CC BY
55
ИЗВЕСТИЯ
ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО Том 63 ИНСТИТУТА инери С. М, КИРОВА . 1944
НЕКОТОРЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРОБОЯ ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ
ВОРОБЬЕВ А. А,
■ Профессор, доктор физико-математических наук
Электрическая прочность кристаллических диэлектриков,
содержащих ^примеси # •
ч Для получения диэлектрика , с высокой электрической, прочностью можно использовать те же методы, обработки материала, которые практика и наука выработали для получения материалов с высокой механик* ческой прочностью. Этими методами, в основном, являются: введение в. материал тех или иных присадок и получение 'сплавов, затем механическая и термическая обработка материалов. Отсюда становится понятным, почему различные исследователи уделяют большое внимание 'изучению, "влияния.примесей на свойства диэлектриков. * 1
. Примеси, находящиеся в кристаллической решетке, будут нарушать присущую ей правильность и тем самым оказывать влияние на характер »рил, действующих нр частицы. Различные авторы по-различному объясняют влияние примесей на пробивное напряжение твердых диэлектриков. В теории Хиппеля [1], согласно которой основным процессом, приводящим к пробою диэлектрика, признается ударная ионизация электронами, учитываются помехи их движению, оказываемые примесями. Хиппелем ¿ыла развита оригинальная теория движения электронов в твердых диэлектриках с учетом возможных нарушений в идеальной решетке и про^ ведены экспериментальные исследования.
По представлениям Хиппеля примеси должны увеличивать электрическую прочность диэлектрика, потому что при их введении нарушается Правильный ход потенциальной функции в кристалле.- Искажения потент циальных барьеров уменьшают возможность свободного движения электронов: увеличивают вероятносгь их захвата.
Увеличение вероятности захвата электрона Хиппель. связывает не только с искажением решетки, но также и с получающимся при таком искажений изменением энергии связи между частицами. Им рдсематри-вается „групповая связь" электрона с ионом решетки, которая заключается в, следующем: электрон, движущийся по преимущественному кристаллографическому направлению в кристалле—диагонали грани, задерживаясь в потенциальной -яме вблизи положительного иона| превращает ион в атом щелочного металла, при этом размеры частицы приблизительно удваиваются. Образовавшаяся новая частица обладает такими большими размерами, что практически трудно говорить о локализации электрона данным центром. Все двенадцать- положительных соседей одинаково взаимодействуют с данным зарядом. у • .
Электрон оказывается связанным с группой соседних ионов и от нее ¡получает энергию, необходимую, ему для дальнейшего движения/ Всякое
изменение в решетке, подобное тепловому, будет влиять на энергию связи электрона в решетке.
Второй тип связи электрона в решетке, по »Хиппелю, это—»атомная связь*. Как пример такой связи Хиппель указывает захват электрона ионом меди, находящимся в решетке каменной соли. Ион .меди, вследствие большого значения ионизационного потенциала, связывает электрон на близком расстоянии, практически образуя атом* меди. В этом случае электрон оказывается связанным с одним, центром, получение от него значительного количества энерги1Ийало вероятно. Отсюда последует большая устойчивость таких образований.
Пользуясь представлениями о групповой и атомной связи, Хиппель объясняет большое число .фактов из области фотохимических реакций, в которых участвует твердое тело. Эти представления им были использованы также и-для объяснения повышения электрической прочности при наличии в решетке примесей и нарушений»
Если рассматривать возможное влияние примесей на пробивное напряжение с точки зрения квантовых теорий пробоя, то необходимо заметить, что примеси'и другие нарушения решетки изменяют ее энергетический спектр, вызывают возниктэвение дискретных уровней, расположенных в запретной зоне энергий [2]. Как пример образования таких уровней примесей можно привести возникновение уровней F и F в рент-генированной каменной соли [31. Уровень F соответствует наличию в кристалле центров окраски, а уровень F' — нарушениям решетки.
Возникновение дискретных энергетических уровней, близко расположенных от зоны проводимости, может значительно облегчить переход электронов в эт^ зону и тем самым понизить пробивное напряжение.
~ Из приведенных теоретических рассуждений о возможном характере влияния примесей на пробивное напряжение мы видим, что они- достаточно противоречивы.
Рассмотрим экспериментальный материал, имеющийся* для ионных кристаллов.: ..." •' ' -'.V"
Проведенные нами опыты [4] по измерению электрической прочности каменной соли, содержащей коллоид калия и меди, показали, что в эгЩ случае прочность кристаллов, сравнительно с прочностью образцов, не содержащих коллоида, 'моя£ет быть значительно понижена. При объясйё-нии этого резуж>тата необходимо иметь в виду, что наличие в кристалле коллоида вызовет искажение ноля и уменьшение эффективности толщины диэлектрика.
Наши опыты по измерению пробивных напряжений Для каменной соли, содержащей ионы меди или атомарную окраску, показывают отсутствие влияния этих примесей на величину пробивного напряжения.
Зависимость электрической прочности от химического состава исследовалась Хиппелем для систем KCl —RbCl и KCl —КВг. Он Показал, что в ходе этой зависимости имеется максимум [5]. Максимум электрической прочности получается, когда, обе компоненты входят приблизительно в одинаковом процентном содержании. Повышение электрической прочности, наблюдаемое при этом, относительно невелико и составляет около 30°/о. .
Значительно более упрочняющее действие на NaCl оказывает введе* нне AgCI. Прибавление к NaCl 15% Mol% AgCl повышает электрическую, прочность в два раза.
Электрическая прочность ряда твердых растворов исследовалась также у нас. Студ. Ка н ьщ ин щ изучал систему KJ—КВг, дающую твердый раствор. Он получил, что с повышением содержания КВг в KJ электрическая прочность вначале увеличивается, а затем умекьшается, т. е. завит симрсть имеет тот же вид, что и у Хиппеля. Ввиду большой гигро-
скопичности и плохих механических свойств получающихся тверды* растворов эти измерения удалось провести только на образцах с присадками до 20°/о.
