介質(zhì)的介電特性電壓擊穿性能
點(diǎn)擊次數(shù)：2519 更新時(shí)間：2014-07-04
摘要：介質(zhì)的介電特性，如絕緣、介電能力，都是指在一定的電場(chǎng)強(qiáng)度范圍內(nèi)的材料的絕緣特性，介質(zhì)只能在一定的電場(chǎng)強(qiáng)度以內(nèi)保持這些性質(zhì)。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度超過某一臨界值時(shí)，介質(zhì)由介電狀態(tài)變?yōu)閷?dǎo)電狀態(tài)。這種現(xiàn)象稱介電強(qiáng)度的破壞，或叫介質(zhì)的擊穿，與此相對(duì)應(yīng)的“臨界電場(chǎng)強(qiáng)度”稱為介電強(qiáng)度，或稱為擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度。
但嚴(yán)格地劃分擊穿類型是很困難的，但為了便于敘述和理解，通常將擊穿類型分為三種：熱擊穿、電擊穿、局部放電擊穿。而電擊穿和局部放電擊穿又統(tǒng)屬于電擊穿，所以我們常說介質(zhì)擊穿有兩大類，一是熱擊穿，二是電擊穿。以上三種類型各有以下的特征
1.熱擊穿：熱擊穿的本質(zhì)是處于電場(chǎng)中的介質(zhì)，由于其中的介質(zhì)損耗而產(chǎn)生熱量，就是電勢(shì)能轉(zhuǎn)換為熱量，當(dāng)外加電壓足夠高時(shí)，就可能從散熱與發(fā)熱的熱平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)入不平衡狀態(tài)，若發(fā)出的熱量比散去的多，介質(zhì)溫度將愈來愈高，直至出現(xiàn)*性損壞，這就是熱擊穿。
2.電擊穿：固體介質(zhì)電擊穿理論是在氣體放電的碰撞電離理論基礎(chǔ)上建立的。大約在本世紀(jì)30年代，以A.VonHippel和Frohlich為代表，在固體物理基礎(chǔ)上，以量子力學(xué)為工具，逐步建立了固體介質(zhì)電擊穿的碰撞理論，這一理論可簡(jiǎn)述如下：
在強(qiáng)電場(chǎng)下，固體介質(zhì)中可能因冷發(fā)射或熱發(fā)射存在一些原始自由電子。這些電子一方面在外電場(chǎng)作用下被加速，獲得動(dòng)能；另一方面與晶格振動(dòng)相互作用，把電場(chǎng)能量傳遞給晶格。當(dāng)這兩個(gè)過程在一定溫度和場(chǎng)強(qiáng)下平衡時(shí)，固體介質(zhì)有穩(wěn)定的電導(dǎo)；當(dāng)電子從電場(chǎng)中得到的能量大于傳遞給晶格振動(dòng)的能量時(shí)，電子的動(dòng)能就越來越大，至電子能量大到一定值時(shí)，電子與晶格振動(dòng)相互作用導(dǎo)致電離產(chǎn)生新電子，使自由電子數(shù)迅速增加，電導(dǎo)進(jìn)入不穩(wěn)定階段，擊穿發(fā)生。
3.此外還有化學(xué)擊穿。電介質(zhì)中強(qiáng)電場(chǎng)產(chǎn)生的電流在例如高溫等某些條件下可以引起電化學(xué)反應(yīng)。例如離子導(dǎo)電的固體電介質(zhì)中出現(xiàn)的電解、還原等。結(jié)果電介質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，或者是分離出來的物質(zhì)在兩電極間構(gòu)成導(dǎo)電的通路。或者是介質(zhì)表面和內(nèi)部的氣泡中放電形成有害物質(zhì)如臭氧、一氧化碳等，使氣泡壁腐蝕造成局部電導(dǎo)增加而出現(xiàn)局部擊穿，并逐漸擴(kuò)展成*擊穿。溫度越高，電壓作用時(shí)間越長(zhǎng)，化學(xué)形成的擊穿也越容易發(fā)生。
