Зависимость электрической прочности некоторых твердых диэлектриков от времени воздействия напряжения

ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО Том 91 ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА 1956 г.

ЗАВИСИМОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ НЕКОТОРЫХ ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ ОТ ВРЕМЕНИ ВОЗДЕЙСТВИЯ НАПРЯЖЕНИЯ

Г. А. ВОРОБЬЕВ Введение

Вопрос о зависимости электрической прочности диэлектрика от времени воздействия напряжения имеет большое значение для физики диэлектриков. Знание этих зависимостей приближает нас к выявлению процесса пробоя, к определению роли тех или иных факторов в механизме пробоя диэлектриков.

Поскольку пробой твердых диэлектриков—материальный процесс и, следовательно, он протекает в пространстве и времени, то все теории пробоя твердых диэлектриков должны предсказывать повышенную электрическую прочность диэлектрика при малом времени воздействия напряжения, сравнимом с длительностью процесса—пробоя. Если диэлектрик подвергнуть воздействию невысокого напряжения малой длительности, то пробой может не произойти—не хватит времени для совершения пробоя. Чтобы пробой произошел за время воздействия напряжения, нужно приложить к диэлектрику повышенное напряжение, при котором процесс пробоя протекает более быстро. Однако этот вопрос в большинстве теорий пробоя твердых диэлектриков не разработан.

Уайтхед [1] подсчитал, исходя из теории Фрелиха, время, необходимое для ускорения электрона до энергии ионизации. Это время получилось порядка 10~10 сек.

Зейтц [2] учитывал роль отдельных электронов в процессе пробоя. Он указывает, что отдельные электроны могут производить ионизацию при напряженности электрического поля, при которой электроны со средней энергией не могут производить ионизацию. Далее Зейтц подсчитывает вероятность образования электронной лавины при прохождении ее сквозь толщу образца, которая привела бы к разрушению твердого диэлектрика. Эта вероятность, по Зейтцу, тем больше, чем больше напряженность приложенного поля. Величина, обратная этой вероятности, будет средним временем между двумя разрушающими лавинами и названа Зейтцем статистическим временем запаздывания разряда. Следовательно, это время тем меньше, чем больше напряженность приложенного поля.

Имеющиеся экспериментальные данные о влиянии времени воздействия ни^.лжения на величину электрической прочности твердых диэлектриков немногочисленны и разноречивы. Многие экспериментальные работы имеют крупные методические недостатки: однородность поля нарушалась краевыми разрядами, для регистрации времени и напряжения пробоя не применялся электронный осциллограф. К таким работам относятся работы Иоста, Штригеля.

В ряде других работ (работы Келлера, Плесснера) зависимость электрической прочности твердого диэлектрика от времени обусловлена не

запаздыванием разряда, что больше всего нас интересует, а тепловыми, поляризационными и прочими явлениями.

Заслуживают рассмотрения работы Вальтера и Инге [3], Диттерта [4], Хиппеля и Алжера [5].

А. Ф. Вальтер и Л. Д. Инге [3] обнаружили независимость электрической прочности стекла от времени воздействия напряжения в пределах от 10^7 до 1 сек.

Аналогичные результаты для бакелизованной бумаги в пределах времени от 10~8 до Ю-1 сек приводит Диттерт [4].

Хиппель и Алжер [5] получили интересную зависимость для монокристаллов КВг. При уменьшении времени воздействия напряжения электрическая прочность от длительного времени до времени 10~4 сек остается постоянной, затем уменьшается и при времени Ъ'\0~ъ сек достигает минимума, затем растет. При времени 1 мк сек электрическая прочность достигает первоначального значения, а при времени 1,7 * 10~8 сек превышает первоначальное значение на 33%.

Японские исследователи Кавамура, Окура и Кикуши [6] пытались экспериментально проверить теорию Зейтца о статистическом времени запаздывания. Они не-обнаружили запаздывания разряда для стекла и КС1 (время запаздывания разряда, по их данным, не более 3*10~8 сек), но для слюды время запаздывания получилось при 10% перенапряжения порядка 10~4 сек. Это время слишком велико и, видимо, обусловлено дефектами в методике.

