Как проходит электрический пробой

Электрический пробой

Процесс разрушения диэлектрика, наступающий в ходе ударной ионизации электронами вследствие разрыва межатомных, межмолекулярных или межионных связей, называется электрическим пробоем. Продолжительность электрического пробоя по времени лежит в диапазоне от единиц наносекунд до десятков микросекунд.

В зависимости от обстоятельств возникновения, электрический пробой может быть вредным или полезным. Пример полезного электрического пробоя — разряд на свече зажигания в рабочей зоне цилиндра двигателя внутреннего сгорания. Пример вредного пробоя — пробой изолятора на ЛЭП.

В момент электрического пробоя, когда приложено напряжение выше критического (выше напряжения пробоя), в твердом, жидком или газообразном диэлектрике (или полупроводнике) ток резко возрастает. Данное явление может длиться в течение крохотного промежутка времени (наносекунды) или установиться на длительное время, подобно тому, как начинает и продолжает гореть дуга в газе.

Напряженность электрического пробоя Епр (электрическая прочность) того или иного диэлектрика зависит от внутренней структуры диэлектрика, и почти не зависит ни от температуры, ни от размеров образца, ни от частоты приложенного напряжения. Так, у воздуха электрическая прочность в нормальных условиях составляет около 30кВ/мм, у твердых диэлектриков данный параметр лежит в диапазоне от 100 до 1000 кВ/мм, тогда как у жидких он окажется всего порядка 100 кВ/мм.

Чем менее плотно располагаются структурные элементы (молекулы, ионы, макромолекулы и так далее), тем ниже становится напряженность пробоя рассматриваемого диэлектрика, ибо длина свободного пробега электронов становится больше, то есть электроны приобретают достаточную энергию для ионизации атомов или молекул даже при меньшей напряженности приложенных электрических полей.

Неоднородность образующегося в диэлектрике электрического поля, связанная с неоднородностью внутренней структуры твердого диэлектрика, сильно влияет на электрическую прочность такого диэлектрика. Если в однородное по напряженности электрическое поле внести диэлектрик, структура которого неоднородна, то внутри диэлектрика электрическое поле будет неоднородным.

Микротрещины, поры, посторонние включения, имеющие величину напряженности пробоя меньшую, чем сам диэлектрик, породят неоднородности в картине напряженности электрического поля внутри диэлектрика, а значит локальные участки внутри диэлектрика будут иметь большую напряженность и может наступить пробой при напряжении более низком, чем можно было бы ожидать, будь диэлектрик идеально однородным.

Такие представители пористых диэлектриков, как картон, бумага или лакоткань, отличаются особенно низкими показателями напряжения пробоя, ведь электрическое поле, образуемое внутри их объема, резко неоднородно, а значит напряженность на локальных участках будет выше и пробой случится при более низком напряжении. Так или иначе, в твердых телах электрический пробой может протекать по трем механизмам, о которых скажем далее.

Первый механизм электрического пробоя твердого тела — это тот самый внутренний пробой, который связан с приобретением носителем заряда на длине свободного пробега энергии, достаточной для ионизации молекул газа или кристаллической решетки, что увеличивает концентрацию носителей заряда. Здесь свободные носители заряда образуются лавинообразно, следовательно ток увеличивается.

Пробой, протекающий в диэлектрике по данному механизму может быть объемным или поверхностным. Для полупроводников поверхностный пробой может быть сопряжен с так называемым шнуровым эффектом.

Когда кристаллическая решетка полупроводника или диэлектрика разогревается, то может иметь место второй механизм электрического пробоя — тепловой пробой. С ростом температуры свободным носителям заряда становится легче ионизировать атомы решетки, по этой причине пробивное напряжение снижается. И не так важно, произошел ли разогрев от действия на диэлектрик переменного электрического поля или же просто от теплопередачи извне.

Третий механизм электрического пробоя твердого тела — разрядный пробой, причиной которого становится ионизация адсорбированных в пористом материале газов. Примером такого материала являются слюда. Газы, запертые в порах вещества, ионизируются в первую очередь, наступают разряды в газе, которые и приводят затем к разрушению поверхности пор основного вещества.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Электрический пробой

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:

1. 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.
2. 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.

