Электрохимический пробой

В диэлектрике под действием электрического поля происходят различные химические процессы, что с течением времени приводит к изменению химического состава диэлектрика: в нем появляются продукты разложения исходного материала, окисления, диссоциации и др. В результате свойства диэлектрика изменяются: увеличивается проводимость, снижается электрическая прочность. Например, трансформаторное масло, со временем темнеет, в нем появляется осадок, выделяются газовые пузырьки – это признаки старения материала. Его изоляционные свойства ухудшаются и если масло своевременно не заменить, то происходит электрохимический пробой.

В зависимости от условий эксплуатации и окружающей среды в одном и том же материале могут происходить разные виды пробоев. Например, при росте температуры окружающей среды, электрический пробой переходит в электротепловой. На рис.22. приведен график электрической прочности электротех-нического фарфора от температуры среды. Область температур А соответствует электрическому пробою, область В – электротепловому.

 

· Кривая жизни диэлектрика

С течением времени диэлектрические свойства материала ухудшаются. Этот процесс называют старением материала. Он связан с изменением химического состава, вследствие окисления коррозии, светового и механического воздействия, нарушения структуры, разложения и т.д. Стабильность свойств материала зависит от прочности химической связи между атомами и молекулами диэлектрика. Зависимость электрической свойств от времени называется кривой жизни диэлектрика. На рис.23. приведены кривые жизни для полиэтилена (–C₂H₄–)_n и второпласта (–C₂F₄–)_n. Поскольку прочность связи C–F 450 кДж/моль выше , чем связи C–H 290 кДж/моль, то и время жизни второпласта оказывается больше , чем у полиэтилена.

 

· Контрольные вопросы

1. Какие материалы называют диэлектрическими?

2. Где их применяют?

3. Перечислите типы химических связей в диэлектриках.

4. Какие процессы происходят в диэлектриках, помещенных в электрическое поле?

5. Что происходит при поляризации?

6. Каковы механизмы поляризации?

7. Отчего зависит электропроводность диэлектрика?

8. Чем характеризуются диэлектрические потери?

9. Какие виды пробоя происходят в диэлектриках?

10. Что происходит при электрическом пробое?

 

 

1.2. ПОЛУПРОВОДНИКИ

 

У полупроводников энергетическая щель Е_g между зонами валентности и проводимости составляет около 1 эВ. При поглощении валентным электроном кванта энергии большего ширины запрещенной зоны, электрон переходит на свободные уровни зоны проводимости и получает возможность перемещаться (рис.24.).

Для возбуждения электрона ему нужно сообщить значительную энергию, например с помощью нагрева. Чем выше температура нагрева полупроводника, тем более вероятен перескок электрона из валентной зоны в зону проводимости. Другими способами возбуждения электронов могут быть световое облучение, проникающая радиация, наложение сильного электрического поля и т.д.

Ширина запрещенной зоны у типичных полупроводников германия E_g = 0,66 эВ; кремния E_g = 1,12 эВ; арсенида галлия E_g = 1,43 эВ.

У полупроводника количество свободных носителей заряда больше чем у диэлектриков, но меньше чем у проводников.

Проводимостьs_e, обусловленная подвижными электронами, равна

σ_e=n_eqμ_e, (2.1)

где n_e – концентрация свободных электронов, – подвижность электронов.

Когда электрон выскакивает из ковалентной связи, он становится электроном проводимости. На его месте появляется незанятое место или дырка. На это незанятое место может перескочить электрон из соседней связи, т.е. дырка заполнится в одном месте, но появится в соседнем. Таким образом дырка может перемещаться по кристаллу, и это перемещение дырки эквивалентно движению положительно заряженной частицы. Значит при возбуждении электрона, в кристалле появляются два подвижных носителя заряда противоположных знаков: отрицательный электрон и положительная дырка.

Дырочную проводимость s_p можно вычислить по формуле:

σ_p=n_pqμ_p, (2.2)

где n_p – концентрация дырок, – подвижность дырок.

В свою очередь, концентрации электронов и дырок определяются соотношением:

 

, (2.3)

, (2.4)

где N_e0 и N_p0 – константы, k –постоянная Больцмана, T – абсолютная температура.

Общая проводимость равна сумме электронной и дырочной проводимостей

σ= σ_e+ σ_p, (2.5)