Богданова [7] изучала электрическую прочность системы КЗ—Иа я КВг —КЛ. При увеличении содержание примеси в К*Л она получила вна-чале понижение электрической прочности, а затем ее возрастание.
Интересно отметить, что во всех этих опытах влияние примеси компо* ненты В на электрическую прочность компоненты А становится заметным только при введении ее в количестве 5—-10%. Вообще нужно считать, что малые примеси не оказывают заметного влияния на электрическую прочность кристалла. Следует заменить, что малые примеси влияк?т на механические характеристики кристаллов, например, окраска кристаллов к&мецной соли заметно повышает предел текучести, соль делается более прочной и менее пластичной [8].
Влияние механической деформации на электрическую
прочность диэлектрика
Различная степень влияния малых примесей на электрическую прочность и механические характеристики кристалла является, вероятно, принципиальной и может иметь следующее объяснение.-
Пластическая деформация образца сопровождается скольжением по некоторым плоскостям. Даже небольшое нарушение решетки, в виде замены некоторых узлов . чужеродными частицами, создает нарушение правильного хода потенциальной функции на этих плоскостях и затрудняет скольжение. . ,
При пробое, который развивается вдоль некоторого направления, наличие небольших нарушений не может оказать существенного влияния на процесс пробоя, так как при наличии более трудных условий вдоль данного нарушенного направления разряд будет развиваться по параллельному, не упрочненному пути. Поэтому следует ожидать, что пробивная прочность заметно изменится только при введении такого количества примесей, когда по всем- возможным направлениям пробоя располагается некоторое количество чужеродных ионов, затрудняющих развитие разряда. •
Мы. изучали влияние химического состайа на электрическую прочность аморфных диэлектриков. В частности измерялась электрическая прочность трехкбмпонентных стекол системы: РЬ БЮз — Иа^зОз. Эти измере-, ния показали большую зависимость электрической прочности стёкла от химического состава.
Приведенные выше теоретические рассуждения не дают однозначного ответа о возможном характере влияния примесей на электрическую прочность твердых диэлектриков. Опытные данные показывают, что для твердых растворов, в некоторых случаях, при введении примесей, наблюдается увеличение прочности, в других случаях ее понижение.
Влияние примесей на электрическую прочность твердых диэлектриков, веррятно, будет зависеть от природы примешиваемых к данному диэлектрику частиц, так же как это наблюдается для полупроводников. Одни примеси/ являясь источниками электронов, будут способствовать развитию пробоя, другие примеси, наоборот, являясь ловцами электронов, будут тормозить развитие пробоя.
Деформация кристаллической решетки при воздействии силы вызовет возникновение энергетических' уровней неоднородности, облегчающих элек-тронйые переходы. С другой стороны, нарушение правильности решетки затруднит движение электронов по кристаллу и, возможно, упрочнит его. Возможность упрочнения диэлектрика путем соответствующей меха-
нической или термической обработки, изменяющей его структуру, представляет большой практический интерес.
Для практики и теории существенно важно выяснить возможные изЦе-нения электрической .прочности диэлектрика, при одновременном воздействий на него механической нагрузки, что имеет место в условиях era Службы. Механическая нагрузка на диэлектрик может вызвать ряд вторичных изменений в диэлектрике, например, растрескивание, или наоборот, закрытие пор, изменение условий прилегания электродов и др., что в общем, осложнит характер зависимости пробивного напряжения от величины действующей силы. . . -
Мы изучали распространение разрядов в кристаллах при наличии в них механических .напряжений [9]. Кристалл помещался в поляризационный прибор, что позволяло наблюдать распределение в нем напряжений и распространение разрядов. Эти оЬыуы давали возможность: оценить, по . какому пути разряд будет распространяться преимущественно: по. ненарушенному или местам, механически напряженным;
На рис. 1 и 2 представлены наблюдавшиеся нами характерцые результаты. Просветления указывают механически напряженную область в кристалле. На рис. 1 и 2 видны разряды, причем на рис. '2 вышеидущая тре-
Рис. I Рис 2
щина является следствием надавливания на острие, а нижерасположен-ная представляет разряд. Изучение разрядов в кристаллах каменной соли при наличии механических напряжений показало, что механически напря-жёняые места в кристалле не способствуют распространение по ним разрядов, вплоть до напряжений, близких к разрушающим. Вообще разряды идут йо границе между' напряженными и ненапряженными местами,; по направлению наибольшего градиента механических напряжений.
А к ах и рай Гёмант [10] исследовали влияние механической нагрузки на величину пробивного напряжения стекла, слюды, резины, цел-. •лулоида и целлофана и установили, что при пробе пластинок из указанных веществ, в поле шар против;плоскости, с увеличением давления на шар, пробивное напряжение увеличивается, достигает максимального значения, а затем щчипает падать:
• Вальтер и Йнге [11] исследовали пробой* стекла, слюды и кабельной бумаги в трансформаторном масле и ксилоле вплоть до давления э
18 атмосфер. Ойи показали, что при плохом контакте, когда между поверхностью диэлектрика и электродами имеется слой жидкости, пробив* нбе напряжение стекла растет с увеличением давления. Это'изменение является вторичным эффектом, вызываемым краевыми разрядами. Для стекла и слюды, по- мнению этих авторов, пробивное напряжение не мо^ жёт зависеть от внешнего давления.
Кох [12], подвергая диэлектрики всестороннему сжатию* до давлений 50 кг/см2, не обнаружил при этом изменения их электрической прочности.
При пробое стекла в электрическом поле, острие против плоскости, наблюдается значительное уменьшение пробивного напряжения с увеличением давления на острие • [13]. При положительном, острие получается более быстрое уменьшение пробивного напряжения, чем при отрицательном; таким образом, с. увеличением давления на острие появляется, а затем растет эффект полярности. . '
При пробое пластинок каменной соли ¿.неоднородном поле также наблюдается небольшое понижение пробивного напряжения с увеличением давления.
