عطل كهربائي

شدة المجال الكهربائي ( بالفولت لكل متر) التي يحدث عندها الانهيار هي خاصية جوهرية للمادة العازلة تُسمى قوة العزل الكهربائي . وينشأ هذا المجال عادةً عن طريق تطبيق جهد كهربائي عبر المادة. ويُطلق على الجهد الكهربائي اللازم لإحداث الانهيار في جسم عازل معين اسم جهد الانهيار . ويختلف المجال الكهربائي المتولد في جسم عازل معين بفعل الجهد الكهربائي المطبق تبعًا لحجم الجسم وشكله وموقع نقاط التلامس الكهربائية التي يُطبق عليها الجهد، لذا فبالإضافة إلى قوة العزل الكهربائي للمادة، يعتمد جهد الانهيار على هذه العوامل.

في صفيحة عازلة مسطحة بين قطبين معدنيين مسطحين، يكون المجال الكهربائي${\displaystyle E}$يتناسب مع الجهد${\displaystyle V}$مقسومًا على السماكة${\displaystyle D}$من العازل، لذلك بشكل عام جهد الانهيار${\displaystyle V_{\text{b}}}$يتناسب مع قوة العزل الكهربائي${\displaystyle E_{\text{ds}}}$وطول العازل بين موصلين

${\displaystyle V_{\text{b}}=DE_{\text{ds}}}$

ومع ذلك، يمكن أن يؤثر شكل الموصلات على جهد الانهيار.

الانهيار عملية موضعية، وفي وسط عازل يتعرض لفرق جهد عالٍ، يبدأ عند أي نقطة في العازل يتجاوز فيها المجال الكهربائي قوة العزل الكهربائي الموضعية للمادة. ولأن المجال الكهربائي على سطح الموصل يكون في أعلى مستوياته عند الأجزاء البارزة والنقاط الحادة والحواف، فبالنسبة لموصل مغمور في عازل متجانس كالهواء أو الزيت، يبدأ الانهيار عادةً عند هذه النقاط. في العازل الصلب، غالبًا ما يبدأ الانهيار عند عيب موضعي، مثل شق أو فقاعة في عازل خزفي. إذا كان الجهد منخفضًا بدرجة كافية، فقد يقتصر الانهيار على هذه المنطقة الصغيرة؛ وهذا ما يُسمى بالتفريغ الجزئي . في غاز مجاور لموصل مدبب حاد، يمكن لعمليات الانهيار الموضعية، مثل تفريغ الهالة أو تفريغ الفرشاة ، أن تسمح بتسرب التيار من الموصل إلى الغاز على شكل أيونات. مع ذلك، عادةً في العازل الصلب المتجانس، بعد انهيار منطقة ما وتحولها إلى موصلة، لا يحدث انخفاض في الجهد عبرها، ويُطبق فرق الجهد الكامل على الطول المتبقي من العازل. بما أن انخفاض الجهد أصبح الآن عبر مسافة أقصر، فإن هذا يُولّد مجالًا كهربائيًا أقوى في المادة المتبقية، مما يؤدي إلى انهيار المزيد من المادة. لذا، تنتشر منطقة الانهيار بسرعة (في غضون نانوثانية) في اتجاه تدرج الجهد (المجال الكهربائي) من أحد طرفي العازل إلى الطرف الآخر، حتى يتشكل مسار موصل متصل عبر المادة بين نقطتي التلامس اللتين تُطبقان فرق الجهد، مما يسمح بتدفق التيار بينهما، مُسببًا قوسًا كهربائيًا .

يمكن أن يحدث الانهيار الكهربائي أيضًا دون تطبيق جهد كهربائي، نتيجةً لموجة كهرومغناطيسية. فعندما تمر موجة كهرومغناطيسية شديدة الكثافة عبر وسط مادي، قد يكون المجال الكهربائي للموجة قويًا بما يكفي لإحداث انهيار كهربائي مؤقت. على سبيل المثال، يمكن لشعاع ليزر مُركّز على بقعة صغيرة في الهواء أن يُسبب انهيارًا كهربائيًا وتأينًا للهواء عند نقطة التركيز.

