電気的故障

誘電体の破壊のプロセスは、電子による衝撃イオン化中に原子間、分子間、またはイオン間の結合の破壊によって発生し、電気的破壊と呼ばれます。電気的故障の継続時間は、数ナノ秒から数十マイクロ秒まで変化します。

発生状況に応じて、電気的損傷は有害な場合もあれば有益な場合もあります。有用な電気的故障の例は、内燃機関シリンダーの作動領域での点火プラグの放電です。有害な故障の例としては、電力線の絶縁体の故障が挙げられます。

電気的破壊の瞬間、臨界電圧を超える (破壊電圧を超える) 電圧が印加されると、固体、液体、または気体の誘電体 (または半導体) 内の電流が急激に増加します。この現象は、短時間 (ナノ秒) 継続することもあれば、アークが発生してガス内で燃え続けるのと同じように、長期間にわたって確立されることもあります。

特定の誘電体の絶縁破壊強度 Epr (絶縁耐力) は、誘電体の内部構造に依存し、温度、サンプルのサイズ、印加電圧の周波数にはほとんど依存しません。したがって、空気の場合、通常の条件下での絶縁耐力は約 30 kV/mm ですが、固体誘電体の場合、このパラメータは 100 ～ 1000 kV/mm の範囲にありますが、液体の場合、それはわずか約 100 kV/mm になります。

構造要素 (分子、イオン、高分子など) の密度が高くなるほど、電子の平均自由行程が大きくなり、電子が誘電体をイオン化するのに十分なエネルギーを獲得するため、対象とする誘電体の破壊強度は低くなります。印加される電界の強度が低い場合でも、原子または分子を保護します。

誘電体内に形成される電界の不均一性は、固体誘電体の内部構造の不均一性に関連し、大きな影響を与えます。 そのような誘電体の絶縁耐力…構造が不均一な誘電体が同じ強度の電場に導入されると、誘電体の内部の電場は不均一になります。

誘電体自体よりも破壊強度の値が小さい微小亀裂、細孔、外部介在物は、誘電体内の電界強度パターンに不均一性を生じさせます。つまり、誘電体の内部の局所領域の強度が高くなります。また、絶縁破壊は、誘電体よりも低い電圧で発生する可能性があります。完全に均質な誘電体から期待されるものです。

ボール紙、紙、ワニスを塗った布などの多孔質誘電体の代表的なものは、その体積内に形成される電界が著しく不均一であるため、特に低い絶縁破壊電圧の指標によって区別されます。これは、局所領域の強度がより高くなり、電圧が低いと故障が発生します。何らかの形で、固体粒子では、以下で説明する 3 つのメカニズムによって電気的破壊が進行する可能性があります。

固体の電気的破壊の最初のメカニズムは、同じ内部破壊です。これは、ガス分子または結晶格子をイオン化するのに十分な平均自由エネルギー経路に沿った電荷キャリアの獲得に関連しており、これにより電荷キャリアの濃度が増加します。ここでは、電荷の自由キャリアがなだれとして形成されるため、電流が増加します。

このメカニズムに従って誘電体で発生する破壊は、バルクまたは表面で発生する可能性があります。半導体の場合、表面破壊はいわゆるフィラメント効果に関連している可能性があります。

半導体または誘電体の結晶格子が加熱されると、電気的破壊の 2 番目のメカニズムである熱的破壊が発生する可能性があります。温度が上昇すると、自由電荷キャリアが格子原子をイオン化しやすくなります。したがって、耐圧が低下します。そして、加熱が誘電体上の交流電場の作用によって起こったのか、それとも単に外部からの熱の伝達によって起こったのかはそれほど重要ではありません。

固体の電気的破壊の 3 番目のメカニズムは、多孔質材料に吸着されたガスのイオン化によって引き起こされる放電破壊です。このような材料の一例はマイカである。物質の細孔内に閉じ込められたガスはまずイオン化され、ガス漏れが発生し、基材の細孔表面の破壊につながります。