Ряд авторов [14] исследовали влияние на величину пробивного напряжения фарфоровых изоляторов одновременной механической нагрузки* Опыты проводились как на импульсном напряжении; так и переменном. Укажем здесь на результаты опытов Вейкера, который установил следующее. ?
1) Механическая прочность изолятора (прочность на разрыв), находившегося под воздействием переменного напряжения, или подвергающегося воздействию электрических импульсов,4 остается такой же, как и в отсутствии электрического, поля.. 1
2) Если изолятор, находящийся под напряжением, нагружать механически, то он. пробивается при напряжении более низком, чем без механической нагрузки цли после механической нагрузки. Понижение пробивного напряжения зависит от величины одновременной механической нагрузки. С увеличением механической нагрузки пробивное напряжение сильно падает.' ; . \
3) При ударных напряжениях, после достижения определенного предела механической нагрузки, наблюдается понижение пробивного напряжения. Дальнейшее повышение на'грузки не сопровождается понижением пробивного напряжения. Наименьшая механическая нагрузка, при которой замечается понижение пробивноЬо напряжения на импульсах, лежит значительно выше тех нагрузок, которым изолятор подвергается в условиях его службы.
Зависимость наблюдаемого эффекта от механической прочности и конструкции изолятора указывает на его сложность и наличие вторичных явлений. С точки зрения разбираемой нами проблемы интересно выяснить поведение фарфора Ири одновременном воз-действии обеих нагрузок.
•3 а в ад о вс к а я [15], изучавшая зависимость пробивного напряжения . фарфора от различных факторов, указывает, что при проббе фарфоровых пластин в неоднородном поле на постоянном напряжении ^наблюдается уменьшение пробивного напряжения при увеличения давления. Понижение пробивного напряжения наблюдается после достижения нагрузки, равной приблизительно 60% от разрушающей. При нагрузке; близкой к разрушающей, наблюдаемое понижение пробивного напряжения составляет около 20%.
Сопоставляя данные этих опытов, с данными В е й к е р а и Леке р л е, можно сделать вывод, что наблюдавшееся В. Вей к е р ом и другими понижение пробивного напряжения изоляторов на статическом напряжении обусловливается фарфором.
Для решения вопроса о влиянии деформации сжатия на пробивное напряжение твердых диэлектриков рядом авторов были 'проведены опыты в однородном электрической поле- - ■
Кобеко и 'Курчат о в/[16] изучали влияние пластической деформации на величину электрической прочности каменной соли на постоянном и импульсном напряжениях. С этой целью они сравнивали между собой значения электрической прочностилредварительно хорошо отожженных образцов и* образцов, пластически деформированных при высокой температуре, а также неопределенно деформированных, взятых сразу после изготовления. Пластическая деформация кристалла производилась при температуре 700—750°С под давлением 5—7 кг/см2 в течение одного часа. При этом длина деформированного кристалла оказывалась равной 70—90°/« от начальной. Скол такого куска давал чешуйчатое строение, указывавшее на сильное нарушение решетки. Пробой производился вдоль ребра кубз, как по направлению деформации, так и ему перпендикулярному. Этими опытами не было обнаружено разницы между величинами пробивных напряжений так различно изготовленных образцов.
наших опытах [17] измерялась величина пробивного напряжения, определенная в условиях однородного поля на импульсах для различно деформированных кристаллов, причем степень пластической деформации оценивалась рентгеновским методом по лауэграммам. Эти опыты показали, что величина пробивной прочности практически не зависит от степени нарушения кристаллической решетки при пластической деформации, С другой стороны, этими же опытами было показано, что иногда, для кристаллов каменной соли, с увеличением давления наблюдается сначала увеличение пробивногЬ напряжения образцов, а потом ее уменьшение. Однако необходимо заметить, что при этом росте пробивного напряжения, наблюдаемом с.увеличением давления, его величина не поднимается выше некоторой, присущей хорошо отожженной каменной соли. Эти опыты, а также исследования с другими диэлектриками (эбонитом, различно отожженным стеклом) привели нас к заключению, что иногда наблюдаемое увеличение пробивного напряжения, при увеличении внешнего давления, является вторичным эффектом, обязанным своим происхождением неоднородности диэлектрик^, С увеличением • давления до некоторого предела имеющиеся в диэлектрике нарушения закрываются; он улучшается и повышает свою электрическую прочность. Таким образом, по характеру зависимости пробивного напряжения от величины внешнего давления мФжно оценивать степень дефектности пла- ^ стичных изолирующих материалов.. Например, в случае эбонита при увеличении давления на электроды наб- > людается повышение пробивное нач пряжения почти в четыре раза. Для каменной соли наблюдается увеличение пробивного напряжения при давлении в два раза.
Нарушение сплошности диэлектрика, возникновение трещин, пор вызывает значительное понижение пробивной прочности диэлектрика.
На рис. 3 представлена зависимость пробивного напряжения от нагрузки для фарфора в однородном поле на постоянном напряжении. Как видно, при нагрузке, равной 50% от разрушающей, начинается понижение пробивной прочнойи, При нагрузке, близкой к разрушающей, величина этого понижения достигает 30%.
5да
400
А'в Мах
см
I
кг
10
12
Пробой фарфора на постоянном напряжении. ' Рис 3
Для фарфора, по данным 3 а в а д о в с к о й наблюдается большая ' зависимость пробивного напряжения от пористости.
На рис. 4 представлена зависимость пробивного напряжения на^ импульсах от пористости для изолятора типа 1Ъ4,5. Пористость фарфора оценивалась длиной, занимаемой порами на протяжении 1 мм, при измерении на шлифе с помощью микроскопа.
Увеличение пористости фарфора сопровождается понижением пробивного напряжения. Подобную же картину мы наблюдали для компаунда 3*3. В области температуры растрескивания компаунда пробивное напряжение на импульсах и переменном напряжении сильно падает. Это видно, например, на рис. 5, где представлена зависимость пробивного напряжения от температуры компаунда Э-3 для толщины слоя 2^5 мм и I мм.
