Độ bền điện môi dielectric strength là gì

Độ bền điện môi là gì

Độ bền điện môi hay dielectric strength là một thuộc tính vật chất nội tại đại diện cho điện trường tối đa mà một vật liệu nguyên chất có thể duy trì trước khi các đặc tính cách điện của nó bắt đầu bị hỏng. Nó cũng có thể được định nghĩa là điện áp cao nhất cần thiết để gây ra đánh thủng điện môi.

Vật liệu điện môi, hay nói ngắn gọn là chất điện môi, trên thực tế là một chất cách điện, có thể bị phân cực khi có điện trường. Điều này có nghĩa là khi chịu tác động của điện trường bên ngoài, vật liệu không cho phép dòng điện chạy qua vì không có các điện tử tự do di chuyển qua vật liệu (lưu ý rằng không có chất cách điện hoàn hảo). Đúng hơn là sự phân cực điện diễn ra, nơi các điện tích tĩnh phát huy tác dụng, có một lượng điện tích không đổi và vị trí đứng yên so với nhau. Đại lượng xác định khả năng tạo ra phân cực của vật liệu này là hằng số điện môi của nó.

Không nên nhầm độ bền điện môi với hằng số điện môi, mặc dù chúng có mối quan hệ với nhau. Trong khi độ bền điện môi đặc trưng cho chất lượng cách điện của vật liệu, thì hằng số điện môi là một tỷ lệ toán học không thứ nguyên của khả năng cho phép của vật liệu với khả năng cho phép của chân không, nên nó có tên thay thế là "độ cho phép tương đối".

Độ bền điện môi được biểu thị bằng Vôn trên một đơn vị độ dày (V / m) và không phụ thuộc vào cấu hình vật liệu hoặc các điện cực tạo ra điện trường. Nó là một thuộc tính thiết yếu của chất cách điện, chất lượng của nó thay đổi tỷ lệ thuận với sự thay đổi độ bền điện môi.

Đánh thủng điện môi là gì

Xem xét một vật liệu điện môi cụ thể, chẳng hạn như thủy tinh hoặc sứ, tiếp xúc với một hiệu điện thế nhất định. Việc liên tục tăng điện áp này sẽ làm cho vật liệu từ từ đạt đến khả năng tối đa để ngăn chặn bất kỳ dòng điện tử nào chạy qua (tức là độ bền điện môi của nó), sau đó sẽ xảy ra một sự kiện đột ngột, cục bộ gọi là sự đánh thủng điện môi.

Điều xảy ra khi đánh thủng là điện trường bên ngoài giải phóng các điện tử liên kết với các nguyên tử tương đối của chúng trong một phần nano giây, tạo ra một đường dẫn điện, hoặc một vết thủng, qua đó xảy ra phóng điện (ESD). Nói cách khác, dòng điện tăng đột ngột so với giá trị bão hòa, dẫn đến kiểu thác (avalanche) của các electron. Điều này làm cho vật liệu bị cháy trong khu vực đánh thủng, dẫn đến sự xuống cấp nghiêm trọng và thậm chí mất hoàn toàn khả năng cách điện. Những sự cố như vậy về bản chất là ngẫu nhiên và có thể khác nhau dựa trên trạng thái vật lý, độ tinh khiết và môi trường của vật liệu.

Ngoài đánh thủng nội tại này, đánh thủng có thể xảy ra theo những cách cụ thể hơn, chẳng hạn như:

Đánh thủng nhiệt phụ thuộc đặc tính nhiệt của vật liệu điện môi và có liên quan đến sự gia nhiệt Joule.

Đánh thủng phóng điện, rất quan trọng trong gốm sứ vì nó bắt đầu ở mức độ xốp, một tính không đồng nhất phổ biến trong gốm sứ.

Độ bền điện môi được đo như thế nào

Các quy trình thử nghiệm đã được đưa ra để đo độ bền điện môi của vật liệu cách điện. Tuy nhiên, điều quan trọng cần lưu ý là các phép thử này không đo giá trị nội tại của độ bền điện môi vì phóng điện sớm có thể xảy ra trong môi trường xung quanh các mẫu thử.

