Co to jest przebicie i jak powstaje? Co dokładnie dzieje się z izolatorem w trakcie przebicia? Czym jest wytrzymałość dielektryczna? Jaką wytrzymałość mają typowe izolatory i które z nich są najlepsze? O tym w dzisiejszym artykule dotyczącym przebicia.
Elektryczność bywa niebezpieczna
Podstawą znanej nam elektryczności są prąd oraz napięcie. Oba te zjawiska są ze sobą ściśle powiązane (nie ma wszak prądu bez napięcia) i służą do dostarczania naszym urządzeniom energii elektrycznej. Problem pojawia się wtedy, gdy nad jedną z tych wielkości stracimy nagle kontrolę. Wtedy to wystąpić mogą dwa niezwykle niebezpieczne zjawiska. Pierwsze nosi nazwę zwarcia i występuje w trakcie przepływu zbyt dużego prądu. Drugie występuje wtedy, kiedy to napięcie przekroczy bezpieczną wartość i nazywamy je przebiciem elektrycznym.
Co to jest przebicie?
Płynące w przewodach elektrycznych ładunki niosą ze sobą życiodajną energię niezbędną do pracy naszych urządzeń. Podłączając do gniazdka ładowarkę smartfona, suszarkę, toster czy dowolne inne urządzenie zauważyć możesz, że wtyczka którą trzymasz w dłoni oraz przewód wykonane są z tworzywa sztucznego lub gumy. Oba te materiały w świecie elektryczności nazywa się izolatorami (lub dielektrykami), a ich podstawowym zadaniem jest powstrzymywanie elektryczności przed ucieczką. Izolacja dba o to, by prąd płynął wewnątrz przewodu, prosto do zasilanego urządzenia, a nie na przykład przez twoje ciało, co mogłoby się dla ciebie skończyć tragicznie.
Świat izolatorów jest oczywiście znacznie większy i nie ogranicza się tylko do naszych urządzeń. Całkiem niezłym izolatorem jest na przykład powietrze, dzięki któremu przechadzając się w pobliżu linii wysokiego napięcia nie zostajemy nagle porażeni prądem. Innym przykładem są różnego rodzaju oleje, w których zanurza się urządzenia wysokiej mocy wymagające zarówno izolacji, jak i dobrego chłodzenia.
Izolatory chronią nasze życie każdego dnia, lecz niestety i one mają swoje ograniczenia. A kiedy taki izolator zawiedzie, wówczas dochodzi do zjawiska zwanego przebiciem. Wtedy to sytuacja odwraca się o 180 stopni i z materiału doskonale blokującego przepływ prądu izolator staje się nagle niezwykle dobrym przewodnikiem.
Kiedy dochodzi do przebicia?
Skoro izolator może nagle ,,przestać działać” to pozostaje pytanie kiedy może się to wydarzyć i jak tego uniknąć. Zasadniczo istnieją dwa sposoby prowadzące do zjawiska przebicia:
Mechaniczne uszkodzenie izolacji – mamy z nim do czynienia wszędzie tam, gdzie uszkodzony jest przewód elektryczny, bądź obudowa jakiegoś urządzenia. A o to przecież nie trudno, bo przewody w naszych domach nie mają lekkiego życia. Ten od odkurzacza często przytrzaskujemy drzwiami, ten od suszarki wielokrotnie rozwijamy i owijamy wokół urządzenia, nie mówiąc już o ciągłym zrzucaniu mniejszych lub większych urządzeń na podłogę. Jeśli zauważymy, że spod izolacji przewodu wystają miedziane żyły albo pęknięta obudowa urządzenia odsłania jakieś metalowe elementy, to pod żadnym pozorem nie należy takiego urządzenia dalej używać. Obudowę czy przewód można rzecz jasna wymienić lub naprawić, ale nie powinniśmy tego robić, jeśli się na tym nie znamy i nie mamy odpowiednich narzędzi.
