К вопросу о пробое твердых диэлектриков в неоднородном поле Текст научной статьи по специальности «Физика»

ИЗВЕСТИЯ

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

К ВОПРОСУ О ПРОБОЕ ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ В НЕОДНОРОДНОМ ПОЛЕ

Г. А. ВОРОБЬЕВ

Методика эксперимента

Опыты по пробою твердых диэлектриков в неоднородном поле часто проводятся с образцами в виде пластинок, на поверхность которых друг против друга ставят электроды: острие и плоскость. Такая методика имеет тот существенный недостаток, что в результате опыта получается пробивное напряжение нетвердого диэлектрика, а комбинации твердого диэлектрика и окружающей среды. Пробою твердого диэлектрика при такой методике, как правило, предшествуют разряды по поверхности образца, которые существенно влияют на пробой самого твердого диэлектрика [1].

Для получения закономерностей, характеризующих твердый диэлектрик, необходимо исключить влияние окружающей среды. Опыты с исключением влияния окружающей среды проводились А. Ф. Вальтером и

Рис. 1-а—Градуировочные колебания с частотой 100 кгц.

Л. Д. Инге (впаивание электродов внутрь серы, стекла)[2], А. А. Воробьевым и Н. А. Приходько (вдавливание электродов в лед), [1] и др. А. А. Воробьев и В. Д. Кучин [3] в опытах по фосфорисценции в каменной соли

во избежание разрядов по поверхности применяли образцы с глубоко засверленным одним электродом.

Рис. 1-6—Градуировочные колебания с частотой 1 мггц.

Нами предлагается для исследования пробоя твердых диэлектриков в неоднородном поле применять образцы формы, указанной на рис. 1 [7]. Образцы твердых диэлектриков указанной формы можно получить высверливанием лунок, отливкой, прессованием и другими методами.

Рис. 1-в—Градуировочные колебания с частотой 10 мггц.

Нами было проведено экспериментальное исследование по пробою в неоднородном поле каменной соли (NaCI), монокристаллов KCl, КВг и KJ, выращенных из расплава и органического стекла. Диэлектрики пробивались на фронте одиночного импульса, а образцы каменной соли были про-

биты также на постоянном напряжении при обеих полярностях. Опыты по пробою каменной соли на постонном напряжении были проведены студентами Томского политехнического института Т. В. Шушкаловой, 3. И. Дружининой и Ж. И. Калянниковой. Высокое напряжение подавалось на электрод в виде острия, плоский электрод заземлялся. При пробое на импульсном напряжении в качестве регистрирующего и измерительного прибора

Рис. 1-г—Время воздействия напряжения 1,7.10-7 сек.

применялся электронный осциллограф. На рис. 1 показаны осциллограммы при пробое исследуемых диэлектриков при различных временах воздействия напряжения.

Пробой каменной соли

Сняты вольтсекундные характеристики образцов толщиной 0,7 ± 0,02 мм при обеих полярностях электрода,—острия. На точку бралось 20--30 образцов. Проводилась статистическая обработка, опытных данных. На рис. 2 приведены вольтсекундные характеристики при вероятности пробоя 6=^90%. Общий вид кривых сходен с аналогичными кривыми для ЫаС1, КС1, КВг и Ю в случае однородного поля [4].

Подъем кривых при самых малых временах объясняется запаздыванием разряда, при времени 2н-3*Ю_5 сек — влиянием объемного заряда, который за это время успевает сформироваться в кристалле.

Не следует объяснять запаздывание разряда в данном случае отсутствием электронов во время воздействия напряжения. В твердых диэлектриках с большой электрической прочностью при напряженностях поля, приближающихся к статическим пробивным, имеет место значительная электростатическая ионизация, которая является хорошим поставщиком электронов, которые должны участвовать в формировании разряда. В случае неравномерного поля у электрода с большой кривизной при напряжениях, приближающихся к пробивным, напряженность поля значительно

превышает электрическую прочность диэлектрика. Следовательно, в этом случае должно быть еще больше свободных электронов.

Поэтому следует считать, что время, прошедшее с момента, когда напряжение достигло пробивного-статического, до пробоя является временем формирования разряда при данных условиях воздействия напряжения. Время формирования разряда определялось по осциллограмме пробоя [4]. В случае,

Цпр.кб

1 1 1 1 1 ----"У

V МаС( [¡00] | с/ = 0,7мм О

Л- !

