חוזק דיאלקטרי

חוזק דיאלקטרי קובע את יכולתו של דיאלקטרי לעמוד במתח חשמלי המופעל עליו. אז, החוזק החשמלי של הדיאלקטרי מובן כערך הממוצע של חוזק השדה החשמלי Epr שבו מתרחשת התמוטטות חשמלית בדיאלקטרי.

התמוטטות החשמל של דיאלקטרי היא תופעה של עלייה חדה במוליכות החשמלית של חומר נתון תחת פעולת המתח המופעל עליו, עם היווצרות לאחר מכן של תעלת פלזמה מוליכה.

התמוטטות חשמלית בנוזלים או בגזים נקראת גם פריקה חשמלית. למעשה נוצרת פריקה כזו זרם פריקת קבליםנוצר על ידי אלקטרודות שעליהן מופעל מתח פירוק.

בהקשר זה, מתח התמוטטות Upr הוא המתח שבו מתחיל התמוטטות החשמלית, ולכן ניתן למצוא את החוזק הדיאלקטרי באמצעות הנוסחה הבאה (כאשר h הוא עובי המדגם שיש לפרק):

Epr = UNC/h

ברור שמתח השבר בכל מקרה מסוים קשור לחוזק הדיאלקטרי של הדיאלקטרי הנחשב ותלוי בעובי הפער בין האלקטרודות.בהתאם לכך, ככל שהפער בין האלקטרודות גדל, גם ערך מתח הפריצה עולה. בדיאלקטרי נוזלים וגזים, התפתחות הפריקה במהלך התמוטטות מתרחשת בדרכים שונות.

חוזק דיאלקטרי של דיאלקטרי גז

יינון - תהליך המרת אטום ניטרלי ליון חיובי או שלילי.

בתהליך של פירוק פער גדול בדיאלקטרי גז, עוקבים מספר שלבים בזה אחר זה:

1. אלקטרון חופשי מופיע במרווח הגזים כתוצאה מפוטויון של מולקולת גז, ישירות מאלקטרודת מתכת או בטעות.

2. האלקטרון החופשי המופיע בפער מואץ על ידי השדה החשמלי, האנרגיה של האלקטרון גדלה ובסופו של דבר הופכת למספיקה ליינון אטום ניטרלי בהתנגשות בו. כלומר, מתרחשת יינון השפעה.

3. כתוצאה מפעולות יינון פגיעה רבות, נוצרת ומתפתחת מפולת אלקטרונים.

4. נוצר סטרימר - תעלת פלזמה שנוצרת על ידי יונים חיוביים שנותרו לאחר מעבר של מפולת אלקטרונים, ושליליים, שנמשכים כעת לפלזמה הטעונה חיובית.

5. זרם קיבולי דרך הסטרימר גורם ליינון תרמי והסטרימר הופך להיות מוליך.

6. כאשר פער הפריקה נסגר על ידי ערוץ הפריקה, הפריקה הראשית מתרחשת.

אם פער הפריקה קטן מספיק, אז תהליך ההתמוטטות יכול להסתיים כבר בשלב התמוטטות המפולת או בשלב היווצרות הסטרימר - בשלב הניצוץ.

החוזק החשמלי של גזים נקבע על ידי:

• מרחק בין אלקטרודות;

• לחץ בגז לקידוח;

• הזיקה של מולקולות גז לאלקטרון, האלקטרושליליות של גז.

קשר הלחץ מוסבר כדלקמן. ככל שהלחץ בגז עולה, המרחקים בין המולקולות שלו יורדים. במהלך התאוצה, האלקטרון חייב לרכוש את אותה אנרגיה עם מסלול חופשי קצר בהרבה, וזה מספיק כדי ליינן אטום.

אנרגיה זו נקבעת על פי מהירות האלקטרון בזמן ההתנגשות, והמהירות מתפתחת עקב האצה מהכוח הפועל על האלקטרון מהשדה החשמלי, כלומר בשל חוזקו.

עקומת Paschen מראה את התלות של מתח הפירוק Upr בגז במכפלה של המרחק בין האלקטרודות ללחץ - p * h. לדוגמה, עבור אוויר ב-p * h = 0.7 פסקל * מטר, מתח הפריצה הוא כ-330 וולט. העלייה במתח הפירוק משמאל לערך זה נובעת מכך שהסבירות שאלקטרון יתנגש במולקולת גז פוחתת.

זיקה אלקטרונית היא היכולת של כמה מולקולות ניטרליות ואטומי גז לחבר אלקטרונים נוספים לעצמם ולהפוך ליונים שליליים. בגזים בעלי זיקה אלקטרונית גבוהה, בגזים אלקטרוניים שליליים האלקטרונים זקוקים לאנרגיה מאיץ גדולה כדי ליצור מפולת.

ידוע שבתנאים רגילים, כלומר בטמפרטורה ולחץ רגילים, החוזק הדיאלקטרי של האוויר ברווח של 1 ס"מ הוא כ-3000 וולט/מ"מ, אך בלחץ של 0.3 מגפ"ס (פי 3 מהרגיל) חוזק דיאלקטרי של אותו אוויר הופך קרוב ל-10,000 V/mm. עבור גז SF6, גז אלקטרוני שלילי, החוזק הדיאלקטרי בתנאים רגילים הוא כ-8700 V/mm. ובלחץ של 0.3 MPa, הוא מגיע ל-20,000 V/mm.

