Электрический пробой

Почему же при больших напряженностях электрического поля диэлектрик начинает проводить электрический ток, что происходит в материале?

В исходном состоянии диэлектрик не проводит электрический ток, так как в нем ничтожно мало свободных зарядов, которые могли бы перемещаться в электрическом поле. Раз носителей заряда практически нет, значит, ток в материале близок к нулю. Но при больших напряженностях электрического поля проводимость диэлектрика начинает резко возрастать и достигает значений проводимостей проводников. Откуда же берутся в огромном количестве свободные носители зарядов?

Для этого рассмотрим диэлектрик, помещенный в электрическое поле рис.19. Если в нем имеется свободная заряженная частица, то под действием электрического поля она будет двигаться, причем ускоряясь, все быстрее и быстрее. Чем дольше разгоняется частица, тем большей скорости она достигает. Этот разгон длится до момента столкновения частицы с препятствием, например, молекулой или ионом. В этом случае при столкновении заряженная частица отскочит и, соответственно, потеряет скорость направленного движения. Затем процесс разгона заряженной частицы начинается заново. Далее эти процессы будут повторяться: частица разгоняется, затем сталкивается с препятствием, теряет свою энергию, снова разгоняется и т. д.

Время, в течении которого частица разгоняется и двигается без столкновений, называется временем релаксации τ, а расстояние, которое она пролетает за это время – длиной свободного пробега λ. Кинетическая энергия W_к, приобретаемая частицей, находится по формуле

W_к= g ×Е ×l , (1.15)

где g – заряд частицы, Е –.напряженность электрического поля.

невелика, то этот процесс происходит периодически, и приводит сквозной электропроводности диэлектриков, величина которой очень мала.

В случае возрастания длины свободного пробега или при возрастании напряженности электрического поля, энергия W_к, приобретаемая частицей, увеличится (*). Если энергия W_к превысит энергию необходимую для ионизации атома или молекулы, то характер процесса изменится. Теперь при столкновении с молекулой частица будет выбивать из нее электрон (рис.20.). В итоге получатся две свободные заряженные частицы, которые в электрическом поле вновь начнут двигаться. При следующем столкновении каждая из них выбьет еще по электрону, следовательно, свободных частиц станет уже четыре. Далее их станет восемь, шестнадцать и т. д. Количество свободных заряженных частиц будет очень быстро возрастать в геометрической прогрессии. В результате получается среда с очень большим количеством свободных зарядов, то есть проводящий по свойствам материал. Такой механизм появления свободных зарядов называют ударной ионизацией, и он приводит к электрическому пробою.