Таким образом, нет надежных данных о времени запаздывания разряда, о скоростях развития разряда для различных твердых диэлектриков. Требуются систематические исследования. Нами были исследованы зависимости электрической прочности монокристаллов ЫаС1, КС1, КВг и КЛ, а также органического стекла от времени воздействия напряжения в однородном поле.

Методика эксперимента

Для опытов бралась естественная каменная соль. Монокристаллы КС1» КВг и КЛ были выращены из расплава. В образцах исследуемых диэлектриков высверливалась сферическая выточка. Поверхности образца полировались, после чего покрывались слоем олова путем распыления последнего в вакууме.

ГР сз—-1-

р 6

от з.о.

СЗ-зг

с,±

п. я

Рис. 1. Схема установки для испытания на пробой диэлектриков при временах воздействия напряжения от 10-7 Сек до 10—4 сек. Тр — трансформатор, Из — защитное сопротивление; В — выпрямитель, Р — тригатрон, Ив и Св — сопротивление и емкость временной задержки, С|, С2, 1^2 — параметры генераторной цепи, г0 и Ио — токоограничивающие сопротивления; Д. Н. — делитель, напряжения; И. О. — испытуемый объект. П. Я. — пластины явления осциллографа; П — переключатель для подключения И. О.

Толщина образцов монокристаллов NaCl, KCl, КВг и KJ в самом тонком месте, где происходит пробой, составляла обычно 150+10 мкн. При времени воздействия напряжения 2-^3*10сек толщина образцов NaCl была 100+10 мкн, а образцов KCl —120 ± 10 мкн. Толщина образцов органического стекла была 50±10 мкн.

Рис. 2. Схема установки для испытания на пробой диэлектриков при времени воздействия напряжения порядка 10-8 сек. Тр — трансформатор; Из—защитное сопротивление; В — выпрямитель; Р — тригатрон; К0 — токограничивающее сопротивление; П — переключатель для подключения И. О; И. О. — испытуемый объект; П. Я —пластины явления осциллографа; С^ — генерирующая емкость; Ь — паразитная индуктивность генераторной цепи; и Я2 — сопротивления (разрядные) делителя напряжения (И. Н^ для временной цепи; гв и Св—сопротивление и емкость временной цепи; I). Нд-делитель напряжения для П, Я; П. В—пластины времени.

В опытах с импульсным напряжением в качестве измерительного и регистрирующего прибора применялся электронный осциллограф.

Для времен воздействия напряжения 10~4 сек применялась обыч-

ная схема импульсного генератора (рис. 1), дающая импульс напряжения, математическое выражение которого и~А(ер— В качестве коммути-

Тр

Рис. -3. Схема установки для испытания на пробой диэлектриков при време'ни воздействия напряжения порядка 10—1 сек. Тр — трансформатор; К3— защитное сопротивление В —выпрямитель; С — генерирующая емкость; И — токоограничиваю-щее сопротивление, И. — испытуемый объект; П. Я — пла-стииы явления осциллографа, П. В пластины времени; Ив, Св1 Св2 — параметры временной цепи; Ся^ СЯз — параметры цепи явления; Р — механический выключатель; П— переключатель.

рующего элемента применен тригатрон. Для синхронизации работы импульсного генератора и электронного осциллографа служили временная задержка {Дву Св) и искровое реле.

6. Изв. ТПИ, т. 91.

Для времен воздействия напряжения 2-+-3*10~8 сек применялся генератор, состоящий из емкости и сопротивления (рис. 2). Длина фронта импульса в этом случае определялась паразитной индуктивностью конден-

Рис. 4-а. Градуировочные колебания с частотой 50 гц,

сатора и генерирующей цепи и паразитной емкостью. Значительную трудность при коротких временах представляет синхронизация срабатывания импульсного генератора и временной развертки осциллографа. Чтобы им-

Рис. 4-6. Градуировочные колебания с частотой I = 100 кгц,

пульс всегда попадал на экран осциллографа, был применен запуск раз« вертки от исследуемого явления.

