質問: 低電圧での絶縁破壊について 空気の絶縁破壊は一般に1mmで3kvと言われていますが、 2mm離した(鋭利でないただの鉄板と仮定)電極をわずか500v程度で強制的に絶縁破壊を起こさせたいのですが、強制的に絶縁破壊を起こさせる方法はあるでしょうか?
回答: 気体の絶縁破壊電圧(火花電圧)は一般にパッシェン(paschen)の法則に従います。 平行平板電極などの平等電界条件におけるパッシェン曲線は高電圧工学の教科書等によく掲載されています。 具体的には、絶縁破壊電圧は、気圧pと電極間距離dの積(pd)の関数となります。 空気の場合、大気圧=10^5 pa×0.1 cm = 10^4 pa・cmの絶縁破壊電圧は約3 kvとなります。 この状態からpdを減少させていく(電極間距離dが一定の場合は気圧pを下げる)と、絶縁破壊電圧は減少(両対数グラフに描くとほぼ直線的に減少)します。そして空気の絶縁破壊電圧の極小値は約300 vで、このときのpd値は約10^2 pa・cmです。 なお、それ以上にpdを下げると逆に絶縁破壊電圧は急上昇します。 問題の電極間距離d=2 mmの平板電極の場合、上記絶縁破壊電圧の極小を与える気圧pは約500 pa (=100/0.2)です。 500 v程度で絶縁破壊を起こすならもう少し気圧を高くしてもokです。 ということで、低電圧で絶縁破壊を起こすには、まず気圧を下げる方法があります。 なお、これは気体を空気に限定した場合のことで、特定の気体を封入すると著しく絶縁破壊電圧が減少します。 詳しくは、絶縁破壊が起こるには気体中の原子・分子が何らかのエネルギーにより電離され、得られた自由電子が外部電界により加速し、別の原子・分子に衝突して二次電子放出を起こし、累積的に自由電子数が増大する(電子雪崩を起こす)必要があります。 この「何らかのエネルギー」とは、一般には宇宙から降り注いでいる放射線などです。 この状態でさらに外部から強制的に光を照射するなどすると、さらに気体原子・分子の光電離により自由電子数が増大し、絶縁破壊が生じやすくなります。 また先ほど言いかけた話ですが、ペニング(penning)効果などがあります。 これは、例えばne中にarを0.1%混合すると、放電開始電圧は約1/4に減少するといった現象です。 これは準安定準位を持った原子・分子による寄与です。 ということで、結論としては絶縁破壊電圧を下げる方法は次のようになります。 (1) 気圧を特定値まで下げる。 (2) 光照射などの外部刺激を与える。 (3) 混合気体などの気体効果を考える。 ちなみに、針電極などの不平等電界下では絶縁破壊電圧は著しく減少します。