Przekroczenie wytrzymałości elektrycznej izolatora – wiele izolatorów odpornych jest na pomysły człowieka – trudno wszak mechanicznie uszkodzić powietrze czy olej. Mimo to każdy izolator potrafiący powstrzymywać przepływ prądu może robić to tylko do pewnego stopnia. Wspomniane już powietrze chroni nas przed porażeniem od linii wysokiego napięcia, ale staje się bezsilnie w walce z siłami natury. W trakcie burzy wyładowania atmosferyczne dosłownie rozrywają atomy powietrza i przepuszczają przez nie prąd o ogromnym natężeniu. Powietrze na ułamek sekundy przestaje być izolatorem i staje się niezwykle dobrym przewodnikiem. Oczywiście błyskawice same w sobie są bardzo widowiskowe i niosą ze sobą śmiertelną energię, ale przebicie tego typu występować może też w znacznie mniejszej skali. Wszelkie iskry pochodzące od kuchenek gazowych czy zapalniczek to nic innego jak efekt przebitego powietrza.
Co sprawia, że izolator przestaje izolować?
Przekroczenie wytrzymałości elektrycznej może brzmieć tajemniczo i skomplikowanie, ale wcale takim nie jest. Aby zrozumieć co dokładnie dzieje się wewnątrz izolatora w momencie przebicia, musimy przyjrzeć mu się z naprawdę bliska… Mam na myśli skalę pojedynczych atomów.
Przewodniki przewodzą prąd, bo wewnątrz ich struktury znajduje się całe morze ,,bezdomnych” elektronów. Są to tzw. elektrony walencyjne, które nie czują się zbyt mocno związane ze swoimi atomami i pływają sobie swobodnie w strukturze przewodnika. Izolatory (czy jak kto woli dielektryki) to już zupełnie inna bajka. Każdy atom trzyma swoje elektrony w ryzach, więc nie ma mowy o istnieniu jakichkolwiek elektronów swobodnych. Skoro nie ma elektronów, przez materiał taki nie może również płynąć prąd.
Posiadanie przez przewodnik wolnych elektronów to dopiero połowa sukcesu. Normalnie pływają sobie one chaotycznie w jego wnętrzu i na niewiele nam się w takim stanie przydają. Aby zechciały one utworzyć zwarty strumień płynący w jednym kierunku (prąd elektryczny) musimy je do tego zmusić. Najprościej zrobić to poprzez przyłożenie napięcia – kiedy ujemnie naładowane, wolne elektrony je wyczują, natychmiast pomkną w kierunku wyższego potencjału. Cały mechanizm opisałem dokładnie w poniższym artykule:
Wydawać by się mogło, że skoro izolator nie posiada wolnych elektronów i nie jest zdolny do przewodzenia prądu, to jest on również kompletnie obojętny na napięcie elektryczne. To nie prawda! Pamiętajmy, że choć atomy są zasadniczo elektrycznie obojętne, to wciąż składają się z maleńkich elektronów o ładunku ujemnym i nieco większych protonów o ładunku dodatnim. Otoczenie takiego atomu różnicą potencjałów sprawia, że elektrony orbitujące wokół atomów odchylają swoje orbity w kierunku potencjału wysokiego, a jądro z kolei przyciągane jest nieco przez potencjał niski.
Na powyższym obrazku widać, że zbliżenie do atomu dwóch przeciwnie naładowanych płytek spowodowało jego odkształcenie, które fachowo nazywa się polaryzacją. Zauważ, że przeciwnie naładowane płytki nie muszą nawet dotykać atomu, by go odkształcić. Jest to możliwe dzięki istnieniu niewidzialnego pola elektrycznego, które potrafi przyciągać i odpychać ładunki. Każdy elektron i każdy proton takowe pole emituje, emituje je też każdy obiekt naładowany jakąś ilością ładunku. Dlatego właśnie atom widoczny na powyższym rysunku ulega rozciągnięciu. Znajdujące się w nim ujemnie naładowane elektrony i dodatnio naładowane protony otoczone są silnym polem elektrycznym pochodzącym od dwóch przeciwnie naładowanych płytek. Pod jego wpływem odczuwają siłę przyciągania – elektrony w kierunku potencjału dodatniego, protony w kierunku ujemnego. Cały atom zostaje spolaryzowany w sposób nazwijmy to ,,bezdotykowy”, czy jak to mówią elektrycy ,,poprzez indukcję elektrostatyczną”.
