Файл: Техника высоких напряжений учеб. пособие.pdf

Таким образом, для предотвращения местных разрядов необходимо помещать испытуемые образцы либо в среду с повышенной диэлектри­

окружающая среда

В некоторых случаях местные разряды можно устранить, придав испытуемым образцам специальную форму (рис. 7.7).

в.Влияние формы поля, полярности напряжения

нплощади электродов на электрическую прочность

Так же как в газообразных и жидких диэлектриках, форма поля сильно влияет на электрическую прочность твердых диэлектриков. На рис. 7.8 в качестве примера приводятся зависимости Unp— f(d) для эпоксидного компаунда при различных формах электродов. Как следует из рисунка, при достаточно больших расстояниях между элек­ тродами изменение формы поля может привести к изменению электри­ ческой прочности в несколько раз.

В снльнонеоднородном поле электрическая прочность твердых диэлектриков зависит от полярности электродов (рис. 7.9), причем обычно меньшие пробивные напряжения соответствуют положитель­ ной полярности электрода с малым радиусом кривизны, Влияние по­ лярности электродов для твердых диэлектриков выражено значитель­

124

но слабее, чем в газообразных и жидких диэлектриках, и приводит к различию пробивных напряжений в пределах 20—30%.

Зависимость пробивного напряжения от плошади электродов под­ чиняется тем же закономерностям, что и для жидких диэлектриков (см. § 15.1).

г. Зависимость пробивного напряжения твердых диэлектриков от времени приложения напряжения

В случае электрического пробоя, когда времена воздействия на­ пряжения и развития разряда соизмеримы, пробивное напряжение существенно зависит от времени аналогично газообразным и жидким, диэлектрикам. Скорость продвижения разряда в твердых диэлектри­ ках зависит от величины перенапряжения, а также от полярности электрода с малым радиусом кривизны и лежит в пределах 0,1—

— 10 см/мксек. Поэтому при толщинах диэлектрика порядка 1мм суще­ ственный подъем пробивного напряжения наступает при времени, меньшем 0,1 мксек.

Вкачестве примера на рис. 7.10 показаны вольтсекундные харак­ теристики фарфора. Как следует из рисунка, заметное повышение на­ пряжения с уменьшением длительности его воздействия происходит при временах, значительно меньших, чем в газообразных и жидких диэлектриках, при соответственно меньших толщинах испытуемых образцов.

Втвердых диэлектриках, так же как в газах и жидкостях, предраз­ рядное время имеет статистический разброс. Малые времена запазды­ вания и большой разброс пробивных напряжений твердых диэлект­

125

риков затрудняют применение стандартного импульса. В связи с этим ■обычно определяют статистические характеристики пробивных напря­ жений на косоугольном фронте импульса (см. §4.1) по методике испы­

местного разрушения диэлектрика. Дальнейшее увеличение времени воздействия связано с появлением процессов химического и теплового разрушения диэлектрика, приводящих к новому снижению электри­ ческой прочности.

§ 7.3. МЕХАНИЗМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРОБОЯ ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ

а.Потерн энергии электрона при взаимодействии с нонами

кристаллической решетки

При взаимодействии электронов с ионами кристаллической решетки твердого диэлектрика часть энергии электрона расходуется на воз­ буждение колебаний ионов. При малых энергиях электрона потери энергии в основном определяются возбуждением колебаний решетки в оптическом диапазоне с частотой ѵ:

где ß — коэффициент упругой связи ионов; т3— эквивалентная масса

ионов.

Для частного случая одномерной цепочки чередующихся ионов разных знаков с массами ті и тг величина

тъ =in1m2 (rniJrm2).

Средние потери энергии В электронов в единицу времени зависят от энергии электрона We. При малых \Ѵе величина В также мала и возрастает с увеличением We; потери В достигают максимума при Wetv « 4 Ігѵ, а затем при We> 4hv величина В уменьшается с увеличением We вследствие уменьшения времени взаимодействия частиц. Харак­ терная зависимость В от Wе показана на рис. 7.12,

126

б. Теория ударной ионизации медленными электронами Хиппеля — Каллена

По теории Хиппеля— Каллена, критерием пробоя являются ус­ ловия, достаточные для образования лавины электронов в твердом диэлектрике. При этом -предполагается, что необходимую для иониза­ ции энергию электроны приобретают не за время между двумя столк­ новениями, а накапливают после нескольких столкновений. Для этого необходимо, чтобы энергия, приобретаемая в электрическом поле, была больше теряемой за счет взаимодействия электрона с кри­

столкновениями.

Если напряженность поля Е станет настолько велика, что энергия А, получаемая электроном в единицу времени от поля, будет равна или больше максимально возможных потерь В, то энергия электрона будет увеличиваться и может достичь энергии ионизации. При этом возможны ударная ионизация электронами и обра­ зование лавины электронов.

Так как максимальные потери энер­ гии электроном соответствуют энергии 1,0 электрона 4hv, то условия пробоя по Хиппелю — Каллену имеют вид

We=4hv, А=В. (7.13)

Обозначим через Е0 напряженность электрического поля, соответствующую максимуму потерь энергии при Т = 0, и через £,.р критическую напряженность электрического поля, при которой А=В.

Зависимости величины Екѵ Е0от энер­ гии электронов при различных Т (раз­ личных kT/hv) приведены на рис. 7.11.

Максимальные значения £ кр соответствуют электрической проч­ ности диэлектрика. С ростом температуры, по этой теории, электриче­ ская прочность должна несколько возрастать, что экспериментальноподтверждается для некоторых диэлектриков в определенном диапа­ зоне температур (например, для кристаллов каменной соли, кварца).

Таким образом, в теории Хиппеля— Каллена решающую роль в развитии ионизации играют электроны, обладавшие первоначально, до ускорения их полем, малой энергией We~4hv. Такие электроныпринято называть «медленными», и поэтому теорию Хиппеля— Кал­ лена часто называют «теорией пробоя медленными электронами».

127

в . Т е о р и я уд а рн о й п о п п з а ц и п б ы с тр ы м и эл ектро н ам и Ф р е л и ха

В теории Фрелиха предполагается, что в отсутствии электричес­ кого поля имеется некоторая вероятность наличия быстрых электро­ нов проводимости, хотя у подавляющего количества электронов энер­ гия значительно меньше. Фрелих считал, что нарушение электрической

Так как для быстрых электронов We >4hv, то необходимо рас­ сматривать правую ниспадающую часть зависимости B = [(We), для которой

Таким образом, с увеличением напряженности поля (см. рис. 7.12, Е г > Е) уменьшается критическая энергия электронов WKV (точка пересечения кривых смещается влево, We2< Wel). При этом должны ускоряться электроны с энергией Wе в диапазоне 117кр < Wе < W ■Они будут вызывать ударную ионизацию дополнительно к той, ко­ торая создается быстрыми электронами, образовавшимися вследствие тепловых флуктуаций в отсутствие поля. Это приведет к неограни­ ченному увеличению количества электронов в зоне проводимости и числа ионизаций в единицу времени. Такое нестационарное состоя-

128