Для времени воздействия напряжения порядка 10~~! сек в качестве коммутирующего элемента был применен механический включатель, сконструированный А. Ф. Калгановым. Переход от дуги на механическое включение был сделан потому, что трудно рассчитывать на устойчивость дуги

Рис. 4-в. Градуировочные колебания с частотой 1 мггц.

влечение длительного времени при слабой ее мощности, которая имеет место в данном случае. При включении механического включателя генерирующая емкость заряжает через высокоомные сопротивления две Другие емкости. Напряжение на одной емкости используется для пробоя образца, напряжение на другой емкости—для временной развертки (рис. 3).

При пробое на постоянном напряжении в качестве измерительного прибора использовался высоковольтный электростатический вольтметр типа С 96.

Рис. 4-гЛВремя воздействия напряжения порядка 10—7 сек.

83

На рис. 4 представлены осциллограммы пробоя при различных временах воздействия напряжения.

Результаты опытов

При испытании на пробой монокристаллов NaCl, KCl, КВг и KJ на каждое время воздействия напряжения было взято, как правило, 20 -- 30 образцов. Производилась статистическая обработка опытных точек по вероятности пробоя. Учитывая, что наибольшая прочность бывает у наиболее чистых и недефектных образцов, нами брались в качестве основных значения электрической прочности с вероятностью пробоя 6 = 90%. На рис/'5

I

то

22 SO

1750

12S0

ISO

10 " 10 ' №

foerf? ЦсзВеиапбир напряжения ёсек

Рис. 5. Зависимость электрической прочности монокристаллов NaCl, KCi, КВг и KJ от времени воздействия напряжения.

10'° 10 ' 10 и ю

время боздейстбия напряжения § сек.

Рис. 6. Зависимость электрической прочности органического стекла от времени воздействия напряжения.

представлены полученные нами экспериментально зависимости электрической прочности монокристаллов NaCl, KCl, КВг и KJ от времени воздействия напряжения при вероятности пробоя ф = 90°/о- На рис. 6 представлена аналогичная зависимость для органического стекла, для которого бралось от 9 до 13 образцов на каждую точку. Получены данные при пробое рентгенизованной каменной соли при освещении и в темноте при времени воздействия напряжения 2^-3* Ю-8 сек. При вероятности пробоя 4* = 90°/о имеем следующие данные:

Нерентгенизованная каменная соль

Рентгенизованная каменная соль

пробитая в темноте

Рентгенизованная каменная соль пробитая при освещении

пр

2740 кв/см.

Епр = 2690 кв/см. ЕПр — 2800 кв/см.

Разница в приведенных значениях электрической прочности мала, и можно считать, что электрическая прочность нерентгенизованной каменной соли и рентгенизованной, пробитой в темноте и при освещении, практически одна и та же.

Для всех исследованных нами твердых диэлектриков получилось увеличение электрической прочности при малых временах воздействия напряжения. Для монокристаллов NaCl, KCl, КВг и KJ получилось некоторое увеличение электрической прочности при времени воздействия напряжения

порядка 10~5 сек. Образцы каменной соли пробивались также на постоянном напряжении и импульсном при времени воздействия напряжения порядка 10~4 и Ю-1 сек. Электрическая прочность, полученная в этих опытах, практически совпадает с электрической прочностью при времени воздействия напряжения порядка 10~5 сек.

Обсуждение результатов

Более высокая электрическая прочность ионных кристаллов на постоянном напряжении по сравнению с импульсным получалась многими исследователями. Причем этот эффект приписывают влиянию образования объемного заряда.

Б. М. Гохберг и А. В. Иоффе [7] считают, что объемный заряд создает в диэлектрике поле, обратное приложенному, и для пробоя диэлектрика требуется более высокое приложенное напряжение.

Видимо, в наших опытах при времени воздействия напряжения порядка 10~5 сек успевал образоваться объемный заряд» что привело к повышению электрической прочности.