חוזק דיאלקטרי של דיאלקטרי נוזלי

לגבי דיאלקטרי נוזלי, החוזק הדיאלקטרי שלהם אינו קשור ישירות למבנה הכימי שלהם. והדבר העיקרי שמשפיע על מנגנון הריקבון בנוזל הוא סידור המולקולות שלו קרוב מאוד, בהשוואה לגז. יינון השפעה, המאפיין גזים, בלתי אפשרי בדיאלקטרי נוזלי.

אנרגיית יינון ההשפעה היא בערך 5 eV, ואם נבטא את האנרגיה הזו כמכפלה של עוצמת השדה החשמלי, מטען האלקטרונים והנתיב החופשי הממוצע, שהוא בערך 500 ננומטר, ואז נחשב את החוזק הדיאלקטרי מתוך זה, קבל 10,000,000 V/mm, והחוזק החשמלי האמיתי לנוזלים נע בין 20,000 ל-40,000 V/mm.

החוזק הדיאלקטרי של נוזלים תלוי למעשה בכמות הגז באותם נוזלים. כמו כן, החוזק הדיאלקטרי תלוי במצב משטחי האלקטרודה עליהם מופעל המתח. פירוק לנוזל מתחיל בפירוק של בועות גז קטנות.

לגז יש קבוע דיאלקטרי נמוך בהרבה, כך שהמתח בבועה מתברר כגבוה יותר מאשר בנוזל שמסביב. במקרה זה, החוזק הדיאלקטרי של הגז נמוך יותר. פריקות בועות מובילות לצמיחת בועות ובסופו של דבר מתרחשת התפרקות נוזלים כתוצאה מהפרשות חלקיות בבועות.

זיהומים ממלאים תפקיד חשוב במנגנון פיתוח הפירוק בדיאלקטרי נוזלי. שקול, למשל, שמן שנאים. פיח ומים כזיהומים מוליכים מפחיתים את החוזק הדיאלקטרי שמן שנאי.

למרות שבדרך כלל מים אינם מתערבבים עם שמן, הטיפות הקטנות ביותר שלהם בשמן בפעולת שדה חשמלי מקטבות, יוצרות מעגלים בעלי מוליכות חשמלית מוגברת בהשוואה לשמן שמסביב, וכתוצאה מכך מתרחשת התמוטטות שמן לאורך המעגל.

כדי לקבוע את החוזק הדיאלקטרי של נוזלים בתנאי מעבדה, נעשה שימוש באלקטרודות חצי כדוריות, שרדיוסן גדול פי כמה מהמרחק ביניהן. שדה חשמלי אחיד נוצר ברווח בין האלקטרודות. מרחק טיפוסי הוא 2.5 מ"מ.

עבור שמן שנאים, מתח הפריצה לא צריך להיות פחות מ-50,000 וולט, והדגימות הטובות ביותר שלו נבדלות בערך מתח הפריצה של 80,000 וולט. יחד עם זאת, זכור שבתאוריית יינון ההשפעה המתח הזה היה צריך להיות 2,000,000 - 3,000,000 וולט.

לכן, כדי להגדיל את החוזק הדיאלקטרי של דיאלקטרי נוזלי, יש צורך:

• נקה את הנוזל מחלקיקים מוליכים מוצקים כגון פחם, פיח וכו';

• הסר את המים מהנוזל הדיאלקטרי;

• לחטא את הנוזל (לפנות);

• הגדל את לחץ הנוזל.

חוזק דיאלקטרי של דיאלקטרי מוצק

החוזק הדיאלקטרי של דיאלקטרי מוצק קשור לזמן שבמהלכו מתח השבר מופעל. ובהתאם לזמן שבו המתח מופעל על הדיאלקטרי, ובהתאם לתהליכים הפיזיקליים המתרחשים באותו זמן, הם מבחינים:

• תקלה חשמלית המתרחשת בשברירי שניות לאחר הפעלת המתח;

• קריסה תרמית המתרחשת תוך שניות או אפילו שעות;

• התמוטטות עקב פריקות חלקיות, זמן החשיפה עשוי להיות יותר משנה.

מנגנון הפירוק של דיאלקטרי מוצק מורכב מהרס של קשרים כימיים בחומר תחת פעולת מתח מופעל, עם הפיכת החומר לפלזמה. כלומר, אנחנו יכולים לדבר על המידתיות בין החוזק החשמלי של דיאלקטרי מוצק לבין האנרגיה של הקשרים הכימיים שלו.

דיאלקטריים מוצקים עולים לעתים קרובות על החוזק הדיאלקטרי של נוזלים וגזים, לדוגמה, לזכוכית בידודית יש חוזק חשמלי של כ-70,000 וולט/מ"מ, פוליוויניל כלוריד - 40,000 וולט למ"מ ופוליאתילן - 30,000 וולט למ"מ.

הסיבה להתמוטטות תרמית נעוצה בחימום הדיאלקטרי עקב אובדן דיאלקטריכאשר אנרגיית אובדן הכוח עולה על האנרגיה המוסר על ידי הדיאלקטרי.

ככל שהטמפרטורה עולה, מספר הנשאים עולה, המוליכות עולה, זווית ההפסד גדלה, ולכן הטמפרטורה עולה עוד יותר והחוזק הדיאלקטרי יורד. כתוצאה מכך, עקב חימום הדיאלקטרי, הכשל שנוצר מתרחש במתח נמוך יותר מאשר ללא חימום, כלומר, אם הכשל היה חשמלי גרידא.