Wytrzymałość elektryczna materiałów a wilgotność
- Szczegóły
Elektryczność, choć powszechnie wykorzystywana, bywa niebezpieczna. Podstawą jej działania są prąd i napięcie, ściśle ze sobą powiązane i służące do zasilania urządzeń. Problemy pojawiają się, gdy traci się kontrolę nad tymi wielkościami. Wówczas mogą wystąpić dwa niebezpieczne zjawiska: zwarcie (przy zbyt dużym prądzie) i przebicie elektryczne (przy przekroczeniu bezpiecznej wartości napięcia).
Co to jest przebicie?
Ładunki elektryczne płynące w przewodach dostarczają energię do urządzeń. Przewody, wtyczki i ładowarki pokryte są izolatorami (dielektrykami), takimi jak tworzywa sztuczne lub guma, które powstrzymują ,,ucieczkę" elektryczności. Izolacja zapewnia przepływ prądu wewnątrz przewodu, chroniąc użytkowników przed porażeniem.
Świat izolatorów jest szeroki. Powietrze stanowi izolator, chroniąc przed porażeniem w pobliżu linii wysokiego napięcia. Oleje izolacyjne zanurza się w urządzeniach wysokiej mocy, zapewniając izolację i chłodzenie.
Izolatory mają jednak swoje ograniczenia. Gdy izolator zawiedzie, dochodzi do przebicia. Materiał, który blokował przepływ prądu, staje się nagle przewodnikiem.
Kiedy dochodzi do przebicia?
Istnieją dwa główne sposoby prowadzące do przebicia:
Przeczytaj także: Wytrzymałość materiałów i wilgotność
- Mechaniczne uszkodzenie izolacji - występuje przy uszkodzonych przewodach lub obudowach urządzeń. Należy unikać używania urządzeń z uszkodzoną izolacją i zlecić naprawę specjalistom.
- Przekroczenie wytrzymałości elektrycznej izolatora - każdy izolator ma swoje granice. Powietrze chroni przed liniami wysokiego napięcia, ale zawodzi podczas wyładowań atmosferycznych. Błyskawice rozrywają atomy powietrza, przepuszczając prąd o ogromnym natężeniu. Iskry z kuchenek gazowych to także efekt przebitego powietrza.
Co sprawia, że izolator przestaje izolować?
Aby zrozumieć, co dzieje się w izolatorze podczas przebicia, należy przyjrzeć się jego strukturze na poziomie atomowym.
Przewodniki przewodzą prąd dzięki obecności "bezdomnych" elektronów walencyjnych, które swobodnie poruszają się w strukturze. Izolatory trzymają elektrony w ryzach, uniemożliwiając przepływ prądu.
W izolatorze atomy są elektrycznie obojętne, ale składają się z ujemnych elektronów i dodatnich protonów. Przyłożenie napięcia powoduje odkształcenie orbit elektronów i przesunięcie jądra atomu. To zjawisko nazywa się polaryzacją.
Im silniejsze pole elektryczne, tym większe odkształcenie atomu. Przy odpowiednio dużej sile, elektron może oderwać się od atomu, co nazywamy jonizacją. To zjawisko zachodzi podczas wyładowań atmosferycznych.
Wytrzymałość dielektryczna
Kluczem do przebicia jest wytworzenie potężnego pola elektrycznego. Natężenie pola elektrycznego rośnie wraz z napięciem i maleje wraz z oddalaniem się od źródła. Mierzy się je w woltach na metr [V/m].
Przeczytaj także: Jak wilgotność wpływa na wytrzymałość drewna?
Wytrzymałość dielektryczna izolatorów jest bardzo wysoka, rzędu milionów woltów na metr. Typową jednostką są megawolty na metr [MV/m] lub kilowolty na milimetr [kV/mm], które są sobie równoważne (15 MV/m = 15 kV/mm).
Wśród gazów najwyższą wytrzymałość ma trichloro-trifluoroetan (ok. 19,5 MV/m), dla cieczy butylobenzen (275 MV/m), a dla ciał stałych diament (2000 MV/m). Idealna próżnia osiąga do 30 MV/m.
Wartości te dotyczą substancji o wysokiej czystości, w temperaturze pokojowej i ciśnieniu atmosferycznym. Wytrzymałość elektryczna jest wrażliwa na warunki zewnętrzne i zanieczyszczenia.