但不管怎樣，我認(rèn)為所有的介質(zhì)擊穿均是因極化效應(yīng)引起的。
凡在外電場(chǎng)作用下產(chǎn)生宏觀上不等于零的電偶極矩，因而形成宏觀束縛電荷的現(xiàn)象稱為電極化，能產(chǎn)生電極化現(xiàn)象的物質(zhì)統(tǒng)稱為電介質(zhì)。電介質(zhì)的電阻率一般都很高，被稱為絕緣體。有些電介質(zhì)的電阻率并不很高，不能稱為絕緣體，但由于能發(fā)生極化過程，也歸入電介質(zhì)。通常情形下電介質(zhì)中的正、負(fù)電荷互相抵消，宏觀上不表現(xiàn)出電性，但在外電場(chǎng)作用下可產(chǎn)生如下3種類型的變化：
1原子核外的電子云分布產(chǎn)生畸變，從而產(chǎn)生不等于零的電偶極矩，稱為畸變極化；
2原來正、負(fù)電中心重合的分子，在外電場(chǎng)作用下正、負(fù)電中心彼此分離，稱為位移極化；
3具有固有電偶極矩的分子原來的取向是混亂的，宏觀上電偶極矩總和等于零，在外電場(chǎng)作用下，各個(gè)電偶極子趨向于一致的排列，從而宏觀電偶極矩不等于零，稱為轉(zhuǎn)向極化。
研究電介質(zhì)宏觀介電性質(zhì)及其微觀機(jī)制以及電介質(zhì)的各種特殊效應(yīng)的物理學(xué)分支學(xué)科。基本內(nèi)容包括極化機(jī)構(gòu)、標(biāo)志介電性質(zhì)的電容率與介質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)以及與溫度和外場(chǎng)頻率間的關(guān)系、電介質(zhì)的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性、介質(zhì)損耗、介質(zhì)擊穿機(jī)制等。此外，還有許多電介質(zhì)具有的各種特殊效應(yīng)。
普遍規(guī)律：介質(zhì)的擊穿總是從電氣性能zui薄弱的缺陷處發(fā)展起來的，這里的缺陷可指電場(chǎng)的集中，也可指介質(zhì)的不均勻性。
但嚴(yán)格地劃分擊穿類型是很困難的，但為了便于敘述和理解，通常將擊穿類型分為三種：熱擊穿、電擊穿、局部放電擊穿。而電擊穿和局部放電擊穿又統(tǒng)屬于電擊穿，所以我們常說介質(zhì)擊穿有兩大類，一是熱擊穿，二是電擊穿。以上三種類型各有以下的特征
1.熱擊穿：熱擊穿的本質(zhì)是處于電場(chǎng)中的介質(zhì)，由于其中的介質(zhì)損耗而產(chǎn)生熱量，就是電勢(shì)能轉(zhuǎn)換為熱量，當(dāng)外加電壓足夠高時(shí)，就可能從散熱與發(fā)熱的熱平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)入不平衡狀態(tài)，若發(fā)出的熱量比散去的多，介質(zhì)溫度將愈來愈高，直至出現(xiàn)*性損壞，這就是熱擊穿。
2.電擊穿：固體介質(zhì)電擊穿理論是在氣體放電的碰撞電離理論基礎(chǔ)上建立的。大約在本世紀(jì)30年代，以A.VonHippel和Frohlich為代表，在固體物理基礎(chǔ)上，以量子力學(xué)為工具，逐步建立了固體介質(zhì)電擊穿的碰撞理論，這一理論可簡(jiǎn)述如下：
