Falla elèctrica
El procés de ruptura d'un dielèctric, que es produeix durant la ionització per impacte pels electrons a causa de la ruptura d'enllaços interatòmics, intermoleculars o interiònics, s'anomena ruptura elèctrica. La durada de la fallada elèctrica varia d'uns pocs nanosegons a desenes de microsegons.
Depenent de les circumstàncies de la seva aparició, els danys elèctrics poden ser perjudicials o beneficiosos. Un exemple d'una avaria elèctrica útil és la descàrrega d'una bugia a l'àrea de treball d'un cilindre de motor de combustió interna. Un exemple de fallada perjudicial és la fallada d'un aïllant en una línia elèctrica.
En el moment de l'avaria elèctrica, quan s'aplica una tensió per sobre del crític (per sobre del voltatge de ruptura), el corrent en un dielèctric (o semiconductor) sòlid, líquid o gasós augmenta bruscament. Aquest fenomen pot durar un curt període de temps (nanosegons) o establir-se durant molt de temps, just quan l'arc comença i continua cremant en gas.
La resistència a la ruptura elèctrica Epr (rigidesa dielèctrica) d'aquest o aquell dielèctric depèn de l'estructura interna del dielèctric i és gairebé independent de la temperatura, ni de la mida de la mostra, ni de la freqüència de la tensió aplicada. Per tant, per a l'aire, la rigidesa dielèctrica en condicions normals és d'uns 30 kV / mm, per als dielèctrics sòlids aquest paràmetre es troba en el rang de 100 a 1000 kV / mm, mentre que per al líquid serà només d'uns 100 kV / mm.
Com més densos són els elements estructurals (molècules, ions, macromolècules, etc.), menor serà la resistència a la ruptura del dielèctric considerat, ja que el camí lliure mitjà dels electrons es fa més gran, és a dir, els electrons guanyen prou energia per ionitzar el àtoms o molècules fins i tot amb una menor intensitat dels camps elèctrics aplicats.
La deshomogeneïtat del camp elèctric format en el dielèctric, relacionada amb la deshomogeneïtat de l'estructura interna d'un dielèctric sòlid, afecta fortament rigidesa dielèctrica d'aquest dielèctric… Si s'introdueix un dielèctric l'estructura del qual no és homogènia en un camp elèctric d'igual intensitat, aleshores el camp elèctric dins del dielèctric serà no homogeni.
Les microesquerdes, els porus i les inclusions externes que tenen un valor de resistència a la ruptura més petit que el propi dielèctric generaran deshomogeneïtats en el patró d'intensitat del camp elèctric dins del dielèctric, el que significa que les àrees locals dins del dielèctric tindran una resistència més alta i la ruptura es pot produir a voltatges inferiors a s'esperaria d'un dielèctric perfectament homogeni.
Els representants de dielèctrics porosos, com el cartró, el paper o el drap envernissat, es distingeixen per indicadors especialment baixos de tensió de ruptura, ja que el camp elèctric format en el seu volum és molt poc homogeni, la qual cosa significa que la intensitat a les zones locals serà més alta i l'avaria es produirà a una tensió més baixa. D'una manera o altra, en partícules sòlides, l'avaria elèctrica pot procedir per tres mecanismes, que comentarem a continuació.
El primer mecanisme de ruptura elèctrica d'un sòlid és la mateixa ruptura interna, que s'associa amb l'adquisició d'un portador de càrrega al llarg del camí d'energia lliure mitjana, suficient per ionitzar les molècules de gas o la xarxa cristal·lina, la qual cosa augmenta la concentració de portadors de càrrega. Aquí els portadors gratuïts de càrrega es formen com una allau, per tant el corrent augmenta.
La ruptura que es produeix en un dielèctric segons aquest mecanisme pot ser a granel o superficial. Per als semiconductors, la ruptura superficial es pot relacionar amb l'anomenat efecte filamentari.
Quan s'escalfa la xarxa cristal·lina d'un semiconductor o dielèctric, es pot produir un segon mecanisme d'avaria elèctrica, la ruptura tèrmica. A mesura que augmenta la temperatura, els portadors de càrrega lliure es fan més fàcils d'ionitzar els àtoms de la xarxa; per tant la tensió de ruptura disminueix. I no és tan important si l'escalfament es va produir per l'acció d'un camp elèctric altern sobre el dielèctric o simplement per la transferència de calor des de l'exterior.
El tercer mecanisme de ruptura elèctrica d'un sòlid és la ruptura de la descàrrega, que és causada per la ionització dels gasos adsorbits en un material porós. Un exemple d'aquest material és la mica. Els gasos atrapats als porus de la substància s'ionitzen primer, es produeixen fuites de gas, que després condueixen a la destrucció de la superfície dels porus de la substància base.