Что такое электрический пробой и как он образуется? Что именно происходит с изолятором при пробое? Что такое диэлектрическая прочность и какова прочность типовых изоляторов? Давайте разбираться.
Основа электричества – это ток и напряжение. Оба эти явления тесно связаны, так как нет тока без напряжения и они используются для снабжения устройств электричеством. Проблема возникает когда внезапно теряется контроль над одной из этих величин. Тогда могут произойти два опасных явления. Первое называется коротким замыканием и возникает когда протекает слишком большой ток. Второе возникает когда это напряжение превышает безопасное значение, оно и называется электрическим пробоем.
Что такое электрический пробой
Заряды, протекающие в электрических кабелях, несут с собой энергию необходимую для работы радиоэлектронных устройств. Когда подключаете к розетке зарядное устройство, пылесос или любое другое устройство, то можете заметить что сетевая вилка и кабель сделаны из пластика или резины. В мире электричества оба этих материала называются изоляторами (или диэлектриками), их основная функция – предотвращать утечку электричества. Изоляция гарантирует что ток протечет внутри провода прямо к устройству, находящемуся под напряжением, а не через тело, что может закончиться для человека трагически.
Мир изоляторов, конечно, намного шире и не ограничивается только бытовыми устройствами. Например воздух – неплохой изолятор, благодаря которому нас не ударит током, когда идем возле высоковольтных линий. Другой пример – различные типы масел, в которые погружается мощное электрооборудование, требующее как изоляции, так и хорошего охлаждения.
Изоляторы защищают от тока, но у них есть свои ограничения. И когда такой изолятор выходит из строя, происходит явление, называемое пробоем. Ситуация резко меняется и из материала, который идеально блокирует ток, изолятор внезапно становится хорошим проводником.
Когда происходит пробой диэлектрика
Поскольку изолятор может внезапно «перестать работать» возникает вопрос, когда это может случиться и как этого избежать. Есть два пути, которые приводят к феномену электропробоя:
- Механическое повреждение изоляции – возникает при повреждении электрического провода или корпуса устройства. Если заметили, что из-под изоляции кабеля торчат медные провода или в сломанном корпусе устройства видны какие-то металлические детали, ни в коем случае нельзя продолжать использовать такое устройство. Конечно, корпус или кабель можно заменить или отремонтировать, если располагаем подходящими инструментами.
- Превышение электрической прочности изолятора – многие изоляторы устойчивы к воздействию – трудно механически повредить воздух или масло. Но даже в этом случае любой изолятор, который может остановить прохождение тока, делает это только до определенной степени.
Вышеупомянутый воздух защищает нас от поражения электрическим током от высоковольтных линий, но становится бессильным в борьбе с силами природы. Во время грозы удары молнии буквально взрывают атомы воздуха и пропускают через них электричество огромной мощности. На долю секунды воздух перестает быть изолятором и становится очень хорошим проводником. Конечно молния очень впечатляющая по силе и несет в себе смертельную энергию, но прорыв такого типа может произойти и в гораздо меньших масштабах. Любые искры от газовых плит или зажигалок, – не что иное, как эффект электропробоя воздуха.
Что заставляет изолятор перестать изолировать
Превышение электрической прочности может показаться загадочным и сложным явлением, но это не так. Чтобы точно понять, что происходит внутри изолятора при пробое, нужно посмотреть на это в масштабе отдельных атомов.
Проводники проводят электричество, потому что внутри их структуры целое море «бездомных» электронов. Это так называемые валентные электроны, которые не кажутся слишком плотно прикрепленными к своим атомам и свободно плавают в структуре проводника. Изоляторы (или диэлектрики) – совсем другое дело. Каждый атом контролирует свои электроны, поэтому ни о каких свободных электронах не может быть и речи. Поскольку в нем нет электронов, через материал не может протекать ток.
Наличие свободных электронов в проводнике – это только половина дела. Обычно они внутри него хаотично плавают и в таком состоянии малопригодны. Чтобы они захотели создать компактный поток, текущий в одном направлении (электрический ток), надо заставить их это сделать. Самый простой способ – приложить напряжение – когда отрицательно заряженные свободные электроны почувствуют его, они немедленно полетят к более высокому потенциалу.
Казалось бы, поскольку изолятор не имеет свободных электронов и не способен проводить ток, он также совершенно безразличен к электрическому напряжению. Но это неправда. Помните, что хотя атомы электрически нейтральны, они по-прежнему состоят из крошечных отрицательно заряженных электронов и немного более крупных положительно заряженных протонов. Окружение такого атома разностью потенциалов заставляет электроны, вращающиеся вокруг атомов, отклонять свои орбиты в сторону высокого потенциала, а ядро, в свою очередь, в некоторой степени притягивается низким потенциалом.
Атомная поляризация
На картинке видно, что сближение атома двух противоположно заряженных пластин вызвало его деформацию, которая называется поляризацией. Обратите внимание, что противоположно заряженные пластины даже не должны касаться атома чтобы его деформировать. Это возможно из-за существования невидимого электрического поля, которое может притягивать и отталкивать заряды. Каждый электрон и каждый протон излучают такое поле, и оно также испускается каждым объектом, заряженным определенным количеством заряда. Вот почему атом на рисунке растягивается. Его отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные протоны окружены сильным электрическим полем от двух противоположно заряженных пластин. Под его воздействием они ощущают силу притяжения – электроны к положительному потенциалу, протоны – к отрицательному. Весь атом становится поляризованным, способом электростатической индукции.