在強(qiáng)電場(chǎng)下，固體介質(zhì)中可能因冷發(fā)射或熱發(fā)射存在一些原始自由電子。這些電子一方面在外電場(chǎng)作用下被加速，獲得動(dòng)能；另一方面與晶格振動(dòng)相互作用，把電場(chǎng)能量傳遞給晶格。當(dāng)這兩個(gè)過程在一定溫度和場(chǎng)強(qiáng)下平衡時(shí)，固體介質(zhì)有穩(wěn)定的電導(dǎo)；當(dāng)電子從電場(chǎng)中得到的能量大于傳遞給晶格振動(dòng)的能量時(shí)，電子的動(dòng)能就越來越大，至電子能量大到一定值時(shí)，電子與晶格振動(dòng)相互作用導(dǎo)致電離產(chǎn)生新電子，使自由電子數(shù)迅速增加，電導(dǎo)進(jìn)入不穩(wěn)定階段，擊穿發(fā)生。
3.此外還有化學(xué)擊穿。電介質(zhì)中強(qiáng)電場(chǎng)產(chǎn)生的電流在例如高溫等某些條件下可以引起電化學(xué)反應(yīng)。例如離子導(dǎo)電的固體電介質(zhì)中出現(xiàn)的電解、還原等。結(jié)果電介質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，或者是分離出來的物質(zhì)在兩電極間構(gòu)成導(dǎo)電的通路。或者是介質(zhì)表面和內(nèi)部的氣泡中放電形成有害物質(zhì)如臭氧、一氧化碳等，使氣泡壁腐蝕造成局部電導(dǎo)增加而出現(xiàn)局部擊穿，并逐漸擴(kuò)展成*擊穿。溫度越高，電壓作用時(shí)間越長(zhǎng)，化學(xué)形成的擊穿也越容易發(fā)生。
但不管怎樣，我認(rèn)為所有的介質(zhì)擊穿均是因極化效應(yīng)引起的。
凡在外電場(chǎng)作用下產(chǎn)生宏觀上不等于零的電偶極矩，因而形成宏觀束縛電荷的現(xiàn)象稱為電極化，能產(chǎn)生電極化現(xiàn)象的物質(zhì)統(tǒng)稱為電介質(zhì)。電介質(zhì)的電阻率一般都很高，被稱為絕緣體。有些電介質(zhì)的電阻率并不很高，不能稱為絕緣體，但由于能發(fā)生極化過程，也歸入電介質(zhì)。通常情形下電介質(zhì)中的正、負(fù)電荷互相抵消，宏觀上不表現(xiàn)出電性，但在外電場(chǎng)作用下可產(chǎn)生如下3種類型的變化：
1原子核外的電子云分布產(chǎn)生畸變，從而產(chǎn)生不等于零的電偶極矩，稱為畸變極化；
2原來正、負(fù)電中心重合的分子，在外電場(chǎng)作用下正、負(fù)電中心彼此分離，稱為位移極化；
3具有固有電偶極矩的分子原來的取向是混亂的，宏觀上電偶極矩總和等于零，在外電場(chǎng)作用下，各個(gè)電偶極子趨向于一致的排列，從而宏觀電偶極矩不等于零，稱為轉(zhuǎn)向極化。
研究電介質(zhì)宏觀介電性質(zhì)及其微觀機(jī)制以及電介質(zhì)的各種特殊效應(yīng)的物理學(xué)分支學(xué)科。基本內(nèi)容包括極化機(jī)構(gòu)、標(biāo)志介電性質(zhì)的電容率與介質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)以及與溫度和外場(chǎng)頻率間的關(guān)系、電介質(zhì)的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性、介質(zhì)損耗、介質(zhì)擊穿機(jī)制等。此外，還有許多電介質(zhì)具有的各種特殊效應(yīng)。
普遍規(guī)律：介質(zhì)的擊穿總是從電氣性能zui薄弱的缺陷處發(fā)展起來的，這里的缺陷可指電場(chǎng)的集中，也可指介質(zhì)的不均勻性。
