絶縁強度

物理学では、誘電強度という用語には次のような意味があります。

純粋な電気絶縁材料の場合、理想的な条件下で材料が電気破壊を起こしたり導電性になったりすることなく（つまり絶縁特性が損なわれることなく）耐えることができる最大電界。
特定の誘電体材料と電極の位置において、絶縁破壊を引き起こす最小の印加電界（印加電圧を電極の分離距離で割った値）です。これが絶縁破壊電圧の概念です。

材料の理論的な誘電強度はバルク材料の固有の特性であり、材料の構成や電界が適用される電極とは無関係です。この「固有の誘電強度」は、理想的な実験室条件下で純粋な材料を使用して測定される値に対応します。ブレークダウンでは、電界によって束縛された電子が解放されます。適用される電界が十分に高い場合、背景放射線からの自由電子は、中性原子または分子との衝突によって追加の電子を解放できる速度まで加速される可能性があり、これはアバランシェブレークダウンと呼ばれるプロセスです。ブレークダウンは非常に突然に（通常はナノ秒単位で）発生し、その結果、導電性パスが形成され、材料を介した破壊的な放電が発生します。固体材料では、ブレークダウンイベントによって絶縁能力が大幅に低下するか、破壊されることもあります。

電気故障

電流は、電界によって引き起こされる物質内の電荷を帯びた粒子の流れです。電流の原因となる可動性の電荷粒子は、電荷キャリアと呼ばれます。さまざまな物質において、さまざまな粒子が電荷キャリアとして機能します。金属やその他の固体では、各原子の外側の電子の一部(伝導電子) が物質内を移動できます。電解質やプラズマでは、イオン、電荷を帯びた原子または分子、および電子が電荷キャリアとして機能します。伝導に利用できる電荷キャリアの濃度が高い物質は、所定の電圧を印加して生成される所定の電界で大きな電流を伝導するため、電気抵抗が低くなります。これを電気導体と呼びます。電荷キャリアが少ない物質は、所定の電界ではほとんど電流を伝導せず、電気抵抗が高くなります。これを電気絶縁体と呼びます。

しかし、絶縁物質に十分大きな電界をかけると、ある電界強度で物質内の電荷キャリアの濃度が突然何桁も増加するため、抵抗が下がり導体になります。これを電気破壊といいます。破壊を引き起こす物理的メカニズムは物質によって異なります。固体の場合、破壊は通常、電界が十分に強くなり、外側の価電子が原子から引き離されて移動可能になったときに発生します。破壊が発生する電界強度は、その物質の誘電強度と呼ばれる固有の特性です。

実際の電気回路では、絶縁材料の破損によりショートが発生し、機器の壊滅的な故障につながるなど、電気的な破壊は望ましくない出来事であることが多い。抵抗が突然低下すると、材料に大電流が流れ、突然の極端なジュール熱により、材料または回路の他の部分が溶けたり、爆発的に蒸発したりする場合があります。ただし、破壊自体は可逆的です。外部回路によって供給される電流が十分に制限されている場合、材料に損傷は発生せず、印加電圧を下げると、材料は絶縁状態に戻ります。

見かけの絶縁強度に影響を与える要因

サンプルの厚さによって変わる可能性があります。^[1]（下記の「欠陥」を参照）
動作温度によって変わる場合があります。
頻度によって変わる場合があります。
ガス（窒素、六フッ化硫黄など）の場合、水中のイオンが伝導チャネルを提供できるため、通常は湿度が上昇すると減少します。
気体の場合、パッシェンの法則に従って圧力とともに増加する。
空気の場合、絶対湿度が上昇すると誘電強度はわずかに増加するが、相対湿度が上昇すると誘電強度は減少する^[2]

フィールドの強さを分析する

絶縁破壊が起こる電界強度は、誘電体（絶縁体）と電界が印加される電極のそれぞれの形状、および印加電界の増加率に依存する。誘電体材料には通常、微細な欠陥が含まれるため、実際の絶縁耐力は、欠陥のない理想的な材料の固有の絶縁耐力よりも大幅に低くなる。誘電体フィルムは、同じ材料の厚いサンプルよりも大きな絶縁耐力を示す傾向がある。たとえば、厚さ約 1 μmの二酸化ケイ素膜の絶縁耐力は約 0.5 GV/m である。^[3]ただし、非常に薄い層（たとえば100 nm未満）は、電子トンネル効果により部分的に導電性になる。^{[説明が必要]}高圧コンデンサやパルストランスなど、最大の実用的な絶縁耐力が求められる場所では、薄い誘電体フィルムの多層構造が使用される。気体の絶縁耐力は電極の形状と構成によって異なるため、^[4]通常は窒素ガスの絶縁耐力の分数として測定される。

さまざまな一般的な材料の絶縁強度（MV/m、または10 ⁶ボルト/メートル）:

ユニット

SIでは、絶縁強度の単位はボルト/メートル(V/m) です。また、ボルト/センチメートル(V/cm)、メガボルト/メートル (MV/m) などの関連単位もよく使用されます。

米国の慣用単位では、絶縁強度はボルト/ミル（1ミルは1/1000インチ）で指定されることが多い。^[19]変換は次の通り。

{\begin{aligned}1{\text{ V/mil}}&=3.94\times 10^{4}{\text{ V/m}}\\1{\text{ V/m}}&=2.54\times 10^{-5}{\text{ V/mil}}\end{aligned}}

参照

参考文献

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この記事には、連邦規格 1037Cのパブリックドメインマテリアルが組み込まれています。一般調達局。2022 年 1 月 22 日にオリジナルからアーカイブされました。( MIL-STD-188 をサポート)。

外部リンク

IEEE Transactions on Electron Devices の記事「薄いシリコン酸化膜の最大誘電強度」

[1] 帝人デュポンフィルム (2003). 「マイラーポリエステルフィルム」（PDF）。

[2] リッツ、ハンス (1932). 「ルフトの均一なフェルデスの建設」。Elektrotechnik のアーカイブ。26 (4): 219–232。土井：10.1007/BF01657189。S2CID 108697400。

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[CRC-5] CRC化学物理ハンドブック

[6] ホン、アリス（2000年）。エレルト、グレン（編）。「空気の誘電強度」。物理学ファクトブック。2020年6月18日閲覧。

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[17] マーク・ブキャナン (2006 年 11 月)。「シュウィンガー限界を超えた」。自然物理学。2 (11): 721–721。土井：10.1038/nphys448。

[18] Stepan S Bulanov; Timur Esirkepov; Alexander G. Thomas; James K Koga; Sergei V Bulanov (2010). 「極端に高い出力のレーザーによるシュウィンガー限界の達成可能性について」. Phys. Rev. Lett . 105 (22) (第105版) (2010年11月24日発行): 220407. arXiv : 1007.4306 . doi :10.1103/PhysRevLett.105.220407. ISSN 0031-9007. PMID 21231373. S2CID 36857911. Wikidata Q27447776.

[19] 多くの例の 1 つについては、AJ Kirby 著の「ポリイミド: 材料、加工、およびアプリケーション」(Google ブックスリンク) を参照してください。

電気故障

見かけの絶縁強度に影響を与える要因

フィールドの強さを分析する

ユニット

参照

参考文献

外部リンク

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電界。