Чем сильнее электрическое поле, тем сильнее оно деформирует окружающий атом. При достаточно высокой прочности такой атом может превысить «предел растяжения», что приведет к отрыву от него одного или двух электронов. Именно это происходит при разрушении молекул воздуха под действием молнии. В профессиональном плане этот эффект называется ионизацией.
Диэлектрическая прочность
Ключ к достижению предела прочности материала – создание мощного электрического поля. Как это сделать? Напряженность электрического поля отвечает двум основным свойствам:
- Его значение увеличивается с увеличением напряжения.
- Его значение уменьшается с удалением от источника.
Напряженность электрического поля E измеряется в вольтах на метр [В / м]. Следовательно, если подключим полюса батареи 1 В к двум металлическим пластинам и отодвинем их на 1 метр друг от друга, то получим напряженность электрического поля 1 В / м. Сводя пластины ближе друг к другу или увеличивая напряжение, увеличиваем интенсивность.
Какое тогда значение напряженности электрического поля необходимо, чтобы вызвать пробой? Для большинства изоляторов – невероятно огромное. Электрическая прочность некоторых изоляторов составляет порядка нескольких миллионов вольт на метр. Поэтому, чтобы избежать записи ненужных нулей, в таблицах электрической прочности изоляции обычно используются мегавольты на метр [МВ / м] или киловольты на миллиметр [кВ / мм]. Эти блоки эквивалентны друг другу – 15 МВ / м в точности равно 15 кВ / мм.
Стоит отметить, что среди газов самой высокой прочностью является трихлор-трифторэтан (около 19,5 МВ / м), для жидкостей – бутилбензол (275 МВ / м), а для твердых тел вершиной изоляторов является алмаз, что с результатом 2000 МВ / м даже превосходит своих конкурентов. Лучше этого может быть только идеальный вакуум, но тот, который фактически достигается в лабораториях, имеет диэлектрическую прочность, достигающую «всего» 30 МВ / м.
От чего зависит электропрочность
Значения относятся к веществам высокой чистоты при комнатной температуре и атмосферном давлении. Электрическая прочность – чувствительная величина к внешним условиям, не говоря уже о загрязнении изолятора, что значительно ухудшает его параметры. И есть еще один, менее очевидный момент. Бывает, что напряжение намного ниже предельного, а изолятор все равно разрушается. Как это происходит и почему? Давайте посмотрим на два примера на рисунке ниже:
По разным данным, напряжение между нижними частями грозовых облаков и землей колеблется от 100 кВ до 100 МВ. Предположим в среднем 10 миллионов вольт. Расстояние от земли до такого облака около 8 километров. Разделив одно значение на другое получается, что напряженность электрического поля непосредственно перед ударом молнии составляет 1250 В / м. Так как же происходит разряд, когда значение интенсивности даже близко не к 3 МВ / м?
Второй пример в правой части рисунка показывает конденсатор, то есть устройство, состоящее из двух противоположно заряженных пластин, расположенных очень близко друг к другу. Расстояние между двумя пластинами конденсатора может отличаться от напряжения. В показанном примере напряженность электрического поля составляет всего 1500 В / м, поэтому пока очень далеки от предела пробоя. Расчеты показывают, что можно увеличить напряжение такого конденсатора до 3000 В и ничего не должно произойти. Но в действительности все обстоит иначе, и максимальное напряжение воздушных конденсаторов, рекомендованное производителями, примерно в три раза ниже расчетного. Почему так?
Неравномерность конденсатора
Глядя на два куска плоского листового металла может показаться, что они идеально гладкие. Но под микроскопом заметили бы множество неровностей и неровностей. Как это влияет на конденсатор? Заряд, который собирается на его пластинах, любит накапливаться во всех укромных уголках и трещинах. Из-за большей концентрации заряда напряженность электрического поля в этих местах может быть даже в несколько раз выше, чем в более гладких местах.
Кроме того, там где встречаются две «выпуклости», расстояние между пластинками уменьшается, что дополнительно усиливает поле. В случае с воздушными конденсаторами это не так важно (слишком большое расстояние между пластинами), но в конденсаторах из пластика (ПП, ПЭТ, ПТФЭ) изоляционный слой не превышает нескольких микрометров. По этой причине даже малейшая неравномерность может значительно снизить значение напряжения, которое можем безопасно подать на такой конденсатор.
Почему молния поражает одинокие деревья
Проблема «неравенства» частично является ответом на то, почему молния, несмотря на «всего» 10 миллионов вольт, способна преодолевать расстояние до 8 километров. Потому что всякий раз она где может пытается облегчить себе путь. Вот почему молнии так охотно выбирают одинокие деревья. Прежде всего это высокие предметы, торчащие из земли. Благодаря этому они, в первую очередь, сокращают путь – на несколько метров меньше воздуха, который нужно преодолеть. Во-вторых, верхушка дерева – идеальное место для концентрации заряда и, таким образом, увеличения силы электрического поля. Оба этих эффекта в сочетании с дождем и особым механизмом молнии означают, что они могут легко пробить воздух и избавиться от избыточного отрицательного заряда.
В принципе этого хватит чтоб понять что такое электрический пробой и как он образуется, а если остались непонятные моменты – на форум.