Повышение электрической прочности исследованных диэлектриков при времени воздействии напряжения 1*10~7селг и меньшем вызвано запаздыванием разряда. Запаздывание разряда может быть связано с двумя обстоятельствами: в течение малого времени, когда воздействует напряжение, может не быть свободных эффективных электронов; или время формирования разряда соизмеримо с временем воздействия напряжения. Первое обстоятельство для твердых диэлектриков с высокой электрической прочностью, по нашему мнению, отпадает.

В твердых диэлектриках при напряженностях электрического поля, близких к пробивной, имеет место значительная электростатическая ионизация, которая является поставщиком электронов. В пользу довода, что свободные электроны есть в твердом диэлектрике при больших напряженностях поля, говорит факт об электрической равнопрочности нерентгени-зованной и рентгенизованной каменной соли, указанный выше.

Если в рентгенизованной каменной соли в объеме высоких напряжен-ностей поля за время запаздывания разряда образуется при сильном освещении хотя бы один электрон, это будет доказывать, что и в нерентгени-зованной каменной соли при больших напряженностях поля появляются свободные электроны.

Произведем грубый расчет. Возьмем площадку электрода диаметром 0,5 мм. Напряженности электрического поля под этой площадкой могут различаться максимум на 6% (при толщине образца 0,1 мм и радиусе выточки 10 мм), что лежит в пределах точности измерений. При освещении рентгенизованной каменной соли, как указывают Вальтер и Инге [8], образуется 1014 свободных электронов в 1 см3 за 1 сек. В объеме рентгенизованной каменной соли между электродами при диаметре их 0,5 мм

тс 0 5210—2

и толщине 0,1 мм за время 10~8 сек1) образуется 1014 . —^-10~ .

4

. Ю~8 = 19 свободных электронов. Следовательно, запаздывание разряда в исследованных твердых диэлектриках обязано не отсутствию свободных электронов, а длительности процесса формирования разряда. Следовательно, время запаздывания разряда в исследованных диэлектриках есть время формирования разряда при данных условиях воздействия напряжения.

!) Ниже б\гдет показано, что время формирования разряда в исследованных диэлектриках (1—3) 10-8 сек.

Теория Зейтца о статистическом времени запаздывания, по нашему мнению, не применима к „толстым* слоям толщиной в 100 мкн и более. При такой толщине начавшаяся электронная лавина, пройдя толщу диэлектрика, при любых условиях, если не затухнет, достигнет величины, достаточной для разрушения диэлектрика. Однако мысль Зейтца о роли отдельных электронов является интересной и заслуживающей внимания. Развитие разряда может происходить в более или менее благоприятных условиях. Благоприятные условия для пробоя создаются в диэлектрике с какой-то статистической вероятностью. При больших временах воздействия напряжения пробой происходит в подавляющем числе случаев в благоприятных условиях, и разброс в значениях электрической прочности твердых диэлектриков обусловлен частными отличиями в структуре (микротрещины, дефекты обработки образца, примеси и др.) различных образцов. При малых временах воздействия к этой причине разброса добавляется разброс из-за различия во времени формирования разряда у различных образцов. Поэтому в общем случае разброс в значениях электрической прочности при малых временах воздействия напряжения больше, чем при больших временах. Это известно для воздуха и подтверждается для исследованных нами твердых диэлектриков, как это показывают данные табл. 1.

Таблица 1

Разброс от среднего значения

ЫаС1

КС1

КВг

Ю

напряжения Кб ¡см °/о кв ¡см % кв/см °/о кв;см

• и/о

10~б сек 340 29,3 335 37,8 275 35,1 235 35,4

2 ~3'10~8 сек 790 37,4 710 40,6 520 35,1 575 47,3

Следовательно, время формирования разряда в исследованных диэлектриках носит статистический характер, что уже давно установлено для воздуха.

В табл. 2 приведены рассчитанные значения времени формирования разряда и средней скорости развития разряда для исследованных диэлектриков. Расчеты относятся к значениям электрической прочности при вероятности пробоя Ф = 90%. Время формирования разряда определялось по графику, как показано на рис. 7. Кривые изменения напряжения при расчете брались из осциллограммы. Приняв, что при формировании разряд проходит через всю толщу диэлектрика, можно подсчитать среднюю ско-

т/ а

рость развития разряда Vср —-.