При пробое стекла и одновременной, его механической, нагрузке, на чиная с некоторой величину давлений, наблюдается значительное умень-
т т ta т ш ЪяШ *юм пар во t mm '
Зависимость пробивного напряжения на импульсах от дайны, занимаемой порами на протяжении 1 мм.
. Рис. 4
30
1 1 ----1 \...... \ \ \ X - ш • -НС 7*, 5« \ (ММ м
* \ i ч \
L 1?
Я
и Я i
-30 О 30 60 90 до
температура 6
Зависимость пробивного напряжения компаунда Э-3 от температуры на переменном напряжении.
Рис, 5
кгение пробивного напряжения. Этот эффект зависит от 'Термической обработки стекла, значительно усиливаясь для пережженных более хрупких стекол.
Основной экспериментальный материал, известный в настоящее аремя 0 геометрических элементах деформации—-плоскостях скольжения и направлениях скольжения, может быть объяснен с помощью представлений о трансляции с поворотом или двойнцкования. Счйтают, что при деформировании кристалла трансляция совершается вдоль определенных кристаллографических направлений, по плоскостям скольжения,: она сопровождается поворотом скользящих.участков вокруг осей, перпендикулярных направлениям скольжения. В результате этого процесса- объем кристалла разбиваемся на повернутые друг относительно друга на некоторый угол и упруго напряженные „пачки* плоскостей.
" Физиче|кая картина первичных изменений в материале при деформаций сжатия и растяжения одинакова. Однако; ввиду практической важности изучения влияния деформации растяжения на пробивное напряжение твердых диэлектриков;-эти исследования были проведены рядом авторов над различными диэлектриками. .
Г е м ан т [18] подробно изучил влияние одновременной механической нагрузка на электрические свойства резины. Для опытов им употребля-
лись ленты резины толщиной от 0,2 до 0,6 мм. В его опытах относительные удлинения при растяжении достигали 300%; изменение толщины при этом составляло 30—50%, При пробое резины на переменном токе в воздухе и одновременном растяжении было обнаружено увеличение пробивной прочности на 35%. Эффект увеличения пробивного напряжения исчезай, если! испытание производилось'под маслом, после того, как резина предварительно вылеживалась в масле в течение 24 часов.
Из этих опытов Темант делает заключение относительно поверхностного происхождения наблюденного им эффекта упрочнения.
Общее заключение, сделанное Гемантом на основании подробных исследований, говорит о том, что технически существенные свойства резины—пробивная прочность и диэлектрические потери при растяжения испытывают улучшение на 4О°/0.
При длительных'лагрузках этот эффект перекрывается вредным действием озона.
А к ахир а и Ге мант [19] исследовали влияние различных деформаций на пробивное напряжение твердых диэлектриков. На основании опытов со стеклом, целлофаном, резиной, слюдой и целлулоидом они пришли к* следующим выводам.
1. Всестороннее плоскостное растяжение для материалов с малым значением коэфициента Луассона а (например, ¿текла) сопровождается.умень-шением, а всёсторонее сжатие— увеличением пробивното напряжения. Каучук (о = 0,5), при всестороннем сжатий, также обнаруживает увеличение пробивной прочности.
2. Одностороннее растяжение вызывает уменьшение пробивного напряжения.
3. Деформация изгиба не влияет на величину пробивного напряжения.
На основании своих экспериментов эти авторы приходят к общему
заключению, что сжатие увеличивает, а растяжение^ понижает величину пробивного напряжения твердых диэлектрикоб. Прр этом несущественно* как происходит; деформирование—параллельно или перпендикулярно сило: вым линиям электрического поля.
Нами были произведены опыты по исследованию вЛияния деформации одностороннего растяжения на величину электрической прочности ряда твердых диэлектриков ]13]. Исследовались два сорта резины,' слюда и два сорта целлулоида; Пробой производился при одновременном растяжении в условиях однородного и неоднородного электрического поля. Конструкция приборов, с помощью которых задавалась деформация,. & одном случае обеспечивала постоянство величины силы, под действием которой происходила пластическая деформация образца. Приборы, другого типа обеспечивали постоянную величину пластической деформации» при заданной величине силы, причем вследствие удлинения образца. нагрузка на? образец, в процессе его деформирования, уменьшалась.
На рис. 6 представлена зависимость пробивного градиента резины от величины растягивающей силы (кривая Ь). Измерения произведены на импульсном напряжении. Пробой происходил между электродами полу^-сфера -против плоскости в трансформаторном масле. На этом же рисунке (кривая: а) изображено изменение площади поперечного сечения образца, при изменении растягивающей силы. ""
. Зависимость, представленная кривой а, указывает на сильное изменение толщины образца. V
Увеличение электрической прочности при Одностороннем растяжении,, наблюдаемое в данных опытах, является следствием уменьшения толщины резины с. растяжением, т. е. хорошо известнйм эффектом при измерениях в неоднородных Ьолях. Если исключить этот эффект, произведя измерения в условиях однородного поля, например, в воде, или сопоставить^
величину электрической прочности для определенной толщины образца, измеренную при однородном растяжении, с величиной электрической, прочности для той же толщины образца, но измеренную в отсутствии растягивающей силы, то никакого влияния на электрическую прочность механических напряжений не обнаруживается.
Опыты с измерением пробивного напряжения слюды при одновременном одностороннем растяжении показали увеличение ее пробивного на
5 хг
- Растяжение резины: а—зависимость площади поперечного ; Л сечения от силы; Ь—зависимость пробивного напряжения
, на импульсах, от величины деформирующей силы.
РИС* -б- .
пряжения с увеличением нзгрузкиг. При напряжении 1200 кг/см2 (разрушающее напряжений равно 4000. кг/см2) пробивной градиент составлял 18^/о начального.
