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Mecanismos de Condução e RupturaMecanismos de Condução e Ruptura
em Dielétricosem Dielétricos
Universidade Federal de Campina Grande
−
UFCG
Centro de Ciências e Tecnologia
−
CCT
Departamento de Engenharia Elétrica
−
DEE
Capítulo 4
Campina Grande
PB
Disciplina: Materiais Elétricos^ Disciplina: Materiais Elétricos
Introdução;Introdução;
Dielétricos Gasosos;Dielétricos Gasosos;^
Lei de PaschenLei de Paschen
^
Mecanismo de TownsendMecanismo de Townsend
Campos UniformesCampos Uniformes
^
Coeficientes de Ionização e a Lei de PaschenCoeficientes de Ionização e a Lei de Paschen
^
Mecanismo de CanalMecanismo de Canal
Campos Não UniformesCampos Não Uniformes
^
Dielétricos Líquidos;Dielétricos Líquidos;
^
Dielétricos SólidosDielétricos Sólidos
Apresentação do CapítuloApresentação do Capítulo
Dielétricos GasososDielétricos Gasosos
Lei de Paschen
Curva de Paschen
V
s
pd
Lei de Paschen:^ Lei de Paschen
:^
VV
ss^
ff
( pd ( pd
Para incluir o efeito da temperatura:^ Para incluir o efeito da temperatura
:^
VV
(^) s^ s
ff
( Nd ( Nd
Resultado experimental para o ar:^ Resultado experimental para o ar
V^ V
ss^
= 24,22[293=
24,22[
pd/pd/
TT
] + 6,08[293] + 6,08[
pdpd
TT
1/21/2] ]
Rigidez dielRigidez dielé
étrica do ar na
trica do ar na
temperatura de 293 K e presstemperatura de 293 K e pressã
ão
o
de 760de 760 torr
torr:
E^ E
rig arrig ar
VV
/d =/d =s^ s
dd
Colisões em um Gás
A geração de portadores de cargas em um gás é feita através deA geração de portadores de cargas em um gás é feita através deprocessos de colisão de elétrons com átomos ou moléculas. Asprocessos de colisão de elétrons com átomos ou moléculas. Ascolisões podem ser classificadas em dois tipos:colisões podem ser classificadas em dois tipos:Colisões elásticas: só existe troca de energia cinética de translação
só existe troca de energia cinética de translação
entre as partículas, permanecendo constante a soma das energiasentre as partículas, permanecendo constante a soma das energiascinéticas antes e depois da colisãocinéticas antes e depois da colisão
Dielétricos Gasosos^ Dielétricos Gasosos
Colisões inelásticas: além da troca de energia cinética de translação
além da troca de energia cinética de translação
entre as partículas que se chocam, ao mesmo tempo ocorre a trocaentre as partículas que se chocam, ao mesmo tempo ocorre a trocade energia interna de uma ou mais partículade energia interna de uma ou mais partícula
Função dos Eletrodos nas Descargas em Gases
Dielétricos Gasosos^ Dielétricos Gasosos
Os eletrodos funcionam como fontes de portadores de carga. OsOs eletrodos funcionam como fontes de portadores de carga. Osportadores de carga podem ser liberados por mecanismos deportadores de carga podem ser liberados por mecanismos deemissão eletrônica:emissão eletrônica:Emissão Termoiônica: quando o filamento de um metal é aquecido,
quando o filamento de um metal é aquecido,
ele emite elétrons. Ex.: osciloscópios e televisoresele emite elétrons. Ex.: osciloscópios e televisoresEmissão Fotoelétrica: elétrons podem ser emitidos por eletrodos
elétrons podem ser emitidos por eletrodos
quando estes são atingidos por fótons de energia superior a funçãoquando estes são atingidos por fótons de energia superior a funç
ão
trabalho do seu material constituintetrabalho do seu material constituinteEmissão Secundária: elétrons podem ser emitidos por eletrodos
elétrons podem ser emitidos por eletrodos
através de processos secundáriosatravés de processos secundáriosEmissão de Campo: Imperfeições dos eletrodos podem fazem com
Imperfeições dos eletrodos podem fazem com
que o campo elétrico tenha valor elevado o suficiente para arrancarque o campo elétrico tenha valor elevado o suficiente para arran
car
partes microscópicas dos eletrodospartes microscópicas dos eletrodos
Mecanismos de Descargas em Gases
Dielétricos Gasosos^ Dielétricos Gasosos
Descargas Não Auto-mantidas: pequenas descargas parciais que
pequenas descargas parciais que
se formam no volume do dielétrico, mas que não são suficientesse formam no volume do dielétrico, mas que não são suficientespara romper a rigidez dielétrica do meio gasosopara romper a rigidez dielétrica do meio gasosoDescargas Auto-mantidas: o gás passa a ser um meio condutor de
