Dielektrisk styrke - Dielectric strength

I fysikken har begrepet dielektrisk styrke følgende betydninger:

for et rent elektrisk isolerende materiale, det maksimale elektriske feltet som materialet tåler under ideelle forhold uten å gjennomgå elektrisk sammenbrudd og bli elektrisk ledende (dvs. uten svikt i dets isolerende egenskaper).
For et bestemt stykke dielektrisk materiale og plassering av elektroder , resulterer det minste påførte elektriske feltet (dvs. den påførte spenningen dividert med elektrodeseparasjonsavstanden) som resulterer i sammenbrudd. Dette er konseptet med nedbrytningsspenning .

Den teoretiske dielektriske styrken til et materiale er en iboende egenskap til bulkmaterialet, og er uavhengig av konfigurasjonen av materialet eller elektrodene som feltet påføres. Denne "iboende dielektriske styrken" tilsvarer det som vil bli målt ved bruk av rene materialer under ideelle laboratorieforhold. Ved sammenbrudd frigjør det elektriske feltet bundne elektroner. Hvis det påførte elektriske feltet er tilstrekkelig høyt, kan frie elektroner fra bakgrunnsstråling akselereres til hastigheter som kan frigjøre ytterligere elektroner ved kollisjoner med nøytrale atomer eller molekyler, i en prosess som kalles skredbrudd . Nedbrytning skjer ganske brått (vanligvis i nanosekunder ), noe som resulterer i dannelse av en elektrisk ledende bane og en forstyrrende utslipp gjennom materialet. I et fast materiale forringer en sammenbruddshendelse alvorlig eller til og med ødelegger dens isolasjonsevne.

Elektrisk sammenbrudd

Elektrisk strøm er en strøm av elektrisk ladede partikler i et materiale forårsaket av et elektrisk felt . De mobilladede partiklene som er ansvarlige for elektrisk strøm kalles ladningsbærere . I forskjellige stoffer fungerer forskjellige partikler som ladningsbærere: i metaller og andre faste stoffer er noen av de ytre elektronene i hvert atom ( ledningselektroner ) i stand til å bevege seg rundt materialet; i elektrolytter og plasma er det ioner , elektrisk ladede atomer eller molekyler , og elektroner. Et stoff som har en høy konsentrasjon av ladningsbærere tilgjengelig for ledning, vil lede en stor strøm med det gitte elektriske feltet skapt av en gitt spenning påført over det, og har dermed en lav elektrisk resistivitet ; dette kalles en elektrisk leder . Et materiale som har få ladningsbærere vil lede veldig lite strøm med et gitt elektrisk felt og har høy motstandsevne; dette kalles en elektrisk isolator .

Imidlertid, når et stort nok elektrisk felt påføres et hvilket som helst isolerende stoff, øker plutselig konsentrasjonen av ladningsbærere i materialet ved en bestemt feltstyrke med mange størrelsesordener, så motstanden synker og det blir en leder. Dette kalles elektrisk sammenbrudd . Den fysiske mekanismen som forårsaker nedbrytning er forskjellig i forskjellige stoffer. I et fast stoff oppstår det vanligvis når det elektriske feltet blir sterkt nok til å trekke ytre valenselektroner vekk fra atomene sine, slik at de blir mobile. Feltstyrken som bryter ned, er en iboende egenskap til materialet som kalles dets dielektriske styrke .

I praktiske elektriske kretser er elektrisk sammenbrudd ofte en uønsket hendelse, feil i isolerende materiale som forårsaker kortslutning , noe som resulterer i en katastrofal svikt i utstyret. Det plutselige fallet i motstand får en høy strøm til å strømme gjennom materialet, og den plutselige ekstreme Joule -oppvarmingen kan føre til at materialet eller andre deler av kretsen smelter eller fordamper eksplosivt. Selve sammenbruddet er imidlertid reversibelt. Hvis strømmen som tilføres av den eksterne kretsen er tilstrekkelig begrenset, blir det ingen skade på materialet, og reduksjon av den påførte spenningen forårsaker en overgang tilbake til materialets isolasjonstilstand.

Faktorer som påvirker tilsynelatende dielektrisk styrke

Den avtar med økt prøvetykkelse. (se "defekter" nedenfor)
Den synker med økt driftstemperatur .
Det avtar med økt frekvens.
For gasser (f.eks. Nitrogen, svovelheksafluorid) reduseres det normalt med økt fuktighet ettersom ioner i vann kan gi ledende kanaler.
For gasser øker det med trykk i henhold til Paschens lov
For luft øker dielektrisk styrke litt etter hvert som den absolutte fuktigheten øker, men avtar med en økning i relativ fuktighet

Bryt ned feltstyrken

Feltstyrken som bryter opp, avhenger av de respektive geometriene til dielektrikumet (isolatoren) og elektrodene som det elektriske feltet påføres, samt økningshastigheten for det påførte elektriske feltet. Fordi dielektriske materialer vanligvis inneholder små defekter, vil den praktiske dielektriske styrken være vesentlig mindre enn den indre dielektriske styrken til et ideelt, feilfritt materiale. Dielektriske filmer har en tendens til å utvise større dielektrisk styrke enn tykkere prøver av det samme materialet. For eksempel er den dielektriske styrken til silisiumdioksydfilmer med en tykkelse på rundt 1 μm omtrent 0,5 GV/m. Imidlertid blir veldig tynne lag (f.eks. Under 100 nm ) delvis ledende på grunn av elektrontunnel . Flere lag med tynne dielektriske filmer anvendes hvor som praktisk mulig dielektrisk styrke er nødvendig, slik som høy spenning kondensatorer og pulstransformatorer . Siden gassens dielektriske styrke varierer avhengig av elektrodenes form og konfigurasjon, måles den vanligvis som en brøkdel av den dielektriske styrken til nitrogengass .

Dielektrisk styrke (i MV/m, eller 10 ⁶ ⋅ volt/meter) av forskjellige vanlige materialer:

Substans	Dielektrisk styrke (MV/m) eller (Volt/mikron)
Helium (i forhold til nitrogen)	0,15
Luft	3
Svovelheksafluorid	8,5–9,8
Alumina	13.4
vindu glass	9,8–13,8
Borosilikatglass	20–40
Silikonolje , mineralolje	10–15
Benzen	163
Polystyren	19.7
Polyetylen	19–160
Neopren gummi	15.7–26.7
Destillert vann	65–70
Høyt vakuum (200 μPa ) (begrenset feltemisjon)	20–40 (avhenger av elektrodeform)
Smeltet silika	470–670
Vokst papir	40–60
PTFE (teflon, ekstrudert )	19.7
PTFE (teflon, isolerende film)	60–173
PEEK (Polyeter eter keton)	23
Mica	118
Diamant	2.000
PZT	10–25

Enheter

I SI er enheten for dielektrisk styrke volt per meter (V/m). Det er også vanlig å se relaterte enheter som volt per centimeter (V/cm), megavolt per meter (MV/m), og så videre.

I USAs vanlige enheter er dielektrisk styrke ofte spesifisert i volt per mil (mil er 1/1000 tommer ). Konverteringen er: