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).

Источник

Электрический пробой полупроводникового прибора наступает при

2. Отсутствие сдвига по фазе одноименных напряжений генератора и сети
21.3.002 Защита от минимального напряжения в соответствии с требованиями Морского Регистра судоходства отключает автоматический выключатель фидера генератора с выдержкой времени, в случае, если напряжения генератора стало ниже определенного значения в % от номинальной величины. Укажите это значение в % 0,7 22.1.001 Укажите правильный порядок включения на параллельную работу силового трансформатора напряжения? Включение производится со стороны первичной, а затем вторичной сети 22.1.002 Какое количество силовых трансформаторов должно применяться в составе судовой электроэнергетической системе? Не менее двух 22.1.003 Какие силовые трансформаторы допускается применять на судах? Сухие трансформаторы 22.1.005 Сколько электрических машин входит в состав электромашинных преобразователей? 2 и более 22.1.006 В каком режиме работают электрические машины, входящие в состав в электромашинных преобразователей? Одна электрическая машина работает в двигательном режиме, остальные в генераторном 22.1.007 Могут ли в состав электромашинных преобразователей одновременно входить электрические машины постоянного и переменного тока? Да 22.1.008 Электрический пробой полупроводникового прибора наступает … При превышении напряжением допустимой величины по амплитуде или продолжительности 22.1.009 Тепловой пробой полупроводникового прибора наступает … При превышении током допустимой величины по амплитуде или продолжительности 22.1.010 Допускается ли с помощью мегомметра измерять сопротивление изоляции полупроводниковых вентилей? Нет 22.1.011 Укажите нормальное сопротивление изоляции полупроводниковых преобразователей, находящихся в эксплуатации 1,0 МОм и выше 22.1.012 Укажите предельно допустимое сопротивление изоляции полупроводниковых преобразователей, находящихся в эксплуатации 0,5 МОм 22.2.001 Какую функцию выполняет судовой силовой трансформатор? 1. Преобразовывает величину напряжения
2. Осуществляет гальваническую развязку первичной и вторичной сети
22.2.002 Какие работы необходимо выполнить при техническом обслуживании силовых трансформаторов? 1. Замерить сопротивление изоляции обмоток
2. Обжать внутренние и наружные соединения

3. Проверить затяжку железа магнитопровода

4. Осмотреть магнитопровод, в случае загрязнения протереть ветошью
22.2.003 Какие функции могут выполнять судовые электромашинные преобразователи электроэнергии? 1. Изменять род тока
2. Преобразовывать величину напряжения

3. Изменять частоту электрического тока
22.2.004 Какой полупроводниковый прибор является полностью управляемым (можно открыть и закрыть сигналом на управляющем электроде)? 1. Транзистор
2. Двухоперационный тиристор
22.2.005 Какие действия необходимо выполнить при измерении изоляции полупроводниковых преобразователей? 1. Замкнуть накоротко временной перемычкой полупроводниковые вентили
2. Блоки, модули, печатные платы и другие элементы электроники на время измерений отсоединить или отключить
22.2.006 Какие действия необходимо предпринять, если полупроводниковый преобразователь с естественным охлаждением перегревается? 1. Уменьшить нагрузку преобразователя
2. Применить искусственную вентиляцию

3. Улучшить условия естественного доступа воздуха
22.2.007 В каких случаях необходимо произвести проверку технического состояния полупроводникового преобразователя? 1. При проведении планового технического обслуживания
2. При срабатывании блокировки, сигнализации или защиты

3. При отклонении выходных параметров от заданных величин
22.2.008 Какими электроизмерительными приборами рекомендуется производить измерение напряжения в полупроводниковых преобразователях? 1. Осциллографом
2. Электронным вольтметром

3. Стрелочным вольтметром с высоким внутренним сопротивлением
22.2.009 Какую защиту должны иметь судовые полупроводниковые преобразователи? 1. Защиту от коротких замыканий
2. Защиту от внешних перенапряжений

3. Защиту от внутренних перенапряжений
22.2.010 Какое охлаждение должны иметь полупроводниковые преобразователи? 1. Воздушное естественное
2. Воздушное принудительное
22.3.001 Для защиты судового силового трансформатора напряжения необходимо использовать … автоматических выключателей. Введите числовое значение 2 23.1.002 Укажите значение синусоидально изменяющихся электрических величин переменного тока, которые показывают приборы, установленные на ГРЩ Действующее 23.1.004 Какие измерительные механизмы используются в выпрямительных приборах? Магнитоэлектрические 23.1.005 При каком значении номинального тока в цепи потребителя должны устанавливаться амперметры, согласно требований Российского морского Регистра судоходства? – 20 А и более 23.1.006 Для расширения пределов измерения амперметров при измерении постоянного тока в цепях используется. Сопротивление шунта 23.1.007 Для расширения пределов измерения вольтметров в цепях постоянного тока применяется… Сопротивление добавочного резистора 23.1.008 Для расширения пределов измерения амперметров при измерении переменного тока в цепях используются … Измерительный трансформатор тока 23.1.009 Для расширения пределов измерения вольтметров при измерении напряжения переменного тока используются . Измерительный трансформатор напряжения 23.1.010 К аварийному режиму измерительного трансформатора тока приводит … Размыкание цепи вторичной обмотки трансформатора 23.1.011 Какой режим работы измерительного трансформатора напряжения является наиболее благоприятным? Режим близкий к холостому ходу во вторичной обмотке трансформатора 23.1.012 Электроизмерительные клещи применяются для . Измерения тока 23.1.015 Для измерения сопротивления изоляции судовых цепей используется … Мегаомметр 23.1.016 Счетчики активной энергии могут быть использованы … В цепях синусоидального переменного тока 23.1.017 Назовите основные функции судовой ИИС Измерение и контроль основных параметров электро-энергетических систем 23.1.018 Какой блок ИИС обеспечивает преобразование непрерывного сигнала в дискретный? Аналого-цифровой преобразователь 23.1.021 Первичные преобразователи для измерения температуры с выходом электрического сигнала Терморезисторы и термопары 23.1.022 Функции измерительного канала в ИИС … Обеспечивает количественную оценку состояния контролируемого объекта с выдачей результата измерения в цифровом виде 23.1.024 Для наблюдения за переходными процессами в электрических цепях могут быть использованы … Осциллографы 23.1.025 В какой системе счисления выдается результат измерения на цифровое индицирующее устройство? Десятичной 23.1.027 Какое значение погрешности положено в основу при определении класса точности электроизмерительных приборов? Максимальное значение приведенной погрешности в процентах 23.1.028 Какая погрешность электроизмерительного прибора имеет ту же размерность, что и измеряемая величина? Абсолютная погрешность 24.1.001 Реле напряжения можно отличить от токового реле по Обмотке включающей катушки 24.1.002 Время выдержки электромагнитного реле времени можно увеличить … Уменьшив тягу возвратной пружины 24.1.003 Что произойдёт с контактором переменного тока, если после подачи питания якорь контактора останется в не притянутом положении? Увеличится ток включающей катушки контактора 24.1.004 Как изменится начальный пусковой момент АД с короткозамкнутым ротором при его пуске переключением обмотки статора со ,,звезды” на ,,треугольник”? Момент уменьшится в 3 раза 24.1.006 Сопротивление изоляции при нагреве статорной обмотки ЭД до температуры, определяемой нагрузкой … Уменьшается 24.1.007 Непосредственно у поста управления шлюпочной лебёдкой должно устанавливаться … Выключатель силовой цепи ЭД 24.2.001 От чего зависит скорость вращения магнитного поля статорной обмотки АД с короткозамкнутым ротором? 1. Частоты тока
2. Числа пар полюсов обмотки статора
24.2.003 Длительно допустимая температура нагрева изоляции статорной обмотки ЭД в процессе эксплуатации зависит от … 1. Температуры окружающей среды
2. Класса изоляции статорной обмотки
24.2.004 В процессе работы у ЭД электроприводов машинного отделения необходимо контролировать … 1. Ток нагрузки
2. Температуру нагрева подшипников

3. Температуру нагрева статорной обмотки
24.2.005 В рулевой рубке и у поста управления главными механизмами должна быть предусмотрена световая и звуковая сигнализация … 1. О минимальном уровне масла в любой из цистерн гидравлики
2. Об исчезновении напряжения в цепи питания системы управления

