Elektrischer Fehler
Der Prozess des Zusammenbruchs eines Dielektrikums, der bei der Stoßionisation durch Elektronen aufgrund des Aufbrechens interatomarer, intermolekularer oder interionischer Bindungen auftritt, wird als elektrischer Zusammenbruch bezeichnet. Die Zeitdauer eines Stromausfalls variiert zwischen einigen Nanosekunden und mehreren zehn Mikrosekunden.
Abhängig von den Umständen seines Auftretens können elektrische Schäden schädlich oder vorteilhaft sein. Ein Beispiel für einen sinnvollen Stromausfall ist die Entladung einer Zündkerze im Arbeitsbereich eines Zylinders eines Verbrennungsmotors. Ein Beispiel für einen schädlichen Ausfall ist der Ausfall eines Isolators an einer Stromleitung.
Im Moment des elektrischen Durchschlags, wenn eine Spannung über dem kritischen Wert (über der Durchschlagsspannung) angelegt wird, steigt der Strom in einem festen, flüssigen oder gasförmigen Dielektrikum (oder Halbleiter) stark an. Dieses Phänomen kann für einen kurzen Zeitraum (Nanosekunden) anhalten oder über einen längeren Zeitraum bestehen bleiben, gerade wenn der Lichtbogen beginnt und im Gas weiter brennt.
Die elektrische Durchschlagfestigkeit Epr (Durchschlagsfestigkeit) dieses oder jenes Dielektrikums hängt von der inneren Struktur des Dielektrikums ab und ist nahezu unabhängig von der Temperatur, der Größe der Probe oder der Frequenz der angelegten Spannung. Für Luft beträgt die Spannungsfestigkeit unter normalen Bedingungen also etwa 30 kV/mm, für feste Dielektrika liegt dieser Parameter im Bereich von 100 bis 1000 kV/mm, während er für Flüssigkeit nur etwa 100 kV/mm beträgt.
Je dichter die Strukturelemente (Moleküle, Ionen, Makromoleküle etc.) sind, desto geringer wird die Durchschlagsfestigkeit des betrachteten Dielektrikums, da die mittlere freie Weglänge der Elektronen größer wird, das heißt, die Elektronen gewinnen genug Energie, um das Dielektrikum zu ionisieren Atome oder Moleküle auch bei geringerer Intensität der angelegten elektrischen Felder.
Die Inhomogenität des im Dielektrikum gebildeten elektrischen Feldes, die mit der Inhomogenität der inneren Struktur eines festen Dielektrikums zusammenhängt, hat einen starken Einfluss Spannungsfestigkeit eines solchen Dielektrikums… Wenn ein Dielektrikum, dessen Struktur inhomogen ist, in ein elektrisches Feld gleicher Stärke gebracht wird, dann ist das elektrische Feld innerhalb des Dielektrikums inhomogen.
Mikrorisse, Poren und äußere Einschlüsse, deren Durchschlagfestigkeitswert kleiner als der des Dielektrikums selbst ist, erzeugen Inhomogenitäten im elektrischen Feldstärkemuster innerhalb des Dielektrikums, was bedeutet, dass lokale Bereiche innerhalb des Dielektrikums eine höhere Festigkeit aufweisen. und ein Durchschlag kann bei niedrigeren Spannungen auftreten würde man von einem vollkommen homogenen Dielektrikum erwarten.
Vertreter poröser Dielektrika wie Pappe, Papier oder lackierter Stoff zeichnen sich durch besonders niedrige Durchbruchspannungsindikatoren aus, da das in ihrem Volumen gebildete elektrische Feld stark inhomogen ist, was bedeutet, dass die Intensität in lokalen Bereichen höher und höher ist Bei einer niedrigeren Spannung kommt es zu einem Durchschlag. Auf die eine oder andere Weise kann der elektrische Durchschlag in festen Partikeln über drei Mechanismen ablaufen, die wir weiter unten diskutieren werden.
Der erste Mechanismus des elektrischen Durchbruchs eines Festkörpers ist der gleiche innere Durchbruch, der mit der Aufnahme eines Ladungsträgers entlang des mittleren freien Energiepfads verbunden ist, der ausreicht, um die Gasmoleküle oder das Kristallgitter zu ionisieren, was die Konzentration der Ladungsträger erhöht. Hier bilden sich die freien Ladungsträger als Lawine, daher steigt der Strom.
Der nach diesem Mechanismus in einem Dielektrikum auftretende Durchschlag kann in der Masse oder an der Oberfläche erfolgen. Bei Halbleitern kann der Oberflächendurchbruch mit dem sogenannten Filamenteffekt zusammenhängen.
Wenn das Kristallgitter eines Halbleiters oder Dielektrikums erhitzt wird, kann ein zweiter Mechanismus des elektrischen Durchbruchs, der thermische Durchschlag, stattfinden. Mit zunehmender Temperatur können die freien Ladungsträger die Gitteratome leichter ionisieren; daher sinkt die Durchbruchspannung. Und es ist nicht so wichtig, ob die Erwärmung durch die Einwirkung eines elektrischen Wechselfeldes auf das Dielektrikum oder einfach durch die Wärmeübertragung von außen erfolgt.
Der dritte Mechanismus des elektrischen Durchschlags eines Feststoffs ist der Entladungsdurchschlag, der durch die Ionisierung von in einem porösen Material adsorbierten Gasen verursacht wird. Ein Beispiel für ein solches Material ist Glimmer. In den Poren des Stoffes eingeschlossene Gase werden zunächst ionisiert, es kommt zu Gaslecks, die dann zur Zerstörung der Oberfläche der Poren des Grundstoffes führen.