1 1 3

1 I -

30 3-]-1-J-1-\---!-1

Ю'7 Ю'6 10 5 10~* №* Ю~* *Ю~( 1 (О

Время воздействия напряжения, 6 сек.

Рис. 2—Вольтвременные характеристики каменной соли при пробое в неоднородном поле. Толщина образца с! = 0,7 мм 1 — острие ©; 2 — острие (£).

когда острие было отрицательным, время формирования разряда получилось Ь,\щ \0у1сек, когда острие было положительным—0,9.10~8 сек. Соответственно скорости распространения разряда составляют 1,37*106 см/сек и 7,77*10° см/сек. Скорость распространения разряда при положительной по-

Рис. 3.—Микрофотографии путей разрядов в каменной соли (время воздействия напряжения 5 -^-6.10—7 сек, увеличение в 80 раз).

92

а) отрицательная полярность острия.

лярности острия в 5,67 раза больше, чем при отрицательной полярности острия.

Эти результаты аналогичны наблюдаемым в воздухе. Вероятно, и в случае каменной соли около острия в результате ионизационных процессов образуется положительный объемный заряд, который при положительной полярности острия способствует разряду, а при отрицательной—тормозит разряд. Эффект полярности ясно проявляется при малых временах воздействия напряжения и слабо—при больших временах. Видимо, при больших временах положительный объемный заряд успевает значительно рассосаться под действием большой напряженности поля на границах объемного заряда. Это должно вести к сглаживанию эффекта полярности.

б)—положительная полярность острия.

Характерным является направление пути разряда. При отрицательной полярности острия разряд идет по кратчайшему расстоянию между электродами—по ребру куба решетки [100]. При положительной полярности острия разряд идет, как правило, по диагонали грани куба [110] и изредка—по диагонали куба [111]. При времени воздействия напряжения 1-^-2*10~7 сек наблюдались отклонения от указанной закономерности при обеих полярностях острия; канал разряда часто был искривленным. При этом часто наблюдалось в одном образце большое количество каналов разряда (до 6), тогда как при больших временах изредка встречались образцы с двумя каналами разряда (при положительной полярности острия). На рис. 3 представлены микрофотографии разрядов при времени воздействия напряжения 5ч-6в10^7 сек.

Пробой монокристаллов KCl, КВг и KJ

Производился пробой монокристаллов KCl, КВг и KJ при обеих полярностях острия и двух временах воздействия напряжения: 9*10" -г-1,3-Ю-7 сек и 1 -£-3* 10—6 сек. На рис. 4 представлены результаты опытов. Напряжения соответствуют вероятности пробоя ф = 90%. Каждая

точка—результат обработки 4 -н 7 осциллограмм. Характер зависимости тот же, что и для каменной соли.

На рис. 3 [7] представлены зависимости пробивного напряжения от энергии решетки для исследованных кристаллов. С увеличением энергии решетки пробивное напряжение растет также, как и в случае однородного поля [4, 5]. Следовательно, пробивные напряжения кристаллов, пробитых в неоднородном поле, когда исключено влияние окружающей среды, определяются материалом кристалла, как и в однородном поле. В тех случаях, когда затруднительно проводить пробой твердых диэлектриков в однородном поле, для сравнения диэлектриков опыты можно проводить в неоднородном поле.

U пр. к&

so

40

30

IQ

10

ч I

\ N Д Ч \ ч ч N ч

А С \ ч 4 ЧЧч \ \ ч ч г ""ъ

ч ч-\ Ч'4 ч ^

N з ■

10

10

'6

10

Время вовдеастбад напряжения S сек.

SO

40

-

iOAUltth

ощма 4=0,12мм

^ ! ———

89

19

10~*

70

10

Время воздействия напряжения, в сек.

Рис. 4.—Вольтвременные характеристики при пробое монокристаллов KCl, КВг и KI в неоднородном поле.

Острие О Острие ©

• -KCl О-КС]

^ — КВг А — КВг

■ - KJ □ — KJ

Рис. 5 — Вольтвременные характеристики при пробое органического стекла в неоднородном поле.