Специальные измерений толщины, производившиеся с точностью до 6,001 мм, показали отсутствие заметного уменьшения толщины слюды при, растяжении. Значительная поверхностная проводимость слюды способ-
Пробой целлулоида. на постоянном напряжении при одновременном растяжении. .
■ " РИС 7 V ; • : ; •
ствует выравниванию поля перед пробоем. Такьк образом, наблюдаемый! в данном случае эффект упрочнения слюды не связан с имеющейся не> равномерностью^ электрического йоля, а вызван неоднородностью самого диэлектрика — слюды. При растяжении, вероятно, происходит уплотнение вещества за счет поперечного сжатия перпендикулярно плоскостям, спайности. . Л. ■' -.>
На рис. 7 представлены результаты измерений пробивного напряжения целлулоида на постоянном напряжении и одновременном одностороннем растяжении. Как видно из приводимых на рис. 7 данных, пробивная прочность целлулоида при растяжении, до самого разрыва, остается неизменной« Малый разброс точек говорит о хорошей однородности материала. Что касается изменения толщины целлулоида при растяжении, то опыты показывают, что она почти не изменяется. Например: начальная толщина равна <1 = 0,125 мм; при нагрузке 10 кг, когда уже наступает разрыв, толщина равна (1=0,123 мм. .
Результаты исследований автора показывают, что пробивная прочность твердых диэлектриков при ми*фонарушениях структуры, отмечаемых изменением лауэграмм, заметно не изменяется. Опыты с. исследованием разрядов в деформированных кристаллах показывают, что разряд идет по границе между напряженными и ненапряженными участками, где вероятнее всего возникновение нарушений сплошнрсти вещества.
Другие опыты такрсе приводят к заключению, что нарушение микроструктуры, диэлектрика вызывает значительное понижение электрической пррчности.
Зависимость пробивного напряжения диэлектрических кристаллов от энергии закрепления электронов
Одним из существенных вопросбв теории пробоя является вопрос о происхождении электронов, вызывающих разрушение - диэлектрика. Если эти электроны входят в диэлектрик из катода, то любопытно, каково пои этом будет влияние на электрическую прочность диэлектрика концентрации электронов в электродах потенциального барьера, отделяющего электроны металла'от диэлектрика, и вещества электродов. Опытами, проведенными в нашей лаборатории [20] в различных условиях, был дан ответ на три поставленные вьпре вопроса. Оказалось, что электрическая лрочность эбонита и каменной- соли заметно не изменяется при изменении вещества катода, причем в данных опытах употреблялись катоды се* ребряный, золотой и свинцовый. В качестве анода служила ртуть ил* свинец. Не обнаружено также влйяния на пробивное напряжение каменной соли электронов, срываемых с катода в диэлектрик при внешнем -фотоэффекте.
При пробое в неоднородном поле каменной соли и слюды не обнаружено влияния вещества острия (серебряного, платинового, медного, стального и алюминиевого) на пробивное напряжение- В других опытах с каменной солью и слюдой в качестве катода употреблялся электронный заряд, ионный поверхностный заряд (из газового разряда), ^серебро, свинец и калий,~ а р качестве анода серебро или положительный поверхностный заряд из газового разряда, однако пробивное напряжение при этом не изменялось [21]. Эти факты позволяют нам считать, что электрический пробой твердых диэлектриков представляется процессом, развивающимся главным образом за счет электронов самого диэлектрика, а не электронов, входящих в диэлектрик из катода. К этой мысли приводит также изучение фигур неполного пробоя твердых диэлектриков [22]. Опытами, проведенными нашей лаборатории [23], было показано, что неполный пробой кристаллов при наличии в них объемов с различной концентрацией свободных электронов, развивается, главным образом, в объемах,с повышенной концентрацией, 'Причем пути разрядов в этих областях более длинны и разветвлены, чем в областях с меньшей концентрацией электрону.
12 \ Ч , \ . . *
,7 9 "
иаксииуи поюсь* поглощения
Рис. 8
Процесс, пробоя в диэлектрике, приводящий к пробою* условно может <ыть разбит на три стадий.
1. Начало пробоя. В современных теориях пробоя оно отожествляется - с .освобождением электрическим полем наиболее слабо связанных электронов. .
2. Развитие- пробоя. Его описывают как нарастание электронного тока, текущего через диэлектрик при высокой напряженности пол я.
3. Завершение пробоя —трактуемое в настоящее время как проплав-ление решетки электронным током.
Вероятность проникновения электронов в зону проводимости связана с шириной запрещенного участка [24]. Из этого следует, что электрическая прочность зависит от ширины запрещенной зоны—она понижается при уменьшении ' этой зоны. Используя литературные данные [25], мы построили зависимость между величиной электрической прочности и шириной запрещенного промежутка энергии для кристалов щелочно-галоидно-го ряда. Известно [24], что ширина запрещенного участка в это^ случае определяется расположением максимума в спектре поглощения.
Эти данные изображены на рис. 8, где , ио оси абсцисс отложена величина энергии в электрон-вольтах, соответствующая максимуму полосы поглощения,^ по оси ординат— величина пробивной прочности в мегаволь-тах (мв/см)/ 1^ак видно на рис.-8, точки, ¿о-ответствующие солям, содержащим один й тот же щелочной металл, ложатся на одну
кривую. Следует заметить, что определен- . /
ному значению ширины запрещенного промежутка энергии однозначно^ не соответствует определенное значение электрической прочности.
Волькенштейн [25], на основании квантовой теории твердого тела^ показал, что при помещении диэлектрика во внешнее электрическое поле зоны разрешенных значений энергий для электронов диэлектрика расширяются, запретный промежуток между нийди уменьшается. Таким образом, работа вырывания электронов в сильных полях должна уменьшаться. К такому же заключению приводит теория Френкеля.. .
По предположению В ольке и штейна, пробой диэлектрика происходит тогда, когда зоны возможных энергий расширяются до полного их соприкосновения, т. е. диэлектрик переходит в состояние проводника.
