1.6.

Rigiditatea dielectrica , sau intensitatea campului electric la care are loc strapungerea , este prin definitie, tensiunea la care se strapunge dielectricul raportata la grosimea dielectricului sau distanta dintre electrozii aplicati pe suprafata dielectricului. Rigiditatea dielectrica are o dependenta puternica de forma geometrica a electrozilor, care stabileste configuratia si gradul de neuniformitate a campului electric.

1. Rigiditatea dielectricilor gazosi

Strapungerea dielectricilor gazosi are loc atunci cand energia cinetica a purtatorilor de sarcina: electroni si ioni, accelerati in campul electric, este suficienta pentru a produce ionizarea prin ciocnire a moleculelor gazului.

Presupunem, asa cum se ilustreaza in fig.1.16a, ca o particula incarcata cu sarcina electrica  q, se deplaseaza pe directia campului , considerat constant, parcurgand distanta , in timpul si in timpul . Forta care actioneaza asupra particulei are expresia:

,                                                   (1.59)

unde: m este masa particulei, iar a este acceleratia ei.

fig.1.16 Parcursul liber mijlociu al unei particule incarcate electric (a) si dependenta rigiditatii aerului de distanta dintre electrozi plani, la presiune si temperatura normale (b).

Viteza particulei depinde de timpul in care actioneaza campul electric asupra ei si are expresia:

                                              (1.60)

Presupunand ca la momentul t=0 are loc o ciocnire a unei particule incarcate electric cu o molecula a gazului, care are ca efect eliberarea unui electron. Energia cinetica a electronului, proportionala cu viteza lui, pana in momentul unei noi ciocniri are valoarea cu atat mai ridicata cu cat parcursul liber mijlociu este mai mare.

Dependenta rigiditatii aerului de distanta dintre electrozi, de forma plana este reprezentata in fig.1.16b.

Cresterea presiunii gazului determina micsorarea parcursului liber mijlociu, scaderea energiei dobandite intre doua ciocniri succesive, scaderea posibilitatii de ionizare a gazului si cresterea rigiditatii. In camp electric uniform si electrozi plani, rigiditatea aerului la presiunea de 1atm. este: R_d=30kV/cm, iar la 10atm., R_d=300kV/cm.

Analiza: ZINCUL - metabolismul zincului - rolul biochimic al zincului Proiect: Hidrogen, oxigen, sulf, carbon - elemente chimice

Din curbele Pachen (fig.1.17a) se observa ca exista o tensiune minima aplicata electrozilor sub care strapungerea nu mai este posibila, indiferent de presiune sau distanta dintre electrozi. Valoarea acestei tensiuni este cuprinsa intre 280 V si 420 V, pentru aer fiind 350 V.

Rigiditatea dielectrica a gazelor in camp omogen depinde de frecventa. Aceasta dependenta este reprezentata pentru aer, in fig.1.17b. La frecvente ridicate rigiditatea creste pentru ca durata procesului de ionizare prin ciocnire devine comparabila cu semiperioada campului electric. Astfel, la un moment dat (fig.1.16a), sensul campului electric este inversat si particula incarcata cu sarcina electrica, nu va mai parcurge spatiul S₁ corespunzator ciocnirii cu o molecula a gazului.

In conditiile in care rigiditatea aerului este mult mai redusa decat rigiditatea unui dielectric solid, apare strapungerea aerului la suprafata dielectricului solid, fenomen numit conturnare si care depinde de configuratia si frecventa campului electric, starea suprafetei dielectricului si presiunea aerului.

fig.1.17 Curbele Pachen pentru aer (a) si dependenta de frecventa a rigiditatii aerului (b). [Cat]

2. Rigiditatea dielectricilor lichizi

Strapungerea are loc printr-un mecanism de ionizare prin ciocnire. Parcursul liber mijlociu fiind mult mai redus decat in dielectricii gazosi, rigiditatea dielectricilor lichizi este crescuta, avand valori de pana la 100 MV/m.

Prezenta impuritatilor, cu valori diferite ale permitivitatilor in raport cu cea a lichidului, determina micsorarea rigiditatii. Impuritatile se distribuie de-a lungul liniilor de camp sub forma unor 'lanturi', favorizand strapungerea.

Pentru campuri electrice cu frecventa ridicata, pierderile in dielectric, care sunt importante mai ales la lichide cu polarizare de orientare, produc incalziri locale, favorizand strapungerea prin cresterea numarului de purtatori de sarcina.

3. Rigiditatea dielectricilor solizi. Tipuri de strapungeri

Desi parcursul liber mijlociu este redus, in campuri electrice intense, pot avea loc ionizari prin ciocniri care conduc la strapungerea prin ionizare a dielectricului. Mecanismul strapungerii se bazeaza pe multiplicarea in avalansa a purtatorilor de sarcina electrica si este distructiv.

Din fig.1.18 se observa ca rigiditatea dielectricilor polari este crescuta deoarece prezenta dipolilor nu favorizeaza eliberarea electronilor care participa la strapungere. Dielectricii nepolari au rigiditate scazuta, independenta de temperatura pana la temperatura de topire.

Incluziunile sau neomogenitatile de material, produc concentrari sau dispersari ale liniilor de camp electric, favorizand strapungerea. Strapungerea prin ionizarea incluziunilor gazoase, in interiorul carora intensitatea campului electric are valori superioare intensitatii campului electric din dielectric, are loc in materiale cu porozitate.

fig.1.18 Dependenta rigiditatii de temperatura in cazul strapungerii electrice:

1-dielectric polar (polimetacrilat de metil);  2 - dielectric nepolar

(polietilena).

fig.1.19 Strapungerea termica a dielectricilor: dependenta de temperatura a

cantitatii de caldura dezvoltata datorita pierderilor in dielectric (linie

plina) si a cantitatii de caldura cedata mediului (linie intrerupta) [Cat].