في الدوائر الكهربائية العملية ، يُعدّ الانهيار الكهربائي عادةً حدثًا غير مرغوب فيه، وهو عبارة عن خلل في مادة العزل يُسبب قصرًا كهربائيًا ، وقد يؤدي إلى عطل كارثي في ​​الجهاز. في دوائر الطاقة، يتسبب الانخفاض المفاجئ في المقاومة في تدفق تيار عالٍ عبر المادة، مما يُؤدي إلى بدء قوس كهربائي . وإذا لم تقم أجهزة السلامة بقطع التيار بسرعة، فقد يتسبب التسخين الشديد المفاجئ الناتج عن ظاهرة جول في انصهار أو تبخر مادة العزل أو أجزاء أخرى من الدائرة بشكل انفجاري، مما يُلحق الضرر بالجهاز ويُشكل خطرًا للحريق. مع ذلك، يُمكن لأجهزة الحماية الخارجية في الدائرة، مثل قواطع الدائرة ومحددات التيار ، منع التيار العالي؛ كما أن عملية الانهيار نفسها ليست بالضرورة مُدمرة، وقد تكون قابلة للعكس، كما هو الحال في أنبوب مصباح التفريغ الغازي . إذا تم إزالة التيار المُزوّد ​​من الدائرة الخارجية بسرعة كافية، فلن يحدث أي ضرر للمادة، وسيؤدي خفض الجهد المُطبق إلى عودة المادة إلى حالتها العازلة.

يُعدّ البرق والشرر الناتج عن الكهرباء الساكنة أمثلة طبيعية على الانهيار الكهربائي للهواء. ويُعتبر الانهيار الكهربائي جزءًا من نمط التشغيل الطبيعي لعدد من المكونات الكهربائية ، مثل مصابيح التفريغ الغازي كالمصابيح الفلورية ومصابيح النيون ، وثنائيات زينر ، وثنائيات الانهيار الجليدي ، وثنائيات إمبات ، ومقومات بخار الزئبق ، وأنابيب الثايراترون والإغنيترون والكريترون ، وشمعات الإشعال .

في المواد الصلبة (مثل كابلات الطاقة )، ​​يسبق الانهيار عادةً تفريغ جزئي طويل الأمد ناتج عن عيب كوجود شق أو فقاعة في المادة. يُمثل هذا التفريغ الجزئي تأينًا موضعيًا وتسخينًا للمنطقة، مما يؤدي إلى تدهور العوازل والمعادن الأقرب إلى العيب. وفي النهاية، يُخلف التفريغ الجزئي طبقة متفحمة من المادة تُوصل التيار عبر الفجوة.

تشمل الآليات المحتملة لانهيار السوائل الفقاعات والشوائب الصغيرة والتسخين الكهربائي الفائق . وتتعقد عملية انهيار السوائل بفعل التأثيرات الهيدروديناميكية، حيث يُمارس ضغط إضافي على السائل نتيجة لشدة المجال الكهربائي غير الخطي في الفجوة بين الأقطاب الكهربائية.

في الغازات المسالة المستخدمة كمبردات للموصلية الفائقة - مثل الهيليوم عند 4.2  كلفن أو النيتروجين عند 77  كلفن - يمكن أن تؤدي الفقاعات إلى حدوث انهيار.

في المحولات المبردة والمعزولة بالزيت، تبلغ شدة المجال اللازمة للانهيار حوالي 20  كيلوفولت/مم (مقارنةً بـ 3  كيلوفولت/مم للهواء الجاف). وعلى الرغم من استخدام زيوت نقية، إلا أن الملوثات الجزيئية الدقيقة تُعزى إليها هذه المشكلة.