Данные табл. 2 показывают, что с увеличением перенапряжения время формирования разряда уменьшается, а средняя скорость развития разряда увеличивается, как это и следовало ожидать.

При времени воздействия напряжения 2-г- ЗЛО-8 сек время формирования разряда уменьшается, а средняя скорость развития разряда увеличивается при переходе от ЫаСЗ к КЛ, т. е. с уменьшением энергии решетки и с увеличением постоянной решетки (рис. 8). При времени воздействия напряжения 6-г-9.10~8 сек не получилось определенной картины.

Скорости развития разряда в исследованных диэлектриках порядка 106 см/сек, а скорость электронных лавин в воздухе около 107 см/сек, хотя напряженность поля в последнем случае в несколько десятков раз

Т а б л и"ц а 2

Исследованные диэлектрики Время воздействия напряжения 6-f- 9 • 10~8 сек Время воздействия|напряжения 2 -т- 3  Ю~8 сек

Количество образцов Перенапряжение в % * OO 1 О О 1-4 Количество образцов • <D Я CR О- о гз Я! ю О щ &S С в со О . QÜ £ а? СГ> О

NaCI 30 14 J 1,7 j 0,88 И 46,1 1,5 1,0

KCl 33 16,1 1,6 0,94 11 54 1,37 1,095

КВг 15 29,5 2,2 0,68 6 55,8 J 1,2 1,25

KJ 12 28,4 2,1 0,72 14 53,8 1,1 1,36

Органическое стекло Нет данных 11 41,4 1,1 0,526

Примечания: 1. Время 1Ф приведено к толщине ¿ = 150 мкн

150

ПО формуле Ьф = Ьфдейсте.-.

d

2. Так как при формировании разряда в данном случае напряжение не оставалось постоянным, а было возрастающим, было принято среднее перенапряжение, указанное в таблице 2 и подсчитанное по формуле Ut-Ucmam 9 fJ

¿Li У_/ rmn 111

Ьт10всек.

U L

1А 1,3

1,г

1,0

у

\ У г

\ /

/ \

и S s Vcp.

Vcp.10 см/сек.

' 140 150 160 170 180 Энергия кристаллической решетки ё тал/ моль

Рис. 7. График к определению времени формирования разряда (t<j>).

Рис. 8. Зависимость времени формирования разряда (1ф) и средней скорости развития разряда (Уср) от энергии решетки кристаллов N301 (О О), КС1 ()КВг (XX) и КМ (ДД).

меньше. Видимо, движение электрона в твердом диэлектрике сильно тормозится частыми столкновениями с ионами (или атомами) и их сильным электростатическим влиянием. На основании данных о скорости развития можно заявить, что время разряда в твердом диэлектрике примерно на порядок больше, чем в воздухе при одном и том же расстоянии между электродами.

Как показывают осциллограммы при малых временах воздействия напряжения, спад напряжения на образце при пробое имеет некоторую длительность. Эта длительность для исследованных диэлектриков лежит в пределах от 2'10"9 до 1,5* 10~8 сек и в среднем составляет 7'10~~9 сек. Таким образом, процесс пробоя твердого диэлектрика можно разбить на 2 стадии: стадию формирования разряда, в конце которой создается высокая электропроводность, и стадию завершения пробоя, когда сопротивление канала пробоя падает практически до нуля, и напряжение на образце снижается до нуля.

А. А. Воробьев [9] заметил пропорциональность между электрической прочностью и энергией решетки гцелочно-галоидных солей. Кривые рис. 5 показывают, что указанная зависимость имеет место и в данном случае во всем исследованном интервале времени от 10~5 до (2-ъЗ) 10~8 сек.

Выводы

1. Для монокристаллов NaCl, КС1, КВг и KJ замечено некоторое увеличение электрической прочности при времени воздействия напряжения порядка Ю-5 сек, что связано, видимо, с образованием объемного заряда в образце.

2. Для всех исследованных диэлектриков при времени воздействия напряжения 1*10-7 сек и меньшем получено увеличение электрической прочности, связанное с запаздыванием разряда.

