Курсовая работа по дисциплине: «Физика полупроводников и диэлектриков» на тему: «Диэлектрические потери. Диэлектрическая перфорация, механизмы диэлектрической перфорации»

2.3 Тепловой пробой

Тепловой пробой возникает в том случае, когда количество тепловой энергии, выделяющейся в диэлектрике за счет диэлектрических потерь, превышает то количество энергии, которое может рассеиваться в данных условиях; при этом нарушается тепловое равновесие, а процесс приобретает лавинообразный характер.
Явление теплового пробоя сводится к разогреву материала в электрическом поле до температур, соответствующих расплавлению, обугливанию и пр. Электрическая прочность при тепловом пробое является характеристикой не только материала, но и изделия из него, тогда как электрическая прочность при электрическом пробое служит характеристикой самого материала. Пробивное напряжение, обусловленное нагревом диэлектрика, связано с частотой напряжения, условиями охлаждения, температурой окружающей среды и др. Кроме того, «электротепловое пробивное напряжение» зависит от нагревостойкости материала; органические диэлектрики (например, полистирол) имеют более низкие значения электротепловых пробивных напряжений, чем неорганические (кварц, керамика), при прочих равных условиях вследствие их малой нагревостойкости.
Когда количество тепловой энергии, выделяющейся в диэлектрике за счет диэлектрических потерь, превышает то количество энергии, которое может рассеиваться в данных условиях; при этом нарушается тепловое равновесие, а процесс приобретает лавинообразный характер.
Теплового явление пробоя сводится к разогреву материала в электрическом поле до температур, соответствующих расплавлению, обугливанию и пр. Электрическая прочность при тепловом пробое является характеристикой не только материала, но и изделия из него, тогда как электрическая прочность при электрическом пробое служит характеристикой самого материала. Пробивное напряжение, обусловленное нагревом диэлектрика, связано с частотой напряжения, условиями охлаждения, температурой окружающей среды и др. Кроме того, «электротепловое пробивное напряжение» зависит от нагревостойкости материала; органические диэлектрики (например, полистирол) имеют более низкие значения электротепловых пробивных напряжений, чем неорганические (кварц, керамика), при прочих равных условиях вследствие их малой нагревостойкости.

Типичными признаками теплового пробоя является экспоненциальное уменьшение пробивного напряжения с ростом температуры окружающей среды, а также снижение электрической прочности с увеличением времени выдержки диэлектрика в электрическом поле (при относительно малых значениях ).

Тепловой пробой возникает в том случае, когда количество тепловой энергии, выделяющейся в диэлектрике за счет диэлектрических потерь, превышает то количество энергии, которое может рассеиваться в данных условиях; при этом нарушается тепловое равновесие, а процесс приобретает лавинообразный характер.
Явление теплового пробоя сводится к разогреву материала в электрическом поле до температур, соответствующих расплавлению, обугливанию и пр. Электрическая прочность при тепловом пробое является характеристикой не только материала, но и изделия из него, тогда как электрическая прочность при электрическом пробое служит характеристикой самого материала. Пробивное напряжение, обусловленное нагревом диэлектрика, связано с частотой напряжения, условиями охлаждения, температурой окружающей среды и др. Кроме того, «электротепловое пробивное напряжение» зависит от нагревостойкости материала; органические диэлектрики (например, полистирол) имеют более низкие значения электротепловых пробивных напряжений, чем неорганические (кварц, керамика), при прочих равных условиях вследствие их малой нагревостойкости.

Рассмотрим методику упрощенного расчета пробивного напряжения при тепловом пробое. Пусть пластинка однородного диэлектрика, обладающего потерями, находится между двумя электродами, как показано на рис. 3.9, а. К электродам от достаточно мощного источника переменного тока прикладывается напряжение, которое можно увеличивать до пробоя образца. Значение рассеиваемой в диэлектрике мощности определяется выражением (2.6).