يحدث الانهيار الكهربائي داخل الغاز عندما تتجاوز قيمة ثابت العزل الكهربائي له قيمة معينة. يمكن أن تتسبب مناطق تدرجات الجهد العالية في تأين جزئي للغاز المجاور وبدء توصيله للكهرباء. ويتم ذلك عمدًا في التفريغات الكهربائية منخفضة الضغط، كما هو الحال في مصابيح الفلورسنت . ويُمكن تقريب الجهد الذي يؤدي إلى الانهيار الكهربائي للغاز بقانون باشين .

يُسبب التفريغ الجزئي في الهواء رائحة الأوزون التي تُشبه رائحة الهواء النقي أثناء العواصف الرعدية أو حول المعدات ذات الجهد العالي. على الرغم من أن الهواء عازل ممتاز في الظروف العادية، إلا أنه عند تعرضه لجهد عالٍ بما فيه الكفاية ( مجال كهربائي يبلغ حوالي 3  ميجا فولت/متر أو 3  كيلو فولت/ملم ^{[ 3 ]} )، قد يبدأ الهواء بالتفكك، ليصبح موصلاً جزئياً. عبر فجوات صغيرة نسبياً، يكون جهد الانهيار في الهواء دالةً لطول الفجوة مضروباً في الضغط. إذا كان الجهد عالياً بما فيه الكفاية، فإن الانهيار الكهربائي الكامل للهواء سيؤدي إلى شرارة كهربائية أو قوس كهربائي يمتد عبر الفجوة بأكملها.

يعتمد لون الشرارة على الغازات المكونة للوسط الغازي. وبينما قد تكون الشرارات الصغيرة الناتجة عن الكهرباء الساكنة بالكاد مسموعة، فإن الشرارات الأكبر حجماً غالباً ما يصاحبها صوت فرقعة أو دويّ عالٍ. يُعدّ البرق مثالاً على شرارة هائلة قد تمتد لأميال عديدة، ويمكن سماع الرعد الناتج عنها من مسافة بعيدة جداً.

إذا فشل المصهر أو قاطع الدائرة في قطع التيار الكهربائي الناتج عن شرارة في دائرة كهربائية، فقد يستمر التيار، مُشكِّلاً قوسًا كهربائيًا شديد الحرارة (حوالي 30000  درجة  مئوية ) . يعتمد لون القوس الكهربائي بشكل أساسي على الغازات الموصلة، والتي قد يكون بعضها مواد صلبة قبل أن يتبخر ويختلط بالبلازما الساخنة في القوس. تتحد الأيونات الحرة داخل القوس وحوله لتكوين مركبات كيميائية جديدة، مثل الأوزون وأول أكسيد الكربون وأكسيد النيتروز . يُعد الأوزون الأكثر وضوحًا نظرًا لرائحته المميزة. ^{[ 4 ]} 

على الرغم من أن الشرر والأقواس الكهربائية غير مرغوب فيها عادةً، إلا أنها قد تكون مفيدة في تطبيقات مثل شمعات الإشعال لمحركات البنزين، واللحام الكهربائي للمعادن، أو صهر المعادن في فرن القوس الكهربائي . قبل تفريغ الغاز، يتوهج الغاز بألوان مميزة تعتمد على مستويات طاقة الذرات. ولا تزال بعض آليات هذه الظاهرة غير مفهومة تمامًا.

من المتوقع أن يتعرض الفراغ نفسه لانهيار كهربائي عند أو بالقرب من حد شوينجر .

قبل انهيار الغاز، توجد علاقة غير خطية بين الجهد والتيار كما هو موضح في الشكل. في المنطقة  1، توجد أيونات حرة يمكن تسريعها بواسطة المجال الكهربائي، مما يؤدي إلى توليد تيار. ستصل هذه الأيونات إلى حالة التشبع بعد جهد معين، مما ينتج عنه تيار ثابت، وهي المنطقة  2. أما المنطقتان  3 و4 فتنتجان عن انهيار أيوني كما هو موضح في آلية تفريغ تاونسند .