Формулы Вол ькенштейна позволяют подсчитать величину уши-ренйя зон при различной напряженности поля в диэлектрике. ,
Опыты А. Ф. Иоффе и А. В. Иоффе [27], проведенные ими на полупроводниках, показали, что в сильных полях зависимость электропроводности от напряженности качественно согласуется с представлениями о|б уменьшении ширины запретного промежутка энергии, однако температурная зависимость эффекта противоречит этим представлениям. *
Представляло интерес проведение соответствующей проверки результатов расчетов Вол ькеншт ейна применительно к диэлектрикам. Эти измерения, с помощью оптического метода, были проведены нами [28]. Измерения Спектров поглощения диэлектриков были проведены при помещении в сильные электрические поля кристаллов К], КаС1, СаС03, слюды, сёры и, кальцита, а также стекла и рентгенизовайной каменной соли. Электрическое поле в диэлектриках достигало значения на 10—20% ниже пробивного. Никакого изменения положения максимумов собственного поглощения, для всех исследованных диэлектриков, не было обнаружено. ^ *
я и яр
Электронное сродство^ галоида Зависимость электрической прочности от электронного сродства галоидов для кристаллов щелочно-галоид-
пых солей. -
Рис. 9 .
Т* \
V*4 *
Ч " хй* « «'
'Л^Ч4 41
На основании полученных нами результатов приходим к заключению,; что работа вырывания электронов, при помещении диэлектрика в сильное электрическое поле, не уменьшается.;
Положение максимума поглощения почти не зависит от металла, но изменяется при замене галоида; поэтому интересно было сопоставить величину электрической прочности диэлектрика с энергией; электронного
сродства к галоиду. На рис. 9 по оси абсцисс отложено значение энергии длектронного сродства к галоиду, выраженное в к. кал., а по ^оси ординат^-величина электрической прочности в Мв/см. Характер получившейся зависимости в основном тот же, что к на рис. 8.
Таким образом, из данных, приведенных на рис. 8 и 9, можно сделать вывод, что электрическая проч-Иост с вязана с энергией освобождения наиболее слабо связанных элект; ронов диэлектрика, но ею однозначно не определяется.
Поляризационные свойства ионов, составляющих, кристаллическую решетку, могут влиять на величину электрической прочности диэлектрика» так как для подобных ионов (щелочных, галоидных и т.;д;) поля* 1 ризация иона будет зависеть от смещения электродов, а от величины смещенйя электронов в свою* очередь зависит возможность их отщепления.
Выше было показано, что величина электрической прочности зависит от сродства электрона к иону галоида и"энергии решетки. Интересно было- выяснить, как зависит .электрическая прочность кри-. сталла от отдельных составляющих энергий решетки и в частности от величины поляризационной энергий.. Поэтому были построены графики .зависимости электрической
прочности от величины: 1) рефракции Да== Кк, взятой как .сумма рефракций аниона и катиона, 2) поляризуемости аниона, -3) поляризационной энергии и 4) диэлектрической постоянной. 1
Зависимость между величиной электрической' прочности и рефракцией и величиной электрической прочности и поляризуемостью аниона получилась одинаковой. На рис. 10 представлена зависимость электрической* прочности от рефракции для кристаллов щелочн'о-галоидных сойей. Из рис ,10 видно, что с увеличением рефракции для фторйдов и-хлоридов '-электрическая прочность кристаллов быстро падает; для бромидов и иоди-дов зависимости прочности от рефракции почти нет. Так как зависимость электрической прочности от поляризуемости аниона точно такая, как и
С
о
з:
.ъг «а
1мкм •
К; *
1 г
\с% г . Лы 3 ^ОЧ) а
Рщфранция '/? 1 ■ '-Н.....
1$
.Зависимость между электрической прочностью кристаллов шелочно-галоидных и рефракцией.
Рис. 10 .
представленная на рис. £3, то мы заключаем, что зависимость электрической прочности от рефракции обусловливается анионом.
На зависимость электрической4 прочности солей от поляризуемости аниона было указано также Хнппелем (36), который нашел правило, что электрическая прочность растет с уменьшением поляризуемости аниона.
. Из данных, приведенных выше, также следует, что величина ширины запрещенной зоны энергий W также, определяется анионом. Поэтому зависимость, представленная на рис. 10, позволяет сделать вывод, что электрический пробой кристаллов щелочно-галоилных солей ^связан с отщеплением электронов от галоида; это находится также в согласии с характером зависимости электрической прочности от энергии электронного сродства галоида (рис. 9). Зависимость пробивной прочности от поляризационной энергии была построена для хлоридов, бромидов и иодидов. Получены три отдельные кривые. Для бромидов и иодидов поляризационная энергия в этом ряду изменяется на 55°/0. Электрическая прочность при этом почти не изменяется. Для хлоридов, при относительно меньших абсолютных значениях энергии, с уменьшением поляризационной энергий на 35%, прочность уменьшается на 80%.
Поляризационные свойства частиц особенно сильно будут проявляться в поверхностном слое аиэлектрика вследствие асимметрии силового поля, действующего на частицы. Поэтому величина поверхностной энергии будет связана с поляризационными свойствами ионов и с величиной элек-тпической прочности диэлектрика. Соответствующие построения, сделанные нами, показали наличие слабой зависимости между электрической прочностью и поверхностной энергией как для солей в твердом состоянии, так и их расплавов. Эта зависимость почти отсутствует для бро-мидоб и иодидов, и только при дальнейшем увеличении поверхностной энергии, при переходе к хлоридам начинается заметный рост прочности, что соответствует, в общем, характеру зависимости между электрической прочностью и поляризационной энергией.
В согласии с этим находится также высокое значение .электрической прочности слюды (18—25 мв/см), которая соответственно имеет высокое значение поверхностной энергии, равное 1500 эрг/см2.
