Električni kvar

Proces proboja dielektrika, koji se događa tijekom udarne ionizacije elektronima zbog kidanja međuatomskih, međumolekulskih ili međuionskih veza, naziva se električnim probojem. Vremensko trajanje električnog kvara varira od nekoliko nanosekundi do desetaka mikrosekundi.

Ovisno o okolnostima nastanka, električna oštećenja mogu biti štetna ili korisna. Primjer korisnog električnog kvara je pražnjenje svjećice u radnom području cilindra motora s unutarnjim izgaranjem. Primjer štetnog kvara je kvar izolatora na dalekovodu.

U trenutku električnog proboja, kada se dovede napon iznad kritičnog (iznad probojnog napona), struja u čvrstom, tekućem ili plinovitom dielektriku (ili poluvodiču) naglo raste. Ovaj fenomen može trajati kratko vrijeme (nanosekunde) ili se uspostaviti dugo, baš kao što luk počinje i nastavlja gorjeti u plinu.

Električna probojna čvrstoća Epr (dielektrična čvrstoća) ovog ili onog dielektrika ovisi o unutarnjoj strukturi dielektrika i gotovo je neovisna o temperaturi, niti o veličini uzorka, niti o frekvenciji primijenjenog napona. Dakle, za zrak, dielektrična čvrstoća u normalnim uvjetima je oko 30 kV / mm, za čvrste dielektrike ovaj parametar je u rasponu od 100 do 1000 kV / mm, dok će za tekućinu biti samo oko 100 kV / mm.

Što su strukturni elementi (molekule, ioni, makromolekule itd.) gušći, to je probojna čvrstoća razmatranog dielektrika manja, jer srednji slobodni put elektrona postaje veći, odnosno elektroni dobivaju dovoljno energije da ioniziraju atoma ili molekula čak i uz manji intenzitet primijenjenih električnih polja.

Nehomogenost električnog polja formiranog u dielektriku, povezana s nehomogenošću unutarnje strukture čvrstog dielektrika, snažno utječe dielektrična čvrstoća takvog dielektrika… Ako se dielektrik čija je struktura nehomogena uvede u električno polje jednake jakosti, tada će električno polje unutar dielektrika biti nehomogeno.

Mikropukotine, pore, vanjske inkluzije koje imaju vrijednost probojne čvrstoće manju od samog dielektrika će generirati nehomogenosti u obrascu jakosti električnog polja unutar dielektrika, što znači da će lokalna područja unutar dielektrika imati veću čvrstoću. a proboj se može dogoditi pri naponima nižim od očekivalo bi se od savršeno homogenog dielektrika.

Predstavnici poroznih dielektrika, poput kartona, papira ili lakirane tkanine, odlikuju se posebno niskim pokazateljima probojnog napona, budući da je električno polje formirano u njihovom volumenu oštro nehomogeno, što znači da će intenzitet u lokalnim područjima biti veći - visok i do kvara će doći pri nižem naponu. Na ovaj ili onaj način, u čvrstim česticama, električni slom može se odvijati pomoću tri mehanizma, o kojima ćemo raspravljati u nastavku.

Prvi mehanizam električnog sloma krutine je isti unutarnji slom, koji je povezan sa stjecanjem nositelja naboja duž srednjeg puta slobodne energije, dovoljnog za ionizaciju molekula plina ili kristalne rešetke, što povećava koncentraciju nositelja naboja. Ovdje slobodni nositelji naboja nastaju kao lavina, stoga struja raste.

Proboj koji se događa u dielektriku prema ovom mehanizmu može biti skupni ili površinski. Za poluvodiče se površinski slom može povezati s takozvanim filamentnim efektom.

Kada se kristalna rešetka poluvodiča ili dielektrika zagrije, tada se može dogoditi drugi mehanizam električnog sloma, toplinski slom. Kako temperatura raste, slobodni nositelji naboja lakše ioniziraju atome rešetke; stoga probojni napon opada. I nije toliko važno je li zagrijavanje nastalo djelovanjem izmjeničnog električnog polja na dielektrik ili jednostavno prijenosom topline izvana.

Treći mehanizam električnog proboja krutine je proboj pražnjenjem, koji je uzrokovan ionizacijom plinova adsorbiranih u poroznom materijalu. Primjer takvog materijala je tinjac. Plinovi zarobljeni u porama tvari prije svega se ioniziraju, dolazi do istjecanja plina, što zatim dovodi do razaranja površine pora osnovne tvari.