«Электрический пробой»

English: Electrical puncture Пробой, обусловленный ударной ионизацией или разрывом связей между частицами диэлектрика непосредственно под действием электрического поля (по ГОСТ 21515-76)

Источник: Термины и определения в электроэнергетике. Справочник

voltage failure, electric(al) breakdown, voltage breakdown, disruptive discharge

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРОБОЙ

д и э л е к т р и к о в и п ол у п р о в о д н и к о в- резкое падение их электрич. сопротивления при достаточно высоком приложенном к образцу напряжении (см. также Пробой электрический). Э. п. отличается от теплового пробоя тем, что на подготовит. стадии пробоя ни разогрев, ни хим. процессы не имеют существенного значения, а также малым временем развития пробоя, слабой зависимостью пробивного напряжения от темп-ры. Э. п. обусловлен ударной ионизацией атомов и молекул электронами. Электрон получает возможность ударной ионизации, если энергия U, передаваемая ему электрич. полем, оказывается больше энергии U', теряемой электроном при рассеянии на фононах, дефектах и примесях кристаллич. решётки. При этом электрон может ускоряться в электрич. поле до энергии, достаточной для ионизации атомов и молекул электронным ударом и тем самым для развития лавинного процесса.

Теория ударной ионизации основана на анализе кинетического уравнения Больцмана, решение к-рого даёт значение величины электрической прочности Е _пр:

Здесь Е- напряжённость электрич. поля в направлении oz, e - заряд электрона, p_z- проекция его импульса, f(,q) - ф-ция распределения электронов по энергии и направлениям импульса (q - угол между Е и p), j _рас, j _ион, j _возб, j _рек - изменение распределения f за счёт процессов рассеяния, ионизации, возбуждения и рекомбинации. Левая часть ур-ния представляет собой изменение ф-ции f при ускорении электронов электрич. полем. Отсутствие стационарного решения ур-ния соответствует Э. п. Критерием Э. <п. выбраны равенство энергии электронов U_1/2, разделяющей совокупность электронов после акта ионизации на 2 равные половины, и энергии, соответствующей условию U=U'. При этом концентрация электронов проводимости будет возрастать при небольшом превышении напряжённости поля над значением E _пр, соответствующим этому критерию.

Зависимости Е _пр от темп-ры Т для кристаллов NaCl, К Вr совпадают с полученными экспериментально. Эксперимент позволил установить наличие минимума на зависимости напряжения пробоя V _пр от толщины h кристаллов NaCl при h1 мкм (что соответствует кривой Пашена для электрич. пробоя газов), а также зависимость времени t развития пробоя от h, к-рая, как и в газах, состоит из двух участков; на первом t уменьшается с ростом h, затем резко спадает на 2-3 порядка. На втором участке t растёт при увеличении h. Предполагалось, что второй участок соответствует т. н. однолавинно-стримерному пробою, а первый - многолавинно-стримерному пробою, при к-ром время развития пробоя включает и время "статис-тич. ожидания" попадания неск. лавин в одну область на аноде, чтобы суммарный объёмный заряд был достаточен для развития стримера.

В дальнейшем оказалось, что ширина зоны проводимости кристалла (см. Зонная теория )недостаточна для того, чтобы электрон смог приобрести энергию, необходимую для ударной ионизации в диэлектриках, обладающих широкой запрещённой зоной. Кроме того, теория ударной ионизации не даёт представления о самом процессе развития Э. п., а лишь определяет критерий пробоя и оценивает величину электрич. прочности.

Дальнейшее развитие теории Э. <п. твёрдых диэлектриков и полупроводников основано на представлении о доменной неустойчивости. В сильных электрич. полях вольт-амперная характеристика (ВАХ) может иметь S -образную форму, что приведёт к шнурованию тока, или N -образную форму и это ведёт к образованию доменов сильного электрич. поля (см. Ганна эффект).

Регистрируя быстропротекающие процессы с большим разрешением по времени (до 10^-9 с) и по координатам (до 1 мкм), электронно-оптические преобразователи и скоростная фоторегистрация (включая фотографирование с лазерной подсветкой) позволили наблюдать процесс образования и развития канала пробоя в диэлектрике, изучать распространение ударных волн и образование плазмы в канале пробоя. Обнаружено много сходного в развитии процесса пробоя в газах, жидких и твёрдых диэлектриках.

Э. п. полимеров может быть обусловлен сдавливанием полимерной плёнки (электромеханич. пробой), а также разрывом молекулярных цепей под действием сил электрич. поля на молекулы, приобретающие электрич. заряд в сильном электрич. поле. Последний механизм подтверждается снижением механич. прочности (в 6 и более раз) в электрич. поле с напряжённостью 2^.10⁷ В/м, существенно меньшей не только электрич. прочности Е _пp~10⁸ B/м, но и напряжённости возникновения частичных разрядов.

Лит.: Сканави Г. И., Физика диэлектриков. (Область сильных полей), М., 1958; Франц В., Пробой диэлектриков, пер. с нем., М., 1961; Воробьев А. А., Воробьев Г. А., Электрический пробой и разрушение твердых диэлектриков, М., 1966; Электрические свойства полимеров, под ред. Б. И. Сажина, 3 изд., Л., 1986; Вершинин Ю. Н., Зотов Ю. А., Перегревная неустойчивость в кристаллических изоляторах в предпробивном электрическом поле, "ФТТ", 1975, т. 17, в. 3, с. 826; Борисова М. Э., Койков С. Н., Физика диэлектриков, Л,, 1979. С. Н. Койков.