o gás passa a ser um meio condutor de
eletricidadeeletricidade
Mecanismos de Ruptura
Mecanismo de Townsend
Mecanismo de Canal
Mecanismo de Townsend
Campos Uniformes
Dielétricos Gasosos^ Dielétricos Gasosos
Número de elétrons contido no espaço de espessura
dx
:^
dN
Ndx
:^
Primeiro coeficiente de ionização de Townsend
= n
o^
de colisões
Análise Quantitativa da Região de Descarga de Townsendionizantes feitas por um elétron em uma unidade de comprimentoNúmero de elétrons que chegam ao anodo:Corrente de elétrons no anodo:
−
+
dx d
x
x e N
N
α
0
x e I
I^
α
0
Mecanismo de Townsend
Campos Uniformes
Dielétricos Gasosos^ Dielétricos Gasosos
Análise Quantitativa da Região de Descarga de Townsend
ln(
ln(
0
x
I
I^
d^1
d^2
d^3
E 1
E
2
E
3
E
>E 1
2 >E
3
ln(
I ) ln(
I^0
)
d
Em tensões mais elevadas, acorrente cresce maisrapidamente do que
x e I
I^
α
0
Townsend postulou que um segundo mecanismo, denominado emissãosecundária, deveria contribuir para o aumento de elétrons no gás N
+^
= n
o^
de elétrons devido a processos secundários
N
a^
= n
o^
de elétrons que chegam ao anodo devido a todas as fontes
catodo
no
incidentes
íons
de
número
s
secundário
processos
a
devido
elétrons
de
número
segundo coeficientede ionização deTownsend
Mecanismo de Townsend
Campos Uniformes
Dielétricos Gasosos^ Dielétricos Gasosos
N
o^
de elétrons que chegam ao anodo devido a todas as fontes
Análise Quantitativa da Região de Descarga de TownsendCorrente de elétrons no anodoCritério de ruptura:
0
γ −
=
α α
d d
a^
e e N
N
0
γ −
=
α α^ d
d
a^
e e I
I
Ia
γ
=
γ^
α^
d e
γ
α d e
Sendo
Interpretação física: a condição de ruptura é alcançada quando se emiteum elétron secundário por cada elétron primário
Coeficientes de Ionização e a Lei de Paschen
Dielétricos Gasosos^ Dielétricos Gasosos
N
o^
de colisões ionizantes por unidade de comprimento é proporcional a
pressão
p
do gás
N
o^
de colisões ionizantes depende da energia
W
λ^
ganha pelos elétrons
entre colisões sucessivasCoeficiente
p ~ α
p
eE
eE
W
λ
: caminho médio livre entre colisões
p
(^
1
p
E
pf
eE
pf
1
p
E
f
p
Coeficientes de Ionização e a Lei de Paschen
Dielétricos Gasosos^ Dielétricos Gasosos
Aumento de
V
s^
para valores do produto
pd
)^
superiores a
pd
)^ min
Lei de Paschen:
V
s^
f
( pd
V
s min
( pd
) min
V
s
pd
Mantendo a pressão constante e aumentando a distância entre eletrodos: Deve-se aplicar uma tensão maior para manter o mesmo campo elétrico
Mantendo a distância constante e aumentando a pressão, diminui-se o caminho médio livre e a energia ganha entre colisões: É necessário umcampo elétrico mais elevado para compensar esse efeito
Coeficientes de Ionização e a Lei de Paschen
Dielétricos Gasosos^ Dielétricos Gasosos
Para valores do produto
pd
)^
inferiores a
pd
)^ min
Lei de Paschen:
V
s^
f
( pd
V
s min
( pd
) min
V
s
pd
A probabilidade de se produzir ionização no interior do gás é pequena: Precisa-se que os íons positivos tenham energia suficiente para arrancarelétrons do catodo. Essa probabilidade cresce com o aumento do campoMecanismo de Townsend e Lei de Paschen
Aplicação para
produtos
pd
)^
inferiores a 1000 torr.cm
Dielétricos GasososDielétricos Gasosos
Em campos uniformes ionização conduz a ruptura completa
Em campos não uniformes descargas corona são observadas antes ruptura completa
Corona ocorre na ponta
Cargas + aumentam o campo próximo aponta, mas diminuem o campo no gásCorona ocorre na ponta +Cargas + diminuem o campo próximo aponta, mas aumentam o campo no gás.
V
a+
> V
a^ −
V
r+
< V
r^ −
Campos Não Uniformes
Dielétricos Gasosos^ Dielétricos Gasosos
Descarga Corona:
Campos Não Uniformes
Conjunto de fenômenos associados às ionizações locais queantecedem a descarga através dos gases em campos muitodivergentesO efeito corona é provocado por campos elétricos de grandeintensidade, produzido por altas tensões. Os campos elétricosintensos são capazes de fornecer a energia necessária paraionizar as partículas do gás. O corona se observa na forma deuma luminescência azulada, acompanhada de um somcaracterístico (zumbido a rangido), e no ar, com formação deozônio
