Dielektrická pevnost - Dielectric strength

Ve fyzice má termín dielektrická pevnost následující významy:

  • u čistě elektricky izolačního materiálu maximální elektrické pole, které může materiál odolat za ideálních podmínek, aniž by došlo k elektrickému rozpadu a stane se elektricky vodivým (tj. bez selhání jeho izolačních vlastností).
  • Pro konkrétní kus dielektrického materiálu a umístění elektrod platí minimální aplikované elektrické pole (tj. Aplikované napětí dělené vzdáleností separace elektrod), které má za následek poruchu. Toto je koncept průrazného napětí .

Teoretická dielektrická pevnost materiálu je vnitřní vlastností sypkého materiálu a je nezávislá na konfiguraci materiálu nebo elektrod, kterými je pole aplikováno. Tato „vnitřní dielektrická pevnost“ odpovídá tomu, co by bylo měřeno pomocí čistých materiálů za ideálních laboratorních podmínek. Při poruše uvolňuje elektrické pole vázané elektrony. Pokud je aplikované elektrické pole dostatečně vysoké, mohou být volné elektrony z radiace pozadí urychleny na rychlosti, které mohou uvolňovat další elektrony srážkami s neutrálními atomy nebo molekulami, v procesu známém jako lavinový rozklad . K rozpadu dochází poměrně náhle (obvykle v nanosekundách ), což má za následek vytvoření elektricky vodivé dráhy a rušivý výboj materiálem. V pevném materiálu událost poruchy vážně degraduje nebo dokonce zničí její izolační schopnost.

Elektrická porucha

Elektrický proud je tok elektricky nabitých částic v materiálu způsobený elektrickým polem . Mobilní nabité částice zodpovědné za elektrický proud se nazývají nosiče náboje . V různých látkách slouží různé částice jako nosiče náboje: v kovech a jiných pevných látkách se některé vnější elektrony každého atomu ( vodivé elektrony ) mohou pohybovat po materiálu; v elektrolytech a plazmě jsou to ionty , elektricky nabité atomy nebo molekuly a elektrony. Látka, která má vysokou koncentraci nosičů náboje dostupných pro vedení, povede velký proud s daným elektrickým polem vytvořeným daným napětím aplikovaným na něj, a má tedy nízký elektrický odpor ; tomu se říká elektrický vodič . Materiál, který má málo nosičů náboje, bude při daném elektrickém poli vést velmi malý proud a má vysoký odpor; tomu se říká elektrický izolátor .

Když je však na jakoukoli izolační látku aplikováno dostatečně velké elektrické pole, při určité síle pole se koncentrace nosičů náboje v materiálu náhle zvýší o mnoho řádů, takže jeho odpor klesne a stane se vodičem. Říká se tomu elektrické zhroucení . Fyzikální mechanismus způsobující rozpad se u různých látek liší. V pevné látce k tomu obvykle dochází, když se elektrické pole stane dostatečně silným, aby odtáhlo vnější valenční elektrony od svých atomů, takže se stanou mobilními. Síla pole, při které dochází k rozpadu, je vnitřní vlastností materiálu, která se nazývá jeho dielektrická pevnost .

V praktických elektrických obvodech je elektrický výpad často nežádoucí událostí, porucha izolačního materiálu způsobující zkrat , což má za následek katastrofické selhání zařízení. Náhlý pokles odporu způsobí, že materiálem protéká vysoký proud, a náhlé extrémní Joulovo zahřívání může způsobit, že se materiál nebo jiné části obvodu roztaví nebo výbušně odpaří. Samotné členění je však reverzibilní. Pokud je proud dodávaný vnějším obvodem dostatečně omezený, nedojde k poškození materiálu a snížení aplikovaného napětí způsobí přechod zpět do izolačního stavu materiálu.

Faktory ovlivňující zdánlivou dielektrickou pevnost

  • S rostoucí tloušťkou vzorku klesá. (viz „vady“ níže)
  • S rostoucí provozní teplotou klesá .
  • S rostoucí frekvencí klesá.
  • U plynů (např. Dusík, hexafluorid síry) obvykle klesá se zvýšenou vlhkostí, protože ionty ve vodě mohou poskytovat vodivé kanály.
  • U plynů se zvyšuje s tlakem podle Paschenova zákona
  • U vzduchu se dielektrická pevnost mírně zvyšuje, jak se zvyšuje absolutní vlhkost, ale klesá se zvyšováním relativní vlhkosti

Rozdělte sílu pole

Síla pole, při které dochází k rozpadu, závisí na příslušné geometrii dielektrika (izolátoru) a elektrod, kterými je elektrické pole aplikováno, a také na rychlosti nárůstu aplikovaného elektrického pole. Protože dielektrické materiály obvykle obsahují nepatrné defekty, bude praktická dielektrická pevnost podstatně menší než vnitřní dielektrická pevnost ideálního materiálu bez defektů. Dielektrické fólie mají tendenci vykazovat větší dielektrickou pevnost než silnější vzorky ze stejného materiálu. Například dielektrická pevnost filmů oxidu křemičitého o tloušťce kolem 1 μm je asi 0,5  GV/m. Nicméně velmi tenké vrstvy (pod řekněme 100 nm ) se díky tunelování elektronů stávají částečně vodivými . Více vrstev tenkých dielektrických fólií se používá tam, kde je vyžadována maximální praktická dielektrická pevnost, jako jsou vysokonapěťové kondenzátory a pulzní transformátory . Protože se dielektrická pevnost plynů mění v závislosti na tvaru a konfiguraci elektrod, obvykle se měří jako zlomek dielektrické pevnosti plynného dusíku .

Dielektrická pevnost (v MV/m nebo 10 6 voltů/metr) různých běžných materiálů:

Látka Dielektrická pevnost
(MV/m) nebo (Volty/mikron)
Hélium (vztaženo na dusík)
0,15
Vzduch 3
Hexafluorid síry 8,5–9,8
Oxid hlinitý 13.4
Okenní sklo 9.8–13.8
Borosilikátové sklo 20–40
Silikonový olej , minerální olej 10–15
Benzen 163
Polystyren 19.7
Polyetylen 19–160
Neoprenová guma 15.7–26.7
Destilovaná voda 65–70
Vysoké vakuum (200 μPa )
(omezené emise pole)
20–40
(závisí na tvaru elektrody)
Tavený oxid křemičitý 470–670
Voskový papír 40–60
PTFE (teflon, extrudovaný ) 19.7
PTFE (teflon, izolační fólie) 60–173
PEEK (polyetheretherketon) 23
Slída 118
diamant 2 000
PZT 10–25

Jednotky

V SI je jednotkou dielektrické pevnosti volty na metr (V/m). Je také běžné vidět související jednotky, jako jsou volty na centimetr (V/cm), megavolty na metr (MV/m) atd.

Ve Spojených státech obvyklých jednotek , dielektrická pevnost je často specifikována ve voltech na mil (mil je 1/1000 palce ). Převod je:

Viz také

Reference

externí odkazy