Panne électrique
Le processus de claquage d'un diélectrique, qui se produit lors de l'ionisation par impact par des électrons due à la rupture de liaisons interatomiques, intermoléculaires ou interioniques, est appelé claquage électrique. La durée d'une panne électrique varie de quelques nanosecondes à plusieurs dizaines de microsecondes.
Selon les circonstances de leur apparition, les dommages électriques peuvent être nocifs ou bénéfiques. Un exemple de panne électrique utile est la décharge d'une bougie d'allumage dans la zone de travail d'un cylindre de moteur à combustion interne. Un exemple de défaillance préjudiciable est la défaillance d'un isolateur sur une ligne électrique.
Au moment du claquage électrique, lorsqu'une tension supérieure à la critique (au-dessus de la tension de claquage) est appliquée, le courant dans un diélectrique (ou semi-conducteur) solide, liquide ou gazeux augmente fortement. Ce phénomène peut durer peu de temps (nanosecondes) ou s'établir longtemps, au moment même où l'arc démarre et continue à brûler dans le gaz.
La résistance au claquage électrique Epr (rigidité diélectrique) de tel ou tel diélectrique dépend de la structure interne du diélectrique et est quasiment indépendante de la température, ni de la taille de l'échantillon, ni de la fréquence de la tension appliquée. Ainsi, pour l'air, la rigidité diélectrique dans des conditions normales est d'environ 30 kV / mm, pour les diélectriques solides, ce paramètre est compris entre 100 et 1000 kV / mm, tandis que pour le liquide, il ne sera que d'environ 100 kV / mm.
Plus les éléments structuraux (molécules, ions, macromolécules, etc.) sont denses, plus la résistance au claquage du diélectrique considéré devient faible, car le libre parcours moyen des électrons devient plus grand, c'est-à-dire que les électrons gagnent suffisamment d'énergie pour ioniser le diélectrique. atomes ou molécules même avec une intensité plus faible des champs électriques appliqués.
L'inhomogénéité du champ électrique formé dans le diélectrique, liée à l'inhomogénéité de la structure interne d'un diélectrique solide, affecte fortement tenue diélectrique d'un tel diélectrique… Si un diélectrique dont la structure est inhomogène est introduit dans un champ électrique d'égale intensité, alors le champ électrique à l'intérieur du diélectrique sera inhomogène.
Les microfissures, les pores, les inclusions externes qui ont une valeur de résistance au claquage inférieure au diélectrique lui-même généreront des inhomogénéités dans le modèle d'intensité du champ électrique à l'intérieur du diélectrique, ce qui signifie que les zones locales à l'intérieur du diélectrique auront une résistance plus élevée et le claquage peut se produire à des tensions inférieures à serait attendu d'un diélectrique parfaitement homogène.
Les représentants des diélectriques poreux, tels que le carton, le papier ou le tissu verni, se distinguent par des indicateurs de tension de claquage particulièrement faibles, car le champ électrique formé dans leur volume est fortement inhomogène, ce qui signifie que l'intensité dans les zones locales sera plus - élevée et la panne se produira à une tension inférieure. D'une manière ou d'une autre, dans les particules solides, le claquage électrique peut procéder par trois mécanismes, dont nous parlerons ci-dessous.
Le premier mécanisme de claquage électrique d'un solide est le même claquage interne, qui est associé à l'acquisition d'un porteur de charge le long du chemin moyen d'énergie libre, suffisant pour ioniser les molécules de gaz ou le réseau cristallin, ce qui augmente la concentration des porteurs de charge. Ici, les porteurs de charge libres se forment en avalanche, d'où l'augmentation du courant.
Le claquage se produisant dans un diélectrique selon ce mécanisme peut être massif ou surfacique. Pour les semi-conducteurs, la rupture de surface peut être liée à ce que l'on appelle l'effet filamentaire.
Lorsque le réseau cristallin d'un semi-conducteur ou d'un diélectrique est chauffé, un deuxième mécanisme de claquage électrique, le claquage thermique, peut avoir lieu. Lorsque la température augmente, les porteurs de charge libres deviennent plus faciles à ioniser les atomes du réseau ; donc la tension de claquage diminue. Et peu importe que le chauffage provienne de l'action d'un champ électrique alternatif sur le diélectrique ou simplement du transfert de chaleur de l'extérieur.
Le troisième mécanisme de claquage électrique d'un solide est le claquage par décharge, qui est provoqué par l'ionisation des gaz adsorbés dans un matériau poreux. Un exemple d'un tel matériau est le mica. Les gaz piégés dans les pores de la substance sont d'abord ionisés, des fuites de gaz se produisent, qui conduisent ensuite à la destruction de la surface des pores de la substance de base.