Были проведены опыты по пробою в неоднородном поле пластинок ЫаС1 и КВг толщиной 0,7+0,02 мм при времени воздействия напряжения 1,1 ч- 1,7' 10~6 сек. На рис. 2 [7] представлены результаты опытов и для сравнения данные по пробою №С1 и КВг с применением образцов с конусной выточкой. Напряжения взяты при вероятности пробоя ф = 90%. Результаты опытов по пробою пластинок не характеризуют диэлектрик.

Вальтер и Инге [6] снимали вольтсекундные характеристики при пробое пластинок каменной соли толщиной 2,7 мм в поле электродов острие— плоскость. Образцы погружались в трансформаторное масло. Они получили пробивное статическое напряжение: 30 кв при положительной полярности острия и 36 кв при отрицательной полярности острия. В наших опытах с образцами с конусной выточкой при средней толщине образцов, 0,7 мму т. е. почти в 4 раза меньшей, пробивное напряжение составило при времени воздействия напряжения порядка Ю-6 сек, когда еще нет запаздывания разряда, 40 кв при положительной полярности острия и 43 кв при отрицательной полярности острия. В опытах же с пластинками средней толщины 0,7 мм мы также получили низкое пробивное напряжение: 18 кв при положительной полярности острия и 21 кв при отрицательной

полярности острия. Видимо, поверхностные разряды значительно снижают пробивное напряжение твердого диэлектрика.

Авторы [6] указывают, что наблюдались часто пробои на хвосте импульса и такие же случаи наблюдались при пробое одного трансформаторного масла. В наших опытах с образцами с конической выточкой подобных случаев не наблюдалось. Вальтер и Инге [6] получили далеко отличные от наших данных времена запаздывания разряда. В их опытах увеличение пробивного напряжения начинается при времени воздействия напряжения 3 -г- 7 ■ 10~6 сек, в наших опытах—при времени воздействия 2,5— 6*10~7 сек, то есть на порядок меньше.

Просматривание путей разряда в образцах KCl показало, что разряд как при отрицательной полярности острия, так и при положительной идет по кратчайшему пути—по направлению [100]. Для КВг и KJ не удалось просмотреть пути разряда.

Пробой органического стекла

Пробивались образцы из органического стекла толщиной 0,12 ± 0,02 мм при обеих полярностях острия и двух временах воздействия напряжения. На рис. 5 представлены результаты опытов. Напряжения взяты при вероятности пробоя ф —90%. Каждая точка—результат обработки 7-^-13 осциллограмм. Наблюдаются те же закономерности, что и для кристаллических диэлектриков.

Выводы

1. Методика испытания на пробой образцов с конусной выточкой устраняет влияние окружающей среды на пробивное напряжение твердого диэлектрика.

2. При малых временах воздействия напряжения (6е 10~8 -н 2* 10~7 сек) наблюдается запаздывание разряда.

3. При малых временах воздействия напряжения (6*10~8 -г- 2'10~7 сек) ясно проявляется эффект полярности, сходный с эффектом полярности в воздухе. Это указывает на наличие ионизационных процессов у исследованных диэлектриков, начинающихся вблизи острия. Эта закономерность имеет место для кристаллических диэлектриков и аморфного диэлектрика (органическое стекло).

4. В неравномерном поле пробивное напряжение также является характеристикой материала. Для щелочно-галоидных кристаллов в неравномерном поле имеет место увеличение пробивного напряжения с увеличением энергии решетки.

Настоящая работа проводилась по предложению и под научным руководством профессора-доктора А. А. Воробьева, которому автор выражает свою искреннюю благодарность.

ЛИТЕРАТУРА

1. А. Воробье в и Н. При ходы'о, Труды СФТИ, том 4, вып. 3, 112—126, 1936.

2. А. П. Александров, А. Ф. В i ji ь т ер и др.,—Физика диэлектриков, ГТТИ, Москва —Ленинград, 1932.

3. А. А. Воробьев и В. Д. Кучин, ЖТФ, в печати.

4. Г. А. Воробьев, ЖЭТФ, Том 30, пып. 2, 256-261, 1956.

5. А. А. Во роб ь ев, ЖТФ, 10, 183, 1940.

6. А. Ф. Вальтер и Л. Д. Инге, ЖТФ, том III, вып. 6, 840—849, 1933.

7. А. А. Воробьев, Г. А. Воробьев и В. Д. К у ч и н—настоящий вып., стр. 193»

Томский политехнический институт