عطل كهربائي

تسمى عملية تفكك العازل ، والتي تحدث أثناء تأين التصادم بالإلكترونات بسبب تمزق الروابط بين الجزيئات أو الروابط بين الجزيئات ، بالانهيار الكهربائي. تتراوح المدة الزمنية للفشل الكهربائي من بضع نانو ثانية إلى عشرات الميكروثانية.

اعتمادًا على ظروف حدوثه ، يمكن أن يكون التلف الكهربائي ضارًا أو مفيدًا. مثال على الانهيار الكهربائي المفيد هو تفريغ شمعة الاحتراق في منطقة عمل أسطوانة محرك الاحتراق الداخلي. مثال على الفشل الضار هو فشل عازل على خط الكهرباء.

في لحظة الانهيار الكهربائي ، عندما يتم تطبيق جهد أعلى من الحرج (أعلى من جهد الانهيار) ، يزداد التيار في مادة عازلة صلبة أو سائلة أو غازية (أو أشباه الموصلات) بشكل حاد. يمكن أن تستمر هذه الظاهرة لفترة قصيرة من الزمن (نانوثانية) أو تنشأ لفترة طويلة ، تمامًا كما يبدأ القوس ويستمر في الاحتراق في الغاز.

تعتمد قوة الانهيار الكهربائي (قوة العزل) لهذا العازل أو ذاك على البنية الداخلية للعزل الكهربائي وهي مستقلة تقريبًا عن درجة الحرارة ، ولا عن حجم العينة ، ولا عن تردد الجهد المطبق. لذلك ، بالنسبة للهواء ، تبلغ قوة العزل الكهربائي في الظروف العادية حوالي 30 كيلو فولت / مم ، وبالنسبة للعوازل الصلبة ، تتراوح هذه المعلمة من 100 إلى 1000 كيلو فولت / مم ، بينما ستكون للسائل حوالي 100 كيلو فولت / مم فقط.

كلما زادت كثافة العناصر الهيكلية (الجزيئات ، والأيونات ، والجزيئات الكبيرة ، وما إلى ذلك) ، كلما قلت قوة الانهيار للعزل الكهربائي ، نظرًا لأن متوسط ​​المسار الحر للإلكترونات يصبح أكبر ، أي أن الإلكترونات تكتسب طاقة كافية لتأين الذرات أو الجزيئات حتى مع كثافة أقل من المجالات الكهربائية المطبقة.

يؤثر عدم تجانس المجال الكهربائي المتكون في العازل ، المرتبط بعدم تجانس الهيكل الداخلي للعازل الصلب ، بشدة قوة عازلة من هذا القبيل عازلة... إذا تم إدخال مادة عازلة ذات هيكل غير متجانس في مجال كهربائي ذي قوة متساوية ، فإن المجال الكهربائي داخل العازل سيكون غير متجانس.

الشقوق الصغيرة ، المسام ، الشوائب الخارجية التي لها قيمة مقاومة انهيار أصغر من العازل نفسه ستولد عدم تجانس في نمط شدة المجال الكهربائي داخل العازل ، مما يعني أن المناطق المحلية داخل العازل سيكون لها قوة أعلى. ويمكن أن يحدث الانهيار عند الفولتية أقل من من المتوقع من عازل متجانس تمامًا.

يتميز ممثلو العوازل المسامية ، مثل الورق المقوى أو الورق أو القماش المطلي ، بمؤشرات منخفضة بشكل خاص لجهد الانهيار ، نظرًا لأن المجال الكهربائي المتكون في حجمهم غير متجانس بشكل حاد ، مما يعني أن الكثافة في المناطق المحلية ستكون أكثر - عالية و سيحدث الانهيار عند جهد منخفض. بطريقة أو بأخرى ، في الجسيمات الصلبة ، يمكن أن يستمر الانهيار الكهربائي بثلاث آليات ، والتي سنناقشها أدناه.

الآلية الأولى للانهيار الكهربائي لمادة صلبة هي نفس الانهيار الداخلي ، والذي يرتبط باكتساب حامل شحنة على طول مسار الطاقة الحرة ، وهو ما يكفي لتأيين جزيئات الغاز أو الشبكة البلورية ، مما يزيد من تركيز ناقلات الشحنة. هنا ، تتشكل ناقلات الشحن المجانية على شكل انهيار جليدي ، وبالتالي تزداد الزيادة الحالية.

يمكن أن يكون الانهيار الذي يحدث في عازل وفقًا لهذه الآلية كتلة أو سطحًا. بالنسبة لأشباه الموصلات ، يمكن أن يكون انهيار السطح مرتبطًا بما يسمى التأثير الخيطي.

عندما يتم تسخين الشبكة البلورية لأشباه الموصلات أو العازل الكهربائي ، يمكن أن تحدث آلية ثانية للانهيار الكهربائي ، الانهيار الحراري. مع ارتفاع درجة الحرارة ، تصبح حاملات الشحن المجاني أسهل في تأين ذرات الشبكة ؛ لذلك ينخفض ​​جهد الانهيار. وليس من المهم جدًا ما إذا كان التسخين قد حدث من فعل مجال كهربائي متناوب على العازل أو ببساطة من انتقال الحرارة من الخارج.

الآلية الثالثة للانهيار الكهربائي لمادة صلبة هي انهيار التفريغ ، والذي يحدث بسبب تأين الغازات الممتصة في مادة مسامية. مثال على هذه المواد هو الميكا. الغازات المحتبسة في مسام المادة هي أولاً وقبل كل شيء مؤينة ، وتحدث تسربات الغاز ، والتي تؤدي بعد ذلك إلى تدمير سطح مسام المادة الأساسية.