Có bốn thử nghiệm phổ biến sử dụng điện áp để đo các đặc tính điện môi của vật liệu.

1. Kiểm tra yêu cầu tối thiểu được chỉ định

Thử nghiệm này không thực sự đo độ bền điện môi; thay vào đó, nó đo độ chịu điện môi của vật liệu. Đó là lý do tại sao nó còn được gọi là thử nghiệm chịu điện môi . Khả năng chịu điện môi có nghĩa là khả năng của vật liệu cách điện chịu được điện áp cao trong một khoảng thời gian cụ thể trước khi nó bị hỏng.

Trong thử nghiệm này, điện áp được đặt trên vật liệu và tăng với tốc độ không đổi (thường là 5% điện áp quy định) cho đến khi đạt được giá trị chỉ ra trong thông số kỹ thuật của vật liệu, tại đó nó được giữ trong một thời gian xác định.

2. Kiểm tra đánh thủng, kiểm tra thời gian ngắn

Trong thử nghiệm này, điện áp đặt vào được tăng từ 0 với tốc độ đều (0,5-1,0 kV / s) cho đến khi đánh thủng. Tốc độ tăng điện áp này được chọn dựa trên thời gian tổng thể của thử nghiệm và đặc tính thời gian điện áp của vật liệu.

3. Kiểm tra phân tích, kiểm tra từng bước

Ở đây, điện áp được tăng lên từ điểm bắt đầu bằng 50% điện áp đánh thủng quy định trong thử nghiệm thời gian ngắn. Tỷ lệ tăng tương tự được áp dụng, nhưng giá trị được giữ sau mỗi lần tăng bằng nhau trong một khoảng thời gian xác định và sau đó tăng nhanh nhất có thể đến giá trị tiếp theo.

4. Kiểm tra để phân tích, tốc độ chậm của kiểm tra

Điện áp trong thử nghiệm này ban đầu cũng được đặt ở một nửa điện áp đánh thủng và tăng với tốc độ đều cho đến điểm đánh thủng. Tốc độ này được chọn để cung cấp cho mẫu thử nghiệm tiếp xúc với điện áp theo thời gian bằng nhau.

Sau đó, độ bền điện môi được tính bằng cách chỉ cần chia điện áp đánh thủng cho độ dày của vật liệu mẫu, điện áp này phải đủ lớn để ngăn phóng điện bề mặt xảy ra trước khi đánh thủng. Hãy nhớ rằng mối quan hệ giữa độ bền điện môi và độ dày không nhất thiết là tuyến tính.

Những ứng dụng cho độ bền điện môi

Độ bền điện môi là một yếu tố quan trọng trong việc lựa chọn vật liệu cách điện. Được sử dụng phổ biến nhất trong ngành công nghiệp điện và điện tử, độ bền điện môi đóng một vai trò quan trọng trong các ứng dụng như phủ và đóng gói các thiết bị điện tử. Nó cũng được sử dụng trong việc lựa chọn vật liệu và thiết kế tụ điện, trong đó vật liệu điện môi cung cấp khả năng lưu trữ điện cao khi được đặt giữa các tấm dẫn điện của tụ điện. Các chất điện môi trong tụ điện có thể là chân không, thể khí (chẳng hạn như không khí), chất lỏng (chẳng hạn như dầu khoáng), rắn (chẳng hạn như thủy tinh, oxit titan hoặc natri) hoặc sự kết hợp của chất lỏng và chất rắn (chẳng hạn như giấy tẩm dầu hoặc mica) . Điện môi cũng được sử dụng trong máy biến áp điện, máy phát tia lửa điện, dây cáp và đầu dò.

Độ bền điện môi được chú ý đáng kể trong ngành y tế, cách điện cần thiết cho một số thiết bị nhất định để bảo vệ bệnh nhân và nhân viên y tế khỏi dòng điện, đặc biệt khi thiết bị được kết nối với nguồn điện.