وضع فريدريك باشن العلاقة بين حالة الانهيار وجهد الانهيار. واستنتج صيغة تحدد جهد الانهيار (${\displaystyle V_{\text{b}}}$) للفجوات الحقلية المنتظمة كدالة لطول الفجوة (${\displaystyle d}$) وضغط الفجوة (${\displaystyle p}$). ^{[ 5 ]}

${\displaystyle V_{\text{b}}={Bpd \over \ln \left({Apd \over \ln \left(1+{1 \over \gamma }\right)}\right)}}$

كما استنتج باشين علاقة بين الحد الأدنى لقيمة فجوة الضغط التي يحدث عندها الانهيار والحد الأدنى للجهد. ^{[ 5 ]}

${\displaystyle {\begin{aligned}(pd)_{\min }&={2.718 \over A}\ln \left(1+{\frac {1}{\gamma }}\right)\\V_{{\text{b}},\min }&=2.718{B \over A}\ln \left(1+{\frac {1}{\gamma }}\right)\end{aligned}}}$

${\displaystyle A}$و${\displaystyle B}$هي ثوابت تعتمد على الغاز المستخدم.

تُرى الهالة أحيانًا على شكل توهج أزرق حول أسلاك الجهد العالي، ويُسمع صوت أزيز على طول خطوط نقل الطاقة ذات الجهد العالي. كما تُولّد الهالة ضوضاء بترددات الراديو، والتي يمكن سماعها أيضًا على شكل تشويش أو طنين في أجهزة استقبال الراديو. وقد تحدث الهالة بشكل طبيعي على هيئة " نار سانت إلمو " في الأماكن المرتفعة مثل أبراج الكنائس، أو قمم الأشجار، أو صواري السفن أثناء العواصف الرعدية.

تُستخدم مولدات الأوزون بتقنية التفريغ الإكليلي منذ أكثر من 30  عامًا في عملية تنقية المياه . الأوزون غاز سام، بل وأكثر فتكًا من الكلور. في محطات معالجة مياه الشرب النموذجية، يُذاب غاز الأوزون في الماء المُرشّح لقتل البكتيريا والفيروسات . كما يُزيل الأوزون الروائح والطعم غير المرغوب فيهما من الماء. الميزة الرئيسية للأوزون هي أن أي جرعة زائدة متبقية منه تتحلل إلى أكسجين غازي قبل وصول الماء إلى المستهلك بوقت كافٍ. وهذا على عكس غاز الكلور أو أملاحه، التي تبقى في الماء لفترة أطول ويمكن للمستهلك أن يشعر بطعمها.

على الرغم من أن التفريغ الهالي غير مرغوب فيه عادةً، إلا أنه كان ضروريًا حتى وقت قريب لتشغيل آلات التصوير ( التصوير الجاف ) وطابعات الليزر . وتقوم العديد من آلات التصوير وطابعات الليزر الحديثة الآن بشحن أسطوانة الموصل الضوئي باستخدام بكرة موصلة كهربائيًا، مما يقلل من تلوث الأوزون غير المرغوب فيه داخل المباني .

تستخدم مانعات الصواعق التفريغ الهالي لإنشاء مسارات موصلة في الهواء تتجه نحو المانعة، مما يؤدي إلى تحويل مسار الصواعق التي قد تسبب أضرارًا بعيدًا عن المباني والمنشآت الأخرى. ^{[ 6 ]}

تُستخدم التفريغات الإكليلية أيضًا لتعديل خصائص سطح العديد من البوليمرات . ومن الأمثلة على ذلك معالجة المواد البلاستيكية بالتفريغ الإكليلي، مما يسمح للطلاء أو الحبر بالالتصاق بشكل صحيح.