Falla eléctrica

El proceso de ruptura de un dieléctrico, que ocurre durante la ionización por impacto de electrones debido a la ruptura de enlaces interatómicos, intermoleculares o interiónicos, se denomina ruptura eléctrica. El tiempo de duración de la falla eléctrica varía desde unos pocos nanosegundos hasta decenas de microsegundos.

Dependiendo de las circunstancias de su ocurrencia, el daño eléctrico puede ser dañino o beneficioso. Un ejemplo de avería eléctrica útil es la descarga de una bujía en la zona de trabajo de un cilindro de un motor de combustión interna. Un ejemplo de falla dañina es la falla de un aislador en una línea eléctrica.

En el momento de la ruptura eléctrica, cuando se aplica un voltaje por encima del crítico (por encima del voltaje de ruptura), la corriente en un dieléctrico sólido, líquido o gaseoso (o semiconductor) aumenta bruscamente. Este fenómeno puede durar un corto período de tiempo (nanosegundos) o establecerse durante mucho tiempo, justo cuando el arco comienza y continúa quemando en gas.

La resistencia a la rotura eléctrica Epr (rigidez dieléctrica) de tal o cual dieléctrico depende de la estructura interna del dieléctrico y es casi independiente de la temperatura, del tamaño de la muestra o de la frecuencia del voltaje aplicado. Entonces, para el aire, la rigidez dieléctrica en condiciones normales es de unos 30 kV/mm, para dieléctricos sólidos este parámetro está en el rango de 100 a 1000 kV/mm, mientras que para el líquido será solo de unos 100 kV/mm.

Cuanto más densos son los elementos estructurales (moléculas, iones, macromoléculas, etc.), menor es la resistencia a la ruptura del dieléctrico considerado, ya que el camino libre medio de los electrones se hace mayor, es decir, los electrones ganan suficiente energía para ionizar el átomos o moléculas incluso con una menor intensidad de los campos eléctricos aplicados.

La falta de homogeneidad del campo eléctrico formado en el dieléctrico, relacionada con la falta de homogeneidad de la estructura interna de un dieléctrico sólido, afecta fuertemente fuerza dieléctrica de tal dieléctrico… Si un dieléctrico cuya estructura no es homogénea se introduce en un campo eléctrico de igual fuerza, entonces el campo eléctrico dentro del dieléctrico será no homogéneo.

Las microfisuras, los poros y las inclusiones externas que tienen un valor de resistencia a la ruptura menor que el dieléctrico en sí generarán falta de homogeneidad en el patrón de fuerza del campo eléctrico dentro del dieléctrico, lo que significa que las áreas locales dentro del dieléctrico tendrán mayor resistencia y la ruptura puede ocurrir a voltajes inferiores a cabría esperar de un dieléctrico perfectamente homogéneo.

Los representantes de los dieléctricos porosos, como cartón, papel o tela barnizada, se distinguen por indicadores particularmente bajos de voltaje de ruptura, ya que el campo eléctrico formado en su volumen es muy heterogéneo, lo que significa que la intensidad en las áreas locales será más alta y la ruptura ocurrirá a un voltaje más bajo. De una forma u otra, en las partículas sólidas, la ruptura eléctrica puede proceder por tres mecanismos, que discutiremos a continuación.

El primer mecanismo de ruptura eléctrica de un sólido es la misma ruptura interna, que está asociada con la adquisición de un portador de carga a lo largo del camino de energía libre media, suficiente para ionizar las moléculas de gas o red cristalina, lo que aumenta la concentración de portadores de carga. Aquí los portadores libres de carga se forman como una avalancha, por lo que la corriente aumenta.

La ruptura que se produce en un dieléctrico según este mecanismo puede ser en masa o superficial. Para los semiconductores, la ruptura de la superficie puede estar relacionada con el llamado efecto filamentoso.

Cuando se calienta la red cristalina de un semiconductor o dieléctrico, puede tener lugar un segundo mecanismo de ruptura eléctrica, la ruptura térmica. A medida que aumenta la temperatura, los portadores de carga libres se vuelven más fáciles de ionizar en los átomos de la red; por lo tanto, el voltaje de ruptura disminuye. Y no es tan importante si el calentamiento se produjo por la acción de un campo eléctrico alterno sobre el dieléctrico o simplemente por la transferencia de calor desde el exterior.

El tercer mecanismo de ruptura eléctrica de un sólido es la ruptura por descarga, que es causada por la ionización de gases adsorbidos en un material poroso. Un ejemplo de tal material es la mica. Los gases atrapados en los poros de la sustancia se ionizan en primer lugar, se producen fugas de gas, que luego conducen a la destrucción de la superficie de los poros de la sustancia base.