3. Об исчезновении напряжения, обрыве фазы и перегрузке в цепи питания каждого агрегата
24.2.006 Что произойдёт с работающим АД электропривода, если в одной из фаз перегорит предохранитель (или произойдёт обрыв одной фазы)? 1. Будет гудеть
3. Будет работать на двух фазах
25.1.001 Укажите, что необходимо предпринять для автоматического или дистанционного включения механизма или установки остановленных срабатыванием защитного устройства Вручную произвести возврат защитного устройства в исходное стояние 25.1.002 Нужно ли контролировать состояние дизеля при наличии системы автоматического его запуска? Необходимо периодически контролировать состояние дизеля, находящегося в горячем резерве 25.1.004 Разрешается ли отключать устройства автоматического контроля сопротивления изоляции, если установлен щитовой прибор измерения сопротивления изоляции? Разрешается отключать только звуковой сигнал, который после отключения аварийного участка должен быть снова включен 25.1.005 Техническое обслуживание и ремонт электрических средств управления и автоматизации должны производиться в соответствии С инструкцией завода изготовителя 25.1.006 Проверка в действии системы автоматического пуска аварийного дизель-генератора должна производиться Один раз в шесть месяцев 25.1.007 Укажите, какие двигатели переменного тока используются в качестве исполнительных в системах автоматического управления? Двухфазные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором 25.1.008 Укажите, какие датчики в системах автоматического управления используются для измерения электрического тока без разрыва контролируемой цепи? Трансформаторы тока 25.1.009 При неполадках в работе устройств аварийно-предупредительной сигнализации и защиты автоматического регулирования (управления) и необходимости продолжения работы технического средства необходимо Немедленно перейти на ручное регулирование 25.1.010 Укажите, как часто лица, использующие автоматические технические средства, должны проходить учебные тренировки для обработки навыков перехода с автоматического управления на ручное? Периодичность тренировок устанавливает судовладелец 25.1.011 Установки срабатывания и временных задержек средств автоматизации объектов должен контролировать Ответственный по заведованию 25.1.012 При разборке автоматизированного механизма Датчики системы автоматического управления необходимо отсоединить и снять до разборки 25.1.013 Проверка работоспособности запасных электронных блоков, модулей и печатных плат систем управления осуществляется Установкой на несколько часов взамен соответствующих штатных 25.1.014 Укажите, как часто должна производиться поверка датчиков, контролирующих основные параметры энергетической и электроэнергетической установки? Не реже одного раза в четыре года 25.2.001 Укажите, в каких устройствах электрических схем автоматизации из числа перечисленных в ответах используются операционные усилители 1. В фильтрах
3. Усилители постоянного, переменного тока
25.2.002 Какие датчики температуры используются в судовых энергетических установках? 1. Термоэлектрические преобразователи (термопары)
2. Термоэлектрические преобразователи сопротивления
25.2.003 В качестве датчиков частоты в судовых установках используются 1. Индукционные преобразователи
2. Тахогенераторы постоянного тока
25.2.004 Какие устройства судовых систем автоматики используются в качестве датчиков угла рассогласования? 1. Сельсины
2. Поворотные трансформаторы
25.2.006 Укажите, какие действия должен предпринять вахтенных механик при вводе в действие системы дистанционного управления главного двигателя (ГД) и винта регулируемого шланга (ВРШ) 1. Сверить электрочасы регистратора маневров с судовым временем
2. Проверить положение совмещенной рукоятки управления ДАУ и машинного телеграфа

3. Проверить возможность передачи управления ГД и ВРШ из ЦПУ в рулевую рубку и обратно

4. Выполнить пробные пуски ГД с помощью системы ДАУ

5. Проверить до пуска ГД возможность изменения положения лопастей ВРШ
25.2.007 При замене средств автоматизации и их элементов необходимо проверить 1. Работоспособность средств автоматизации
2. Технические характеристики вновь установленных элементов
25.2.008 Укажите, какие действия должен предпринять вахтенный механик при обнаружении неисправности системы ДАУ 1. Немедленно проверить и ввести в действие машинный телеграф
2. По согласованию с вахтенным помощником перейти по управление ГД (ВРШ) из машинного помещения
25.2.009 При отключении средств автоматизации судовых технических средств необходимо 1. Получить разрешение старшего механика
2. Поставить в известность вахтенного механика

3. Зафиксировать отключение в машинном журнале
25.2.010 Напряжение на элементах систем автоматического управления разрешается измерять 1. Электронным вольтметром
2. Стрелочным вольтметром с высоким входным сопротивлением
25.2.011 При подготовке автоматизированных технических средств к действию после продолжительного нерабочего периода необходимо 1. Проверить работоспособность средств автоматизации
2. Проверить работоспособность средств аварийно-предупредительной сигнализации и защиты
25.2.012 Признаками неисправности средств автоматической синхронизации генераторных агрегатов являются 1. Значительные броски тока
2. Понижение напряжения судовой сети в момент включения автоматического включателя генератора по команде синхронизатора
25.2.013 Типовой перечень работ, выполняемых при техническом обслуживании электрических средств автоматизации, включает 1. Замер сопротивления изоляции
2. Очистку датчиков и исполнительных органов

3. Подтяжку контактных и крепежных соединений

4. Очистку и продувку воздухом блоков управления

5. Разъединение и соединение штепсельных соединений

6. Проверку величины напряжения основного и резервного источников питания

Источник

Читайте также: Дефекты столовых приборов из нержавеющей стали