Jeśli nie do końca rozumiesz ideę pola elektrycznego i polaryzacji, to nie masz się czym przejmować. Artykuł, który teraz czytasz jest szóstym z kolei w kategorii ,,Elektrostatyka” i wszystkie użyte do tej pory pojęcia dokładnie wyjaśniłem w pięciu poprzednich. Dlatego jeśli chcesz wszystko dobrze zrozumieć, polecam przejść do mojego spisu treści i nadrobić poprzednie artykuły.
Jak można się domyślać, im pole elektryczne jest silniejsze, tym mocniej odkształci ono atom, który otacza. Przy odpowiednio dużej sile atom taki może przekroczyć swoją ,,granicę rozciągliwości”, co skutkuje oderwaniem się od niego jednego, czy dwóch elektronów. Dokładnie to zjawisko miałem na myśli wspominając o rozrywaniu cząsteczek powietrza pod wpływem wyładowania atmosferycznego. Fachowo efekt ten nazywamy jonizacją.
Wytrzymałość dielektryczna
Kluczem do osiągnięcia granicy wytrzymałości materiału jest wytworzenie potężnego pola elektrycznego. Jak to zrobić? Natężenie pola elektrycznego spełnia dwie podstawowe własności:
- Jego wartość rośnie wraz ze wzrostem napięcia
- Jego wartość maleje wraz z oddalaniem się od źródła
Natężenie pola elektrycznego E mierzymy w woltach na metr [V/m]. Jeśli zatem bieguny baterii o napięciu 1 V podłączymy do dwóch metalowych płytek i odsuniemy je na odległość 1 metra od siebie, to uzyskujemy natężenie pola elektrycznego o wartości 1 V/m. Zbliżając do siebie płytki albo zwiększając napięcie, powodujemy wzrost tego natężenia.
Jaka wartość natężenia pola elektrycznego jest w takim razie potrzebna, by doprowadzić do przebicia? Dla większości izolatorów… niezwykle ogromna. Wytrzymałość dielektryczna najgorszych izolatorów jest rzędu kilku milionów woltów na metr. Dlatego aby uniknąć pisania niepotrzebnych zer typową jednostką stosowaną w tabelach wytrzymałości dielektrycznej są megawolty na metr [MV/m] lub kilowolty na milimetr [kV/mm]. Przy czym jednostki te są sobie równoważne – 15 MV/m to dokładnie tyle samo co 15 kV/mm. Zobaczmy w takim razie ile wynosi wytrzymałość dielektryczna niektórych materiałów:
Wytrzymałość dielektryczna wybranych substancji
| Substancja | Wytrzymałość dielektryczna [MV/m] |
|---|---|
| Powietrze | 3 |
| Szkło | 9,8 - 13,8 |
| Poliwęglan (PC) | 15 |
| Papier | 16 |
| Politereftalan etylenu (PET) | 17 |
| Polietylen (PE) | 18,9 |
| Politetrafluoroetylen (PTFE) | 19,7 |
| Żywica epoksydowa | 19,7 |
| Polistyren (PS) | 19,7 |
| Polichlorek winylu (PVC, PCW) | 13,8 - 19,7 |
| Polipropylen (PP) | 23,6 |
| Poliuretan (PU, PUR) | 25,4 |
| Neopren (kauczuk sztuczny) | 15,7 - 27,6 |
| Taśma izolacyjna | 28 |
| Guma silikonowa | 26 - 36 |
| Woda destylowana | 65-70 |
| Olej transformatorowy | 110 |
| Porcelana | 35 - 160 |
| Szkło wodne | 200 |
| Guma naturalna (kauczuk) | 100 - 215 |
| Szkło kwarcowe | 470 - 670 |
| Diament | 2000 |
Warto myślę odnotować, że wśród gazów najwyższą wytrzymałość ma trichloro-trifluoroetan (około 19,5 MV/m), dla cieczy będzie to butylobenzen (275 MV/m), a koronę izolatorów w przypadku ciał stałych dzierży widoczny w tabeli diament, który z wynikiem 2000 MV/m wręcz deklasuje rywali. Lepsza od niego mogłaby być jedynie idealna próżnia, jednak te rzeczywiście osiągane w laboratoriach mają wytrzymałość dielektryczną dochodzącą ,,jedynie” do 30 MV/m.
