразрядных лазерах, индикаторных устройствах и т. п. Пробивное напряжение газа существенно зависит от частоты приложенного поля. Дисперсия электрической прочности особенно заметна в диапазоне радио- частот. На рис. 4.55 показано частотное изменение пробивного напряжения для воздуха в нормальных условиях. Рисунок 4.55 – Зависимость пробивного напряжения воздуха от частоты однородного электрического поля (пробивное напряжение на каждой частоте 𝑈 пр 𝑓 нормировано к пробивному напряжению на постоянном токе 𝑈 пр 0 ) Следует отметить, что ввиду кратковременности электронного разряда про- бивное напряжение при воздействии переменного поля определяется амплитуд- ным, а не действующим значением. При небольших частотах (до 10 кГц) амплитудное значение пробивного напряжения совпадает со значением пробивного напряжения в постоянном поле. На более высоких частотах 𝑈 пр уменьшается и приходит в минимум на частоте около 5 МГц, после чего вновь начинает возрастать. Уменьшение пробивного напряжения с ростом частоты объясняется искажениями поля, обусловленными образованием объемного заряда в газе вследствие различной подвижности элек- тронов и ионов. Протекающие при этом процессы отражает диаграмма на рис. 4.56. Рисунок 4.56 – Диаграмма, поясняющая особенности ионизации газа в переменном электрическом поле Ионизация газа и прорастание электронных лавин происходит лишь в те про- межутки времени, когда мгновенное значение напряжения превосходит порог ионизации 𝑈 и (интервалы 𝑡 1 − 𝑡 2 , 𝑡 3 − 𝑡 4 ). При снижении напряжения до уровня, ниже порогового, ионизация прекращается и начинается рассасывание образовав- шегося объемного заряда в межэлектродном пространстве. Скорость рассасыва- ния определяется скоростью дрейфа ионов в направлении к катоду. На высоких частотах время полупериода настолько мало, что ионы не успевают нейтрализо- ваться на катоде. Накопление объемного положительного заряда усиливает гра- диенты потенциала, что облегчает дальнейшую ионизацию и снижает напряжения пробоя. В области еще более высоких частот продолжительность полупериода изме- нения поля становится соизмеримой со временем формирования электронных ла- вин. Поэтому для полного развития и завершения процесса ударной ионизации необходимо повысить напряжение на электродах, так как с увеличением напря- жения сокращается время формирования стримера. Глубина минимума на частот- ной зависимости тем больше, чем больше расстояние между электродами. Пробой газа в неоднородном поле характеризуется меньшими значени- ями пробивного напряжения, чем в однородном поле при одинаковых межэлек- тродных зазорах. Сильно неоднородное поле возникает между двумя остриями, острием и плоскостью, между двумя проводами и т. п. Главной особенностью пробоя газа в неоднородном поле является возникновение частичного разряда, называемого короной. Корона предшествует полному разряду между электродами и возникает в местах максимальной неоднородности поля, где его напряженность в первую очередь достигает критических значений (например, вблизи острия или острой кромки электрода). При дальнейшем возрастании напряжения корона пре- вращается в искровой разряд или в электрическую дугу. Для неоднородного поля различают начальное напряжение ионизации 𝑈 нач (иначе называемое напряжением короны) и пробивное напряжение 𝑈 пр . В случае однородного поля эти напряжения равны. Чем сильнее выражена электрическая неоднородность, тем больше отношение 𝑈 пр 𝑈 нач ⁄ . При появлении короны возрас- тает ток утечки, резко увеличиваются диэлектрические потери. Корона характе- ризуется свечением, которое обусловлено испусканием фотонов возбужденными атомами или молекулами. Лазерный (оптический) пробой газа происходит под действием мощного лазерного излучения плотностью порядка 10 15 Вт/м 2 , получаемого от импульс- ного лазера. При мощном лазерном излучении становятся возможными процессы многофотонного поглощения, когда происходит сложение энергий фотонов. В ре- зультате многофотонного поглощения некоторые из молекул газа ионизируются и возникают первичные электроны. Под действием сильного электрического поля световой волны электроны увеличивают свою кинетическую энергию и при упру- гих столкновениях с молекулами газа производят их ударную ионизацию. Для развития процесса плотность светового потока должна превосходить некоторое пороговое значение. В результате ударной ионизации и фотоионизации в фокусе лазерного излучения образуется сгусток газоразрядной плазмы – искра. Механизм образования искры аналогичен лавинно-стримерному пробою газов на высоких частотах. Явление лазерного пробоя носит взрывной характер и сопровождается яркой вспышкой света в видимой и ультрафиолетовой областях спектра, а также сфери- ческой ударной волной. Последняя обусловлена резким повышением давления газа при быстром нагревании небольшого объема. Распространяясь навстречу лучу, ударная волна способствует ионизации газа, облегчая условия пробоя. За счет этого происходит расширение образовавшейся искры в направлении лазера. Точечный взрыв при лазерном пробое газа по сути многих физических процессов является гидродинамической моделью взрыва атомной бомбы. Плазма хорошо поглощает лазерное излучение, вследствие чего в небольшом объеме, занимаемом ею, выделяется значительная световая энергия. Поэтому тем- пература плазмы может превышать 10 6 К. 1 2 |