Электрический пробой. Виды и свойства. Особенности

Электрический пробой представляет собой резкое увеличение тока в исследуемой непроводящей среде (например, в вакууме, в газах или в твердых диэлектриках). Большой интерес у исследователей, а также у производителей электронной и электротехнической продукции, вызывает разряд в полупроводниковых, газообразных и жидких средах.

Электрический пробой и его свойства (технические характеристики)

Для полноты описания этого эффекта используется целый ряд показателей, характеризующих его как наблюдаемое на практике физическое явление. В ряде случаев оно происходит при эксплуатации проводников в защитной изоляции и обычно расценивается как аварийная ситуация. Но иногда такой пробой устраивается специально, что наблюдается, например, в газоразрядных осветительных приборах.

Для этого электрического явления характерны следующие показатели:

• Длительность разряда.
• Диэлектрическая прочность изоляционного материала.
• Напряженность электрического поля, вызывающего разряд.

Длительность разряда может составлять величину от нескольких пикосекунд до значительных по длительности временных периодов. Это утверждение касается устойчивого дугового разряда в газовых средах.

С явлением под названием «электрический пробой» неразрывно связана диэлектрическая прочность материала, в которой он наблюдается. Для большинства разновидностей веществ и сред (твердых, жидких и газообразных) этот показатель представляется как постоянная величина, измеряемая в вольтах на сантиметр.

Электрическая напряженность – это предельное значение разности потенциалов, приводящее к пробою изоляции проводника. Для диэлектрических материалов (кварца или слюды, например) данный показатель принимает значения в диапазоне от 106 до 107 В/см. А для диэлектриков в жидком виде (их типичный представитель – трансформаторное масло) он редко достигает величины 106 В/см.

В ситуации, когда электрический пробой наступает в результате превышения напряженностью предельного значения – защитный слой диэлектрика начинает проводить ток. Такое резкое изменение его электротехнических свойств объясняется явлениями туннелирования и ударной ионизации.

Эти эффекты проявляются неодинаково в диэлектриках с различными характеристиками и могут трансформироваться один в другой. При электрическом пробое электропроводность диэлектрика резко увеличивается; при этом сам материал сильно нагревается, а затем частично разрушается.

В газовых средах электрическая прочность зависит от давления наполнителя и толщины его слоя. С повышением первого показателя она снижается, а с увеличением второго – возрастает. В нормальных условиях при толщине воздушного слоя в один сантиметр электрическая прочность принимает значение, близкое к 30 кВ/см (при резком повышении давления она может снижаться до величин порядка 107 В/см).

Электрический пробой в вакууме

Для наблюдения разряда в вакууме потребуется искусственно организованный промежуток между двумя проводящими электродами, из которого откачан воздух. При приложении к нему критического напряжения в пространстве между двумя полюсами появляются свободные электроны. Вполне ожидаемое последствие этого явления – увеличение проводимости в безвоздушном пространстве и появление в нем электрического тока.

Причина появления зарядов в вакууме объясняется очень просто. Оказывается, что при достижении напряженностью поля некоторого предельного значения на острие отрицательного электрода (катода) начинается эмиссионный процесс. Он и является источником свободных электронов, образующих пробойные токи в вакууме. По мере дальнейшего увеличения разности потенциалов между электродами формируется устойчивый электрический разряд, постепенно превращающийся в дуговой пробой.

Физические объяснения пробойного эффекта в вакууме

Известно два обоснования рассматриваемого явления, характерного для разряженных пространств. Согласно первому из них источник такого разряда – это электроны, образовавшиеся в результате эмиссии на катоде. После того, как на них воздействует мощное электрическое поле – заряженные частицы разгоняются до больших скоростей и выбивают из анода вторичные электроны.

Этот эффект – причина локального разогрева второго электрода, приводящего к выделению паров металлов, атомы которых мгновенно ионизируются ускоренными электронами. В результате всех этих процессов формируется так называемая «электронная лавина». В ее состав помимо электронов входят ионы с положительным знаком, которые в общей массе притягиваются к катоду.