Od czego zależy wytrzymałość dielektryczna?
Musisz wiedzieć, że podane w powyższej tabeli wartości dotyczą substancji o wysokiej czystości, znajdujących się w temperaturze pokojowej oraz ciśnieniu atmosferycznym. Wytrzymałość elektryczna to bowiem wielkość niezwykle wrażliwa na warunki zewnętrzne, nie mówiąc już o zanieczyszczeniach izolatora, które znacząco pogarszają jego parametry.
Wszystkie te rzeczy wydają nam się w pewien sposób naturalne ale jest jeszcze jedna, znacznie mniej oczywista kwestia. Bywa bowiem tak, że napięcie jest znacznie niższe od granicznego, a izolator i tak ulega zniszczeniu. Jak to się dzieje i co za to odpowiada? Spójrzmy na dwa przykłady widoczne na poniższej grafice:
Napięcie między dolnymi partiami chmur burzowych, a ziemią według różnych źródeł wynosi od 100 kV do 100 MV. Przyjmijmy, że jest to średnio 10 milionów woltów. Odległość takiej chmury od ziemi to z kolei jakieś 8 kilometrów. Dzieląc jedną wartość przez drugą wychodzi na to, że natężenie pola elektrycznego tuż przed uderzeniem pioruna wynosi 1250 V/m. W jaki sposób dochodzi zatem do wyładowania, skoro wartość natężenia nie jest nawet bliska 3 MV/m?
Drugi przykład widoczny po prawej stronie grafiki przedstawia kondensator, a więc urządzenie składające się z dwóch przeciwnie naładowanych płytek umieszczonych niezwykle blisko siebie. Odległość dwóch okładek kondensatora może być przeróżna tak jak i napięcie. W pokazanym przykładzie wartość natężenia pola elektrycznego wynosi zaledwie 1500 V/m, a więc jesteśmy bardzo daleko od granicy przebicia. Z obliczeń wynika, że moglibyśmy napięcie takiego kondensatora zwiększyć aż do 3000 V i nic nie powinno się stać! Rzeczywistość jest jednak inna i maksymalne napięcie kondensatorów powietrznych zalecane przez producentów jest mniej więcej trzykrotnie niższe od tego wynikającego z obliczeń. Dlaczego tak jest?
Patrząc na dwa kawałki płaskiej blachy może wydawać nam się, że są one idealnie gładkie. Pod mikroskopem zauważylibyśmy jednak masę nierówności i wybrzuszeń. Jaki ma to wpływ na wytrzymałość kondensatora? Otóż zbierający się na jego płytkach ładunek bardzo lubi gromadzić się we wszelkich zakamarkach i załamaniach. Większe zagęszczenie ładunku sprawia, że w tych miejscach natężenie pola elektrycznego może być nawet kilkukrotnie wyższe niż w miejscach nieco bardziej gładkich.
Do tego tam gdzie spotkają się dwa ,,wybrzuszenia” tam odległość między płytkami maleje, co dodatkowo wzmacnia to pole. W przypadku kondensatorów powietrznych nie ma to aż takiego znaczenia (zbyt duża odległość między płytkami), ale w kondensatorach wykorzystujących tworzywa sztuczne (PP, PET, PTFE) warstwa izolacji nie przekracza kilku mikrometrów. Z tego powodu nawet najdrobniejsza nierówność może znacząco zmniejszyć wartość napięcia jakim możemy bezpiecznie taki kondensator zasilić.
Kwestia ,,nierówności” jest też częściowo odpowiedzią na to dlaczego błyskawica mimo ,,jedynie” 10 milionów woltów jest w stanie przebyć odległość aż 8 kilometrów. Ponieważ jak tylko może i gdzie tylko może stara się ona skrócić i ułatwić sobie drogę! Czy wiesz dlaczego samotne drzewa są tak chętnie wybieranym przez błyskawicę celem? Przede wszystkim są one wysokimi obiektami wystającymi z ziemi. Dzięki temu po pierwsze skracają one nieco drogę ładunków chcących uciec do ziemi – zawsze to kilkanaście metrów mniej powietrza do pokonania. Po drugie czubek drzewa to idealne miejsce na koncentrację ładunku i zwiększenie w ten sposób natężenia pola elektrycznego. Oba te efekty w połączeniu z deszczem i specyficznym mechanizmem powstawania błyskawic sprawiają, że mogą one bez trudu rozrywać powietrze i pozbywać się nadmiaru ujemnego ładunku. Na szczęście powietrza nie da się trwale uszkodzić i pozbawione elektronów atomy bardzo szybko odnajdują sobie zastępstwo pośród milionów poruszających się w powietrzu cząsteczek, a my dalej możemy bezpiecznie spacerować sobie w pobliżu stacji transformatorowych i linii wysokiego napięcia.
