Guasto elettrico
Il processo di rottura di un dielettrico, che si verifica durante la ionizzazione per impatto da parte di elettroni a causa della rottura di legami interatomici, intermolecolari o interionici, è chiamato rottura elettrica. La durata del guasto elettrico varia da pochi nanosecondi a decine di microsecondi.
A seconda delle circostanze in cui si verifica, il danno elettrico può essere dannoso o benefico. Un esempio di guasto elettrico utile è lo scarico di una candela nell'area di lavoro di un cilindro del motore a combustione interna. Un esempio di guasto dannoso è il guasto di un isolatore su una linea elettrica.
Al momento della rottura elettrica, quando viene applicata una tensione superiore a quella critica (sopra la tensione di rottura), la corrente in un dielettrico solido, liquido o gassoso (o semiconduttore) aumenta bruscamente. Questo fenomeno può durare per un breve periodo di tempo (nanosecondi) o stabilirsi per molto tempo, proprio mentre l'arco si accende e continua a bruciare nel gas.
La resistenza alla scarica elettrica Epr (rigidità dielettrica) di questo o quel dielettrico dipende dalla struttura interna del dielettrico ed è pressoché indipendente dalla temperatura, né dalla dimensione del campione, né dalla frequenza della tensione applicata. Quindi, per l'aria, la rigidità dielettrica in condizioni normali è di circa 30 kV/mm, per i dielettrici solidi questo parametro è compreso tra 100 e 1000 kV/mm, mentre per il liquido sarà solo di circa 100 kV/mm.
Più densi sono gli elementi strutturali (molecole, ioni, macromolecole, ecc.), minore diventa la forza di rottura del dielettrico considerato, poiché il percorso libero medio degli elettroni diventa più grande, cioè gli elettroni guadagnano energia sufficiente per ionizzare il atomi o molecole anche con minore intensità dei campi elettrici applicati.
La disomogeneità del campo elettrico formatosi nel dielettrico, correlata alla disomogeneità della struttura interna di un dielettrico solido, influisce fortemente rigidità dielettrica di tale dielettrico… Se un dielettrico la cui struttura è disomogenea viene introdotto in un campo elettrico di uguale intensità, allora il campo elettrico all'interno del dielettrico sarà disomogeneo.
Microfratture, pori, inclusioni esterne che hanno un valore di resistenza alla rottura inferiore al dielettrico stesso genereranno disomogeneità nel modello di intensità del campo elettrico all'interno del dielettrico, il che significa che le aree locali all'interno del dielettrico avranno una resistenza maggiore e la rottura può verificarsi a tensioni inferiori a ci si aspetterebbe da un dielettrico perfettamente omogeneo.
I rappresentanti di dielettrici porosi, come cartone, carta o tessuto verniciato, si distinguono per indicatori di tensione di rottura particolarmente bassi, poiché il campo elettrico formato nel loro volume è nettamente disomogeneo, il che significa che l'intensità nelle aree locali sarà più elevata e la rottura si verificherà a una tensione inferiore. In un modo o nell'altro, nelle particelle solide, il guasto elettrico può procedere attraverso tre meccanismi, di cui parleremo in seguito.
Il primo meccanismo di rottura elettrica di un solido è la stessa rottura interna, che è associata all'acquisizione di un portatore di carica lungo il percorso di energia libera media, sufficiente a ionizzare le molecole di gas o il reticolo cristallino, che aumenta la concentrazione dei portatori di carica. Qui i liberi portatori di carica si formano come una valanga, quindi la corrente aumenta.
La rottura che si verifica in un dielettrico secondo questo meccanismo può essere di massa o superficiale. Per i semiconduttori, la rottura superficiale può essere correlata al cosiddetto effetto filamentoso.
Quando il reticolo cristallino di un semiconduttore o dielettrico viene riscaldato, può verificarsi un secondo meccanismo di rottura elettrica, rottura termica. All'aumentare della temperatura, i portatori di carica liberi diventano più facili da ionizzare gli atomi del reticolo; quindi la tensione di rottura diminuisce. E non è così importante se il riscaldamento è avvenuto per l'azione di un campo elettrico alternato sul dielettrico o semplicemente per il trasferimento di calore dall'esterno.
Il terzo meccanismo di rottura elettrica di un solido è la rottura per scarica, che è causata dalla ionizzazione dei gas adsorbiti in un materiale poroso. Un esempio di tale materiale è la mica. I gas intrappolati nei pori della sostanza vengono prima di tutto ionizzati, si verificano perdite di gas, che poi portano alla distruzione della superficie dei pori della sostanza di base.