Вокруг отрицательного электрода формируется объемный заряд, повышающий напряженность электрического поля и способствующий усилению автоэлектронной эмиссии. А она в свою очередь приводит к началу катодного распыления и к ионно-электронной эмиссии, благодаря которым концентрация газа и паров в разрядном промежутке резко возрастает.

В соответствие со второй из известных теорий эмиссионный ток разогревает катод, так что при электрических плотностях порядка 108 А/м² в этом месте происходит микровзрыв. Именно он и является причиной образования паров металла, которые в дальнейшем формируют дуговой разряд.

Разрядные процессы в газовых средах

В этом случае электрический пробой – это следствие появления электрического тока из-за ионизации газовой среды. Она сопровождается беспорядочным столкновением разогнанных до высокой скорости электронов с атомами и молекулами газа. Их результат – лавинообразное увеличение объема заряженных частиц с образованием новых элементов, которые также ускоряются полем и усиливают ионизацию.

Иногда для поддержания разряда в газовой среде применяется «подкачка» от внешнего источника ионизирующего излучения. В этом случае образовавшийся в газе разряд называют «несамостоятельным».

Молния – классический пример электрического пробоя

При изучении этого природного явления обнаружилась аналогия с так называемым «пробоем на убегающих электронах». Этот эффект был обнаружен и изучен в 1992 году российский физиком А. В. Гуревичем. По предположению ученого эта разновидность пробоя в газе напоминает начальную фазу формирования разряда молнии.

Суть явления заключается в следующих проверенных фактах:

• Присутствующие в воздухе электроны в обычных условиях характеризуются сравнительно малой длиной свободного пролета (не более 1 мкм).
• Однако в этой среде также встречаются «быстрые» заряженные частицы, имеющие энергию от 0,3 до 1 МэВ.
• Они движутся в воздухе со скоростями, близкими к световой величине и имеют длину пролета, в сотни раз превышающую тот же показатель для обычных частиц.

Образующееся во время грозы электрическое поле способно ускорить находящиеся в атмосфере быстрые электроны до энергий значительной величины. При их столкновении с молекулами воздуха начинается выбивание «убегающих» заряженных частичек и формирование электронной лавины. В результате наблюдается мгновенный пробой воздушного промежутка, происходящий при нормальном атмосферном давлении (это и есть полноценная молния).

Для ее протекания нет необходимости в очень высокой напряженности поля, поскольку атмосфера в грозовых облаках насыщена «убегающими» электронами. Причина появления «быстрых» частиц в области грозы – космические излучения, ионизирующие молекулы воздуха в высших слоях атмосферы.

Тепловой и лавинный пробой в полупроводниках и диэлектриках

При сильном термическом нагреве кристаллической решетки рассматриваемых материалов в их структуре может произойти тепловой электрический пробой. Это объясняется тем, что с увеличением температуры вещества имеющиеся в нем свободные электроны приобретают энергию, достаточную для ионизации элементов кристаллической решетки. Вследствие этого значение критического напряжения (порога пробоя для данного вещества) резко снижается.

Для его разрушения вполне достаточно одного из следующих событий:

• Поступление даже небольшой порции тепла извне.
• Протекания по диэлектрическому материалу или полупроводнику тока выбранной величины.
• Нарушение условий качественного отвода тепла от массы вещества или материала.

Для p-n-переходов в полупроводниках тепловой электрический пробой – как правило, процесс необратимый. Он чаще всего наблюдается при превышении предельного обратного напряжения, значение которого может понизиться вследствие перегрева структуры материала. Выход из строя полупроводниковых приборов – самый типичный пример нарушения теплового режима.

Лавинный пробой

Под действием очень сильного электрического поля носители заряда, всегда имеющиеся в диэлектриках или полупроводниках, уже на отрезке свободного пролета могут разогнаться до сверхвысоких скоростей. Благодаря этому они приобретают кинетическую энергию, вполне достаточную ударной ионизации элементов структуры.

При столкновении таких разогнанных электронов с атомами или молекулами вещества внутри его образуются пары полярно заряженных частиц. Они в свою очередь также разгоняются электрическим полем и вызывают лавинно нарастающую повторную ионизацию.