3. Определенное расчетом время запаздывания разряда получилось порядка 10~8 сек. Время формирования разряда

а) уменьшается с увеличением перенапряжения;

б) при времени воздействия напряжения (2-=-3) 10~8 сек снижается с уменьшением энергии решетки и с увеличением постоянной решетки;

в) носит статистический характер.

4. Средняя скорость развития разряда в исследованных диэлектриках порядка 106 см\сек.

5. Время спада напряжения на образце при пробое для исследованных диэлектриков в среднем составляет 7.10~9 сек.

6. Пробой исследованных твердых диэлектриков можно разбить на 2 стадии: стадию формирования разряда и стадию завершения пробоя.

7. Электрическая прочность монокристаллов NaCl, КС1, КВг и KJ во всем исследованном интервале времен пропорциональна энергии решетки.

Настоящая работа была проведена под научным руководством А. А. Воробьева, которому автор выражает свою искреннюю благодарность.

ЛИТЕРАТУРА

1. S. Whitehead, The Dielectrfc Breakdown of Solids, Oxford, Clarendon Press, London, 1951.

2. F. Seitz, Phys Rev., 76, 1376, 1949.

3. A. Ф. Вальтер и Л. Д. Инге, ЖПФ, 6, 3, 1929.

4. Dittert, Dissertation, Dresden, 1930.

5. A. vonHippel and R. S. Alger, Phys. Rev., 76, № I, 127—133, 1949.

6. H. К a w a m u г a, H. Ohkura and T. К i k u с h i, Journ. Phys. Soc. Japan, 9, >* 4, 541—545, 1954.

7. Б. M. Гохберг и A. В. Иоффе, ЖЭТФ, 1, 1264, 1931.

8. А. Ф. Вал ьтер и Л. Д. Инге, ДАН СССР, 2, № 2, 65-71, 1934.

9. А. А. Воробьев, ЖТФ, 10, 183, 1940.

Томский политехнический институт

ОПЕЧАТКИ

Стр. Строка

5 15 сверху

9 2 снизу

13 4 сверху

24 подпись под

рисунком

50 14 сверху

53 10 ссерху

57 5 сверху

64 Уравнение

65 18 снизу

85 7 снизу

111 2 сверху

111 8 и 10 сверху

120 5 сверху

135 литерат. 6

147 11 снизу

148 подпись

к рис. 4.

204 рис. 1

253 подпись

к рис. 6

273 7 сверху

2S0 подпись

к рис. 4

294 1 снизу

282

324 3 сверху

336 16 снизу

337 10 сверху

337 4 снизу

337 1 снизу

338 2 сверху

338 4 и 5 сверху

339 8 снизу

340 14 сверху

34-7 23 снизу

<j'r / 3,4 снизу

348 35:) 17 снизу 4 гпеоху

451 1 снизу

Напечатано

Следует читать

Зинерман пробивкой напряженности h

е ^ 4 —

2'

рис,

М-

L

~М

1У

k (е2» £i) — he

lOi*.

. 10

I-±-2* 1 •

к 0,52 . 10"2 4

производимое™ активизации прочности химического стр...

£ ZU 1 ООО

Up aap. II проб.

КЬВг

2 — f — 4.10* гц; 3 -f = Ю3 гц

KCJ 2103

от 10

таблица стр. 269

[3,4]

¡6] [7] [6]

[9,10] [11,12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[М] л- - Const механический

Зингерман пробивной напряженностью h

е ^ 4 ш рис. 9.

М1

М-

df\

1 —

1 —

1,3 s

(t - /)»

1014

/2 (e3l ej) = h e l° -.0,52 . 10~2

10"2

проводимости активации прочности от химического стр. ИЗ е ~ 1000

иразр. / Unpoö.

RbBr

2 — f = 4.10- гц; 3- Г = юз гц

KCl

2.105

от 10-4 при f =2.10' до 6 10 таблица 2 стр. 251

[3]

[4]

й

И

[7,8]

{У, Ю] [П]

[¡.я

[M]-v = Const технический