Зависимость пробивной прочности диэлектрика от ч молекулярных характеристик
Если последовательно развивать представление о пробое, как о процессе, связанном только с освобождением и последующим движением электронов щ решетке, то получающийся при этом ряд следствий'не находит себе подтверждения при экспериментальной проверке. Например: согласно теории пробоя мы должны были иметь однозначную связь между величиной энергии освобождения наиболее слабо связанных электронов и пробивным напряжением. Затем, пробивное напряжение диэлектрика должно изменяться при нарушении решетки' за счет деформации, а опыты этого не подтверждают.
Малые примеси инородных веществ, вопрекифтеоретическим ожиданиям, также не оказывают заметного влияния на Лфобивное напряжение. Однако, ход зависимости пробивного напряжения от величины энергии закрепления электронов в основном совпадает с теоретически ожидаемым, но оказывается, что пробивная прочность изменяется не только при замене галоида, но также и металла (рис. 8). Последнее обстоятельство указывает на то, что в пробое играют некоторую роль связи, характеризующие данную решетку.
При пробое происходит разрушение диэлектрика, разрыв связей между его. частицами. «Поэтому интересно произвести сопоставление величины электрической прочности с величиной, характеризующей прочность связей частиц диэлектрика между собой —величиной энергии решетки, Как известно, под величиной энергци решетки понимают работу, которую нужно затратить для того, чтобы частицы; составляющие решетку, развести на бг-сконечно большое расстояние друг от друга. Дл$ кристаллов щел&чно~ галоидных солей энергия решетки в основном определяется кулоновскими силами взаимодействия и ее значения известны.
На рис. 11 представлена зависимость электрической прочности от величины Энергии решетки для кристаллов щелочно-галойдных солей^ построенная нами. Из рис. 11 видно, что^между этими величинами имеется почти линейная зависимость. 4
Можно указать ряд других диэлектриков, имеющих высокое значение энергии решетки и, соответственно, высокие значения электрической прочности. Приводим некоторые из них, указывая р скобках соответствующее значение энергии решетки в к.кал/моль:^ флюорит (612,2) оксид алюминия (3618) кварц (3097), двуокись титана (2943).
Исходя из наличия этой зависимости [13], можно было ожидать, что будет иметься определенная зависимость между электрической прочйо-
/ехал.
130
¿30 250
/мл
(70 • юо то энергия рше
Зависимость между величиной электрической прочности щелочно-галойдных солей и энергией кристаллической решетки.
Рис. П
§7А? ¿¿о- есе *09о иоо оно чоо шио ¿аос
Энергии ахтиЬш&и <? прои'Ьолш* ' одиницех .
Зависимость между электрической прочностью кристаллов щелочно-галоидных солей и эйергйей активации.
. Рис. 12' ,
стью й рядом других величин, связанных с, энергией решетки. Такими величинами могут прежде всего являться энергия активации и температура плавления. * ?
Энергией активаций называется минимальное значение энергии, необходимое для перевода частицы через потенциальный барьер, разделяющий одно от другого два положения равновесия. Расчеты, произведенные Ж да-новым [29], показали, что энергия активации <За свявана с температурой йлавления вещества следующим образом: /
Р.
Зк
ТБ, • /О
г-.
где в
I
у-; причем 8' определяет долю частиц решетки, находящихся а
нестационарном состоянии. Величины Б' для солей щелочно-гзлойдного ряда приводятся Ждановым. Таким образом, может быть подсчитана величина Qa'c учетом нарушений за счет частиц, находящихся в нестационарном состоянии. * V *
На рис* 12 представлена зависимость между величиной электрической прочности и энергией активации в произвольных единицах; *между этими величинами получилась линейная зависимость. Необходимо заметить, что неучет поправки Б', т. е. неучет нарушений решетки дает* большие отклонения от данной зависимости, особенно для кристаллов, имеющих вы? сокое значение прочности.
Согласно приведенному выражению (1) между энергией Активации и температурой плавления кристалла существует прямая* пропорциональность. Поэтому следует ожидать линейной зависимости между величиной электрической прочности и температурой плавления. Зависимость между этими величинами для кристаллов щелочно-галоидных солей представлена на рис. 13; где по оси ординат отложено значение величины электрической прочности, а по оси абсцисс—значение V температуры плавления в ,°К. Учитывая разброс отдельных табличных данных о температурах плавления солей, линейную зависимость можно считать достаточно хо-
4400
ш
3 1 .5 £
'иг
О Ь— 630
Ыаг
т*к
5Г» >050
то у.
. /250
750
т*с
Зависимость между .адектрической прочностью ^ температурой плавления для кристаллов 'щелочно-галоидных еояей. .
Рис. 13 '
Зависимость электрической прочностцот температуры плавления для твердых растворов.
Рис. 14
рощо выполняющейся для всех солей, исключая литиевой. Из литиевых солей имеются данные как об электрической прочности, так и о температуре плавления лишь для ЫР9 причем, согласно рис. 11, значения для этой срли резко выпадают из общей линейной зависимости. . 1 . •
Зависимость электрической прочности от температуры плавления для ряда твердых растворов была построена Б о г д а н о в о й [30]; она использовала данные нашей лаборатории^ а также данные Хип пел я. Эта зависимость представлена на рис. 14, 15 и 16.
- .'Зависимость между величиной электрической прочноститемпературой плавления твердых растворов также получается линейной. Для диэлектриков, имеющих температуру плавления выше 730°С, получаете? обращение зависимости; В этом случае с повышением температура плавления пробивная прочность уменьшается. Таким образом, приходится конг статировать, что < выведенное нами правило для ионных кристаллов, говорящее об увеличении пробивного напряжения кристалла при повышелии температуры плавления, в применении к твердым растворам тех же солей соблюдается йе во всех случаях. - ' .
Из других факторов, могущих' влиять на энергию решетки, а следовательно, и на электрическую прочность кристалла, можно еще указать на' пластическую деформацию и на температуру.