Электрический пробой и электрическая прочность: виды и причины явления

Резкое возрастание величины тока в вакууме, а также в газообразном, жидком или твердом диэлектрике, либо в полупроводнике, связанное с приложением к объему образца напряжения, величина которого превышает некое критическое значение, именуют электрическим пробоем. Электрический пробой как явление может длиться от нескольких пикосекунд до довольно продолжительного времени, как например в случае установления устойчивого дугового разряда в газе.

С явлением электрического пробоя тесно связана такая характеристика как электрическая (или диэлектрическая) прочность. Для твердых и жидких диэлектриков, а также для газов, электрическая прочность в заранее определенных условиях является величиной постоянной и выражается в В/см (вольт на сантиметр).

Она обозначает величину минимальной (критической) напряженности электрического поля в веществе, при которой наступает электрический пробой. Для твердых диэлектриков, таких как кварц или слюда, электрическая прочность лежит в диапазоне от 10 6 до 10 7 В/см, для жидких диэлектриков (таких как трансформаторное масло) — достигает 10 6 В/см.

Если напряженность электрического поля в диэлектрике вдруг начинает превышать его электрическую прочность, то после пробоя диэлектрик начинает проводить электрический ток. Это связано с явлениями ударной ионизации и туннелирования, причем роли каждого из этих двух явлений для разных конкретных диэлектриков различны. В условиях пробоя электропроводность диэлектрика возрастает скачком, а сам диэлектрик зачастую испытывает при этом перегрев и разрушается.

У газов электрическая прочность связана с давлением и толщиной слоя, — чем выше давление — тем ниже электрическая прочность: при нормальных условиях в воздухе, при толщине слоя в 1 см, электрическая прочность находится в районе 30 кВ/см, однако с понижением давления она может доходить до 10 7 В/см.

Электрический пробой вакуума

В вакууме, в промежутке между двумя проводящими электродами, к которым приложено критическое электрическое напряжение, появляются свободные электроны. Как следствие — проводимость в промежутке увеличивается и возникает электрический ток.

Суть происходящего заключается в том, что при некотором минимальной напряжении, на микроостриях катода (отрицательного электрода) сначала начинается автоэлектронная эмиссия, формирующая слабые предпробойные токи.

Когда же напряжение возрастает, между электродами формируется искровой разряд, который в принципе способен превратиться в дугу в парах металла, из которого изготовлены электроды. Есть две теории, описывающие данный процесс.

Согласно одной — электронно-лучевой теории — электроны, образовавшиеся в результате автоэлектронной эмиссии на катоде, будучи ускорены электрическим полем в промежутке, врезаются в анод, вызывая его локальный разогрев. Выделяются газы и пары металлов, атомы которых тут же ионизируются ускоренными электронами, в результате формируется электронная лавина.

Положительно заряженные ионы, получившиеся в результате такой ионизации, направляются к катоду, формируя возле него пространственный заряд, локально увеличивающий электрическую напряженность возле катода, что способствует усилению автоэлектронной эмиссии.

Вместе с этим начинается ионно-электронная эмиссия и катодное распыление. Концентрация паров металлов и газов в промежутке возрастает, вследствие чего развиваются искровой и дуговой разряды.

Согласно другой теории, ток автоэлектронной эмиссии разогревает катод, и при плотностях тока около 10 8 А/кв.м, на катоде происходит микровзрыв, приводящий к образованию паров металла, в которых и формируется дуговой разряд.

Электрический пробой газа

В газах электрический пробой напрямую связан с электрическим током и процессом ионизации. В результате столкновений электронов, ускоренных электрическим полем, с атомами и молекулами газа, начинается лавинообразное размножение заряженных частиц с образованием новых электронов, которые также ускоряются и усиливают ионизацию, формируя самостоятельный разряд.

Если для поддержания разряда в газе требуется дополнительная ионизация, например, внешним ионизирующим излучением, то такой разряд называется несамостоятельным. Обычно для поддержания разряда в газе применяют постоянное или переменное электрическое поле. В процессе разряда в газе, движущиеся ионы увлекают за собой молекулы газа, это называют электрическим ветром.

Молния как электрический пробой газа

Так называемый «пробой на убегающих электронах» впервые в 1992 году рассмотрел российский физик-теоретик Александр Викторович Гуревич. Данный вид пробоя в газе, как полагают, является начальной фазой формирования природной молнии.