Механизм теплового пробоя наиболее вероятен при повышенных температурах, когда можно ожидать, что преобладающими будут потери сквозной электропроводности. Поэтому при использовании экспоненциальной зависимости от температуры после преобразования выражения (2.6) для рассеиваемой мощности получим:

,

(2.1)

где – приложенное напряжение; – частота; – относительная диэлектрическая проницаемость (считаем ее не зависящей от температуры); – тангенс угла потерь диэлектрика при температуре окружающей среды; – температурный коэффициент тангенса угла диэлектрических потерь; – температура нагретого за счет диэлектрических потерь материала; – температура окружающей среды; – площадь электрода; – толщина диэлектрика.
Температура по всему объему материала, находящегося в поле между электродами (краевым эффектом пренебрегаем), одинакова, если толщина диэлектрика не очень велика и теплопроводность его не слишком плохая (достаточно справедливое допущение).
Рассмотрим методику упрощенного расчета пробивного напряжения при тепловом пробое. Пусть пластинка однородного диэлектрика, обладающего потерями, находится между двумя электродами, как показано на рис. 3.9, а. К электродам от достаточно мощного источника переменного тока прикладывается напряжение, которое можно увеличивать до пробоя образца. Значение рассеиваемой в диэлектрике мощности определяется выражением (2.6).
Механизм теплового пробоя наиболее вероятен при повышенных температурах, когда можно ожидать, что преобладающими будут потери сквозной электропроводности. Поэтому при использовании экспоненциальной зависимости от температуры после преобразования выражения (2.6) для рассеиваемой мощности получим:

,

(2.1)

Так как теплопроводность металла электродов за редким исключением на два-три порядка больше, чем теплопроводность диэлектрика, будем считать, что теплоотвод из нагревающегося объема производится в окружающую среду через электроды (теплоотводом через торцевую поверхность диэлектрика пренебрегаем). Мощность, отводимую от диэлектрика, выразим с помощью формулы Ньютона:

,

(2.2)

где – суммарный коэффициент теплопередачи от диэлектрика во внешнюю среду.
Для наглядности дальнейших рассуждений воспользуемся графическим построением, показанным на рис. 2.1, б, где в выбранной системе координат изображены экспоненты тепловыделения при различных значениях приложенного напряжения и прямая теплопередачи .

Пояснение к расчету пробивного напряжения при тепловом пробое
При значении приложенного напряжения прямая теплопередачи является секущей кривой тепловыделения, а следовательно, диэлектрик нагреется до температуры , при которой наступит состояние устойчивого теплового равновесия, так как мощность тепловыделения равна мощности, отводимой от образца. Если бы по каким-то причинам температура хотя бы немного превысила значение , то ординаты отводимой мощности были бы больше ординат тепловыделения и образец самопроизвольно должен был бы возвратиться в устойчивое состояние при температуре . (Считаем, что никаких внешних источников радиации, способных повысить температуру образца выше , нет). Напряжение будет не опасным для образца диэлектрика в данных условиях, если нагрев до температуры  не приведет к механическому или химическому разрушению структуры материала. Поэтому начнем увеличивать напряжение и доведем его до такого значения , при котором прямая теплопередачи окажется касательной к кривой тепловыделения, и, следовательно, будет только неустойчивое тепловое равновесие при температуре . При значении приложенного напряжения , большем , никакого теплового равновесия не будет, температура станет нарастать безгранично до разрушения диэлектрика. Таким образом, напряжение , при котором имеет место неустойчивый граничный режим, может быть принято за напряжение теплового пробоя . Его можно определить по двум условиям:

(2.3)

и

.

(2.4)

Условие (2.4) справедливо только для граничного режима, тогда как условие (2.3) выполняется для всех случаев устойчивой работы диэлектрика под напряжением.
Используя (2.1) – (2.4), имеем:

,	(2.5)
.	(2.6)