Dzięki za poświęcony czas!
To już wszystkie istotne kwestie dotyczące przebicia elektrycznego. Mam nadzieję, że mój artykuł był dla Ciebie w jakiś sposób pomocny i odpowiedział na nurtujące Cię pytania. jeśli masz jeszcze jakieś wątpliwości, to z przyjemnością porozmawiam o nich na dole, w komentarzach. Do zobaczenia w kolejnych artykułach!
Bibliografia
- Elektrotechnika – S. Bolkowski, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne,
- Podstawy elektrotechniki i elektroniki – M. Doległo, 2016
- Podstawy elektrodynamiki – D. J. Griffiths,
- CRC Handbook of Chemistry and Physics – W. M. Haynes,
Czyli nie da się zapewnić odporności na prąd , nawet czysto hipotetycznie? Nie ma takich materiałów, które całkowicie chronią przed prądem? Nawet efekt naskórkowy nie chroni całkowicie przed prądem? Więc ludzie zawsze ginęli i będą ginąć przez porażenie? Musi istnieć jakiś sposób .
Nie istnieje idealny izolator. Nie jest nim kilkukilometrowa warstwa powietrza, którą bez trudu przebijają błyskawice. Nie jest nim też diament – chyba najlepszy znany ludzkości izolator. Nie oznacza to, że ludzie będą ginąć od porażenia, bo dzisiejsza ochrona przeciwporażeniowa bardzo dobrze chronić przed wszystkim, poza głupotą. Wystarczy być zatem odpowiedzialnym użytkownikiem instalacji elektrycznej i nie spacerować na zewnątrz w czasie burzy, a wtedy powinno być ok! I to bez pokrywania wszystkich przewodów diamentową izolacją.
Ja mam pytanie. Czy jest jakaś ogólna zależność, że im większa rezystywność, tym większa wytrzymałość elektryczna? Patrząc na mechanizmy za tym stojące, sposrzegam że jedno z drugim ma wiele wspólnego i powinna być jakaś korelacja między rezystywnością, a wytrzymałością elektryczną. I nie mówię tu oczywiście o relacji 1:1, bo zdaję sobie sprawę, że to pewnie zależy też od innych rzeczy, ale spodziewam się, że jeśli jakiś materiał ma dużą rezystywność, to z dużym prawdopodobieństwem będzie też mieć dużą wytrzymałość elektryczną. Czy faktycznie tak jest?
Owszem, taka korelacja istnieje. Im coś ma wyższą rezystancję, tym trudniej zrobić z tego przewodnik (a więc doprowadzić do przebicia). Jednak istnieje tutaj wiele niuansów, jak na przykład przewodnictwo powierzchniowe, które sprawiają, że to przełożenie nie jest 1:1 – tak jak podejrzewałeś.