Суть заключается в том, что электроны в воздухе при обычных условиях отличаются небольшой средней длиной свободного пробега — около 1 мкм. Среди электронов в воздухе встречаются быстрые электроны — с энергиями от 0,3 до 1 МэВ, которые движутся со скоростями близкими к скорости света. Такие быстрые электроны отличаются от «обычных» электронов в 100 раз большей средней длиной свободного пробега.

Электрическое поле в атмосфере способно ускорить быстрые электроны до энергий, сильно превышающих энергию обычных, изначально покоившихся электронов. При столкновении ускоренных электронов с молекулами воздуха, высвобождаются «убегающие» релятивистские электроны, формирующие электронные лавины.

Таким образом происходит пробой воздуха при атмосферном давлении, причем напряжение пробоя оказывается сильно меньше, чем при пробое воздуха (тоже при атмосферном давлении) в лабораторных условиях. Здесь критический уровень равен около 2,16 кВ/см, тогда как без «убегающих» электронов потребовалось бы 23 кВ/см.

Источником, отвечающим за образование быстрых электронов в атмосфере, изначально являются космические лучи, ионизирующие молекулы воздуха в верхних слоях атмосферы, высвобождающие таким образом релятивистские электроны, которые и рассматриваются как «быстрые».

Тепловой пробой полупроводников и диэлектриков

При чрезмерном разогреве кристаллической решетки полупроводника или диэлектрика может случиться его тепловой пробой. Суть в том, что с ростом температуры вещества, свободные электроны в нем приобретают энергию, близкую к той, которой достаточно для ионизации атомов кристаллической решетки. В связи с этим пробивное (критическое) напряжение данного вещества снижается.

Так, в результате передачи тепла к полупроводнику извне, либо вследствие протекания по нему тока, или из-за протекания переменного тока внутри диэлектрика (тепло диэлектрических потерь), в условиях когда тепло не успевает уходить в окружающую среду, может произойти термическое разрушение образца.

Для полупроводникового p-n-перехода тепловой пробой является необратимым, и, как правило, является следствием превышения обратного напряжения, которое из-за разогрева полупроводника уменьшилось. Именно таким путем часто вызывается выход из строя полупроводниковых приборов.

Лавинный пробой в диэлектриках и полупроводниках

Под действием сравнительно сильного электрического поля внутри диэлектрика или полупроводника, носители заряда в нем способны уже на расстоянии длины свободного пробега разогнаться до такой степени, что приобретают кинетическую энергию достаточную для того чтобы произвести ударную ионизацию атомов или молекул.

В итоге, от столкновений с атомами или молекулами таких ускоренных носителей заряда, внутри вещества образуются пары противоположно заряженных частиц, которые также начинают разгонятся электрическим полем и тоже производят ударную ионизацию. При этом число участвующих в ударной ионизации заряженных частиц нарастает лавинообразно.

Туннельный пробой и эффект Зенера

Туннельный эффект, проявляющийся как квантовомеханическое явление просачивания электронов через тонкий потенциальный (энергетический) барьер, способен вызвать явление резкого нарастания тока через обратносмещенный p-n-переход — туннельный пробой.

Суть эффекта состоит в том, что когда p-n-переход находится в обратносмещенном состоянии, энергетические зоны — зона проводимости и валентная зона — перекрываются. В данных условиях электроны имеют возможность переходить из валентной зоны p-области — в зону проводимости n-области.

Электрическое поле, приложенное к обедненному слою полупроводника, вызывает в нем туннелирование электронов из валентной зоны — в зону проводимости, что и выражается как резкое нарастание обратного тока через p-n-переход. Если данный ток как-то ограничен, то пробой обратим и p-n-переход не разрушается (а при лавинном пробое — разрушается).

В сильнолегированных p-n-переходах туннельный эффект наблюдается уже при напряжении менее 5 вольт, пробой является обратимым и относится к чистому эффекту Зенера (применяется в стабилитронах — диодах Зенера).

Надеюсь, что эта статья была для вас полезной. Смотрите также другие статьи в категории Электрическая энергия в быту и на производстве » В помощь начинающим электрикам