Wpływ nierówności na natężenie pola elektrycznego
Nawet przy napięciu niższym od granicznego, izolator może ulec zniszczeniu. Powierzchnie metalowe wydają się gładkie, ale pod mikroskopem widać nierówności. Ładunek gromadzi się w zakamarkach i załamaniach, zwiększając natężenie pola elektrycznego. Tam, gdzie spotykają się "wybrzuszenia", odległość między płytkami maleje, dodatkowo wzmacniając pole.
Podobny mechanizm odpowiada za uderzanie piorunów w wysokie obiekty. Drzewa skracają drogę ładunków do ziemi, a ich czubki koncentrują ładunek, zwiększając natężenie pola elektrycznego. Deszcz i mechanizm powstawania błyskawic ułatwiają rozrywanie powietrza i pozbywanie się nadmiaru ładunku.
Przeczytaj także: Zastosowania Filtracji Elektrycznej
Wytrzymałość dielektryczna materiałów stosowanych w PCB
Podstawowe elementy konstrukcyjne płytki drukowanej to dielektryczne podłoże, na którym znajdują się miedziane ścieżki. Ważną cechą materiału jest stała dielektryczna (względna przenikalność elektryczna), która wpływa na szybkość transmisji sygnałów. Współczynnik strat dielektrycznych związany jest z całkowitą stratą mocy sygnału w liniach sygnałowych. W przypadku obwodów drukowanych na metalowym rdzeniu ważne są przewodność cieplna i napięcie przebicia.
Poniżej przedstawiono popularne materiały stosowane w PCB:
| Materiał | Opis | Zastosowanie |
|---|---|---|
| FR-4 | Laminat z włókna szklanego z żywicą epoksydową, odporny na ogień. | Szeroki zakres zastosowań, od elektroniki użytkowej po urządzenia medyczne i wojskowe. Niezalecany do systemów o wysokiej częstotliwości. |
| CEM-1 | Laminat kompozytowy z tkaniny z włókna szklanego, żywicy epoksydowej i warstw papieru. | Produkty, w których PCB nie są narażone na trudne środowisko. |
| Poliimid | Laminat do produkcji sztywnych obwodów drukowanych. | Elastyczne i sztywno-elastyczne obwody drukowane. |
| PTFE (Teflon) | Polimer polietylen tetrafluoroetylenowy wzmocniony włóknem szklanym. | Obwody drukowane działające w zakresie wysokich częstotliwości oraz mikrofalowym. |
| Laminat miedziany z podłożem aluminiowym | Podłoże z aluminium oraz cienka warstwa dielektrycznej izolacji z warstwą miedzi. | Poprawa odprowadzania ciepła ze zmontowanych komponentów, w elektronicznym sprzęcie o dużym prądzie pracy przy wysokich temperaturach. |
Wilgoć w budynkach
Gromadząca się w ścianach wilgoć może pochodzić z gruntu, opadów atmosferycznych, awarii instalacji, materiałów budowlanych, działań człowieka, sorpcji i kondensacji.
Konsekwencje zawilgocenia ścian
- Rozwój pleśni i grzybów.
- Rdza i korozja.
- Przebarwienia i przemoczenia.
- Utrata wytrzymałości materiałów budowlanych.
- Problemy zdrowotne (alergie, choroby reumatyczne, problemy układu oddechowego).
Metody pomiaru wilgotności ścian
Ocenę zawilgocenia ścian najlepiej zlecić profesjonalnej firmie. Pomiar wilgotności ścian wykonuje się metodami:
- Karbidową (CM).
- Dielektryczną.
- Opornościową.
Suche mury mają wilgotność do 3%. Przy wilgotności do 5% warto skontrolować poziom zawilgocenia za jakiś czas, ale nie wymaga on osuszania. Gdy wilgotność przekracza 8-10%, mury należy osuszyć. Wilgotność powyżej 12% oznacza, że mury są mokre.
Wpływ wilgotności powietrza na wytrzymałość na przebicie
Dyskusja na temat wpływu wilgotności powietrza na wytrzymałość powietrza na przebicie jest złożona. Wysoka wilgotność zwiększa przewodnictwo powietrza, co prowadzi do samoczynnego rozładowania ładunków elektrostatycznych. Z drugiej strony, wilgotne powietrze może utrudniać zjawisko ulotu, co może prowadzić do wyższej wytrzymałości powietrza na jonizację. Literatura wskazuje, że wzrost wilgotności zwiększa prawdopodobieństwo wiązania elektronów, co wpływa na wytrzymałość powietrza.
tags: #wytrzymałość #elektryczna #materiałów #a #wilgotność