Bardzo dziękuję za odpowiedź. Mam jeszcze parę innych pytań. Po pierwsze – mówiąc o największym możliwym polu elektrycznym jakie można do czegoś przyłożyć, mamy na myśli faktyczne pole jakie tam jest, czy pole które byłoby gdyby była tam próżnia (innymi słowy – czy bierzemy też pod uwagę przenikalność elektryczną)? Spodziewam się, że jeśli jest to pole próżni, to podobnie jak z rezystywnością, tak i z przenikalnością elektryczną – im będzie większa tym wytrzymałość elektryczna też będzie większa. No chyba że podstawiamy tam prawdziwe pole, to wtedy nie ma to zapewne wpływu. Po drugie – jak wygląda kwestia przebicia elektrycznego w superkondensatorach? One mogą mieć maksymalne napięcie do 2,7 V, mimo że odległość między „okładkami” jest mniej więcej taka, jak średnica molekularna elektrolitu, czyli wyraża się ją jakoś w nanometrach, co oznaczałoby, że ten elektrolit ma ogromną wytrzymałość elektryczną, bo dużo większą nawet niż wytrzymałość diamentu. Tym bardziej, że powierzchnia węgla aktywnego jest nieporównywalnie bardziej chropowata niż okładka jakiegokolwiek zwykłego kondensatora, bo w końcu węgiel celowo jest taki chropowaty, żeby zwiększyć powierzchnię „okładek”, a nie dlatego że ktoś niedokładnie wyszlifował. A po przekroczeniu tego napięcia 2,7 V i tak z tego co wiem nie dochodzi do przebicia, tylko zachodzą jakieś reakcje w elektrolicie. Tak więc moje pytanie brzmi – dlaczego elektrolit w superkondensatorach, ma tak wielką wytrzymałość elektryczną?
Tak naprawdę to zależy od kontekstu. Raz porusza się temat pola w dielektryku, innym razem w próżni.
Co do superkondensatorów to się na nich nie znam. Nie mam pojęcia jaki skład ma stosowany w nich elektrolit. Zresztą elektrolit to dość specyficzny materiał, ale jak każdy, ma swoje granice. Zaczyna się więc od jakichś przemian chemicznych, ale prędzej czy później dojdzie do przebicia. W zwykłych kondensatorach to też nie jest tak, że przekroczysz napięcie o 0,1 V i od razu dochodzi do przebicia.
Z przykładowego kondensatora omówionego wynika że dla 1mm maksymalne napięcie wynosi 3000v, a gdyby odległość wyniosie 1cm to napięcie maksymalne 300v. Im bardziej oddalę się okładki kondensatora tym mniejsze napięcie maksymalne…
Coś tu nie pasuje 🤔🤔🤔
Wybacz, ale przejrzałem artykuł i nie widzę żadnego przykładu dotyczącego maksymalnego napięcia kondensatora i zależności między odległością okładek, a napięciem. Możesz dokładnie zacytować o jaki fragment chodzi?
Genialne są Twoje artykuły. Na przykład dla elektryków muszą oni mieć diametryczne rękawice, jak by mieli za cienkie to by ich mogło także rąbnąć. I to też ich klasa musi być obrana dobrze do rodzajów prądu. Tak samo przebicie przez nie aby nie miało miejsca podczas pracy. Co do rozmowy o drzewach jako przewodnikach to chyba też zależy od jego wilgotności (czy żywe czy martwe) zewnętrznej warstwie a także jego gęstości jak łatwo przewodzi prąd. Wiele osób ginie w energetyce a w zasadzie w robotach leśnych w odsłanianiu nawisów drzewnych nad kablami. Styk drzewa i kable oraz człowieka to niemal zawsze porażenie.
Mam jednen problem.
Z jednej strony, wartość natężenia pola elektrycznego maleje wraz z oddalaniem się od źródła.
Z drugiej strony, potencjał ekektryczny spada, gdy zbliżamy do siebie płytki, więc i napięcie powinno spadać.
Czy to nie jest tak, że jedno drugiemu przeczy? Byłbym bardzo wdzięczny za odpowiedź 🙂
Jeśli mamy dwie płytki podłączone do baterii o napięciu 1 V, to potencjał jednej płytki (podłączonej do minusa) wynosi 0 V, a drugiej (podłączonej do plusa) 1 V. Różnica potencjałów wynosi zatem 1 V i wartość ta nie zmienia się kiedy zbliżamy płytki, bo bateria cały czas jest ta sama.
No niby to skrócenie drogi poprzez drzewo jest logiczne, tylko że drzewo jest kilka razy lepszym izolatorem od powietrza. Chyba że woda zawarta w rosnącym drzewie obniża wytrzymałość dielektryczną?
Skąd informacja, że drzewo jest kilkukrotnie lepszym izolatorem od powietrza? Chyba, że miałeś na myśli suche drewno, które podaje się w tego typu tabelach. Różnica między suchym drewnem, a drzewem jest ogromna. Drzewo nie jest zbyt dobrym izolatorem.