2* Изв. ТПИ, т. 63
17
Зависимость между величиной электрической прочности и энергией решетки, представленная на рис. 14, указывает йа то. что с уменьшением • анергии решетки прочность должна уменьшаться. При пластической деформации^ энергия решетки уменьшается» что должно сопровождаться понижением электрической прочности. Однако это изменение энергии решетки за счет латентной энергии [31] мало и не превышает 1—2.°/0 величины энергии решетки. Связанное с этим, изменением энергии решетки изменение прочности диэлектрика будет очень йалбя* трудно' определи-
щ
400
т
Рис. 15 . , -Рис. 16
Зависимость электрической прочности от температуры плавления для Твердых растворор. .
мо, что и наблюдалось в наших опытах с разрядами в кристаллах при наличии в них механических напряжений [13]. Что касается влияния температуры на электрическую прочность, то оно должно быть мало, так Как энергия решетки мало изменяется при изменении температуры. Это соображение подтверждается опытам. >
Связь между величиной электрической прочности и энергией решетки приводит к зависимости электрической прочности от физических свойств диэлектрика и образуЛцих его частиц, например, от постоянной решеткй> коэфициента сжатия радиуса катиона и аниона и других величин.
\ Заключение
Изложенные выше материалы показывают, что пробивная прочности? диэлектрика есть физическая Характеристика, закономерно изменяющаяся при изменении его химического состава. Практически малые изменения химического состава диэлектрика (порядка )ае;/вы>ы-ваю1т .заметно-
го изменения его электрической прочности. Электрическая прочность диэлектрика увеличивается с увеличением энергии зайрепления наиболее слабо связанных электронов и при* увеличении энергии и связи частиц, образующих решетку. Термическая обработка и механическая обработка диэлектриков не оказывают, заметного влияния на4 их пробивную прочность, вероятно, вследствие малого изменения энергии решетки при таком воздействии на диэлектрик. ' • ^ Нарушение сплошности диэлектрика (трещины, поры) значительно понижает его электрическую прочность. '
Квантовые теории пытаются объяснять явления пробоя твёрдых диэлектриков, учитывая только величину энергии освобождения электрона и последующего накопления им энергии при движении в /решетке.
Согласно этим теориям пробой * является следствием значительного возрастания электронного тока и проплавления решетки. Теории, не уделяют достаточного внимания рассмотрению последней стадии процесса пробоя —разрушения связей/между частицами, образующими кристалли-
ческую рещетку, пробою диэлектрика, поэтому в соответствующих формулах не находят, себе отражения величины, характеризующие энергию связи между частицами-решетки. Т
Приведенные нами экспериментальные закономерностй для ионных кристаллов говорят о необходимости .учета в теории электрического пробоя и молекулярных характеристик вещества.
ЛИТЕРАТУРА
. . ' , 'V
1. Av Hippel, Appl. Phys., 8, 815, 1937.' . 2. A.A. Соколов, ТрудыСФТИ, 4,40/1936. А. Ф. Иоффе.Полупроводники. ГТТИ, Î930. '3. П. С. Та рта ко веки й. Внутренний фотоэффект в диэлектриках. ГТТИ, 19é0. .
4. А. Воробьёв и А. Панов. Труды СФТИ. 4, 94, 1936.
5. Av №'pp.el, Zs. f. Phys., 88, 358* 1934.
^6. П. Ф. Кань шин. Отчет о работе. Томск. СФТИ, 1940. 7. H. Ç. Богданова. Отчет о работе. Томск. ТИИ, 1941.
6. В- Д. Кузнецов. Физика твердого тела. Томск, Кубуч, 1932. : 9. А. А. Воробьев. ДАН т. XXVI, № 8. 1940
10. T. Akachira и À.: G enfant Arch. f. El. 27, 577, 1933. .
11. А. Ф. Вальтер и Л. Д.1Инге. ЖТФ, 3, 851, 1933.
12. F. Koch, ETZ, 36. 85, 1915.
la. À. A. Воробьев;Диссертация. Томск. J933 г. ЖТФ. 10, 1184, 1940.
14. W. Welker, ETZ, P. 432 и 1422, 1924; 47/174, 1926; Hescho Mitt., Î8, id, 1925; 24, 707,1926. •
15. E. Н.Завад о в с к а я. Труды СФТИ (в печати) 1939.
16. П. П. Кобеко и И. В. Курчатов. Ж. РФХО 61, 379, 1Ô29.
17. А. Воробьев. Электричество, 4, 22, 1940.
18. А. Geroant, Zs. f. Phys. 57, 523, 1932. . •
19. А. Иоффе. Физика кристаллов. ГИЗ. 1928.
20. А. А. Воробьев и А. К. Красий. ЖТФ 8, 1560, 1937.
2}. А. К. Красин. Диссертаций. Томск. СФТИ. 1940. , -у
22. L. Inge и А. Walther, Zs. f. Phys: 64, 890, 1930; 71, 627, 1931. '
23. А. С. Волк. Отчет о работе. СФТИ. Томск, 1936.
24. С. Zenef, Proc. Roy Soc., A., 145. 523, 1934.
25. Ф. Ф. Волькенштейн. Труды ФЙАН„ 1, вып. 2, .128, 1937. Н. Frölich, Proc. Roy БосЛА/ 160, 230, 1937.
26. Av Hippel, Zs. f. Phys. 67-, 707, 1931; 68, 309, 1931. 101, 680, 1936. R. H il sch, Zs. f. Phys., 77, 427, 1932.
27. А. В* Иоффе и А. Ф. Иоффе. ДАН, XVI, № 2, 77, 1937.
28. А. Воробьев, ДАН № 8, 1940.
29. В. Жданов, ЖЭТФ, 8, 408, 1938. Труды СФТИ 4, 164,193§.
30. Н. Б. Богданова. Отчет о работе. Томск. ТИИ. 1941. ЖЭТФ (в печати).
31. Н. Ф. Кунин и Г. Вь Сенил ов. Труды СФТИ 4( 132, 193*. Е. Шмидт и В. Боа с. Пластичность кристаллов. ГОНТИ, НКТП СССР, 1938.
