בהתאם למאפיינים החשמליים שלהם, החומרים מסווגים כמוליכים, מוליכים למחצה , ומבודדים. מוליכים הם חומרים שיכולים להוביל חשמל בקלות. לעומת זאת, החומרים שאינם יכולים להוביל חשמל מסווגים כמבודדים. המאפיינים של חומרי מוליכים למחצה נעים בין מוליכים למבודדים. תוך כדי עבודה עם מבודדים, החוקרים הבחינו כי ניתן לגרום לחומר מבודד להתנהג כמוליך כשמופעלים עליהם כמות מסוימת של חשמל. תופעה זו נקראה התמוטטות, והמתח המינימלי שבו זה מתרחש מכונה מתח התמוטטות. רמות מתח אלה שונות מחומרים שונים ותלויות גם בתכונותיהן הפיזיקליות.
מהו מתח התמוטטות?
מתח התמוטטות הוא המאפיין של חומרי בידוד. רמת המתח המינימלית בה מבודד מתחיל להתנהג כמוליך ומוליך חשמל מכונה 'מתח התמוטטות'. זה מכונה גם חוזק דיאלקטרי של החומר.
הולכה של חַשְׁמַל אפשרי רק כאשר ישנם מטענים חשמליים ניידים בחומרים. מבודדים אינם יכולים להוביל חשמל מכיוון שאין בהם חיובים חשמליים ניידים בחינם. כאשר מוחל הפרש פוטנציאלי על פני המבודד, הוא אינו מוליך חשמל.
כאשר ערך ההפרש הפוטנציאלי המיושם גדל מעבר לרמות מסוימות נשברים זוגות אלקטרונים ותהליך היינון מתחיל בחומר. זה מוביל להיווצרות אלקטרונים ניידים חופשיים. חיובים ניידים אלה מתחילים לנוע מהקצה החיובי לקראת הקצה השלילי הגורם לזרימת חשמל.
לפיכך, המבודד מתחיל להוביל חשמל ומתנהג כמוליך. תהליך זה מכונה פירוק חשמלי של החומר והמתח המינימלי בו תופעה זו מתחילה מכונה 'מתח פירוק של החומר'. רמת מתח זו משתנה עבור סוגים שונים של חומרים בהתאם להרכב החומר, צורתו, גודלו ואורכו של החומר בין המגעים החשמליים. ערך מתח ההתמוטטות של חומר שניתן על ידי היצרנים הוא בדרך כלל ערך מתח התמוטטות ממוצע.
מתח פירוק דיודות
דיודות הן ה מוליכים למחצה והתכונות החשמליות שלהם טמונות בין מוליכים ומבודדים. א דיודת צומת PN נוצר באמצעות חומר מסוג P ו- N. דיודות צומת PN מכילות פער פס שדרכו מתבצעות חילופי מטענים. כאשר מוטה קדימה מוחל זרם זרם בכיוון קדימה וההולכה מתרחשת. כאשר מפעילים הטיה הפוכה לא צריכה להתקיים הולכה. אך בשל נוכחותם של נושאי מטען מיעוטים, זרם הפוך קטן זורם דרך הדיודה המכונה זרם דליפה.
בגלל זרימת הזרם ההפוך רוחב מחסום הצומת גדל. כאשר מתח הטיה הפוך זה מוגבר בהדרגה בנקודה מסוימת ניתן לראות עלייה מהירה בזרם ההפוך. זה ידוע בשם התמוטטות צומת. המתח ההפוך המתאים המיועד בנקודה זו ידוע בשם מתח התמוטטות של דיודת צומת PN . זה ידוע גם בשם מתח התמוטטות הפוך .
מוטה הפוכה-PN- צומת דיודה
הגורם החיוני לקביעת מתח הפירוק של הדיודה הוא ריכוז הסמים שלה. חריגה מרמת מתח זו גורמת לעלייה אקספוננציאלית בזרם הדליפה של הדיודה. כאשר מתקלקלת דיודה, ניתן לראות התחממות יתר. לכן, כאשר אנו פועלים עם מתחים לאחור משתמשים בכיורי חום ובנגדים חיצוניים.
מתח התמוטטות של דיודת זנר
דיודות זנר משמשות כאבני בניין בסיסיות ב מעגלים אלקטרונים . הם משמשים באופן פופולרי לספק מתח ייחוס למעגלים האלקטרוניים. הם נועדו לעבוד באזורי התמוטטות של הדיודה.
דיודות זנר הן דיודות כבדות שיכולות לעבוד באופן אמין באזורים המוטים לאחור. כאן התמוטטות מתרחשת בגלל אפקט זנר. באפקט זנר כאשר השדה החשמלי של מוטה לאחור דיודת P-N מוגברת, מתבצעת מנהרת אלקטרוני הערכיות לרצועת ההולכה. זה מוביל לעלייה במובילי המטען המיעוטים ובכך מגדיל את הזרם ההפוך. תופעה זו ידועה בשם אפקט זנר והמתח המינימלי בו מתחילה תופעה זו מכונה התמוטטות זנר מתח.
התמוטטות מפולות שלגים
בהתמוטטות דיודות מסוממת קלות מתרחשת בגלל אפקט המפולת. כאן באפקט Avalanche, כאשר דיודה מופעלת בהטיה הפוכה עקב הגברה חשמלית מוגברת, נושאי מטען המיעוטים צוברים אנרגיה קינטית ומתנגשים בזוגות חורי האלקטרונים, ובכך שוברים את הקשר הקוולנטי שלהם ויוצרים נשאי מטען ניידים חדשים. עלייה זו במספר מובילי המטען המיעוטים מובילה לעלייה בזרם ההפוך הגורם להתמוטטות. כאן, מתח הפירוק מכונה מתח פירוק מפולת .
התמוטטות דיודת זנר
מתח הפירוק של הזמין הנפוץ דיודת זנר משתנה בין 1.2V ל 200V. דיודת זנר מציגה תקלה מבוקרת ואינה דורשת שום מעגל חיצוני כדי להגביל את הזרם. מאפייני ה- V-I של הדיודה עם התמוטטות מפולת שלגים גדלים בהדרגה ואילו עבור דיודה עם התמוטטות זנר מאפייני ה- V-I חדים.
התמוטטות במוצקים, נוזלים וגזים
מלבד מוצקים, לגזים ולנוזלים רבים יש גם תכונות מבודדות ונראים גם עוברים תופעות פירוק. ניתן לחשב את חוזק הדיאלקטרי המינימלי של סיליקון בטמפרטורת החדר באמצעות הנוסחה הבאה.
הbr| = (12 × 105) / (3-log (N / 1016)) V / cm
האוויר משמש גם כמבודד בתנאי לחץ אטמוספריים סטנדרטיים. זה מתקלקל כאשר המתח עולה מעבר ל- 3.0kv / מ'מ. ניתן לחשב את מתח ההתמוטטות של גזים באמצעות חוק פשכן . בתנאי ואקום חלקיים מתח פירוק של אוויר פוחתת. כאשר האוויר עובר התמוטטות ברק, נוצר ניצוץ. מתחים אלה ידועים גם כמתחים מכה.
ה מתח פירוק של שמן שנאי ידוע גם בשם כוח דיאלקטרי. זהו ערך המתח בו נצפים ניצוצות בין שתי אלקטרודות המופרדות על ידי פער ושקועות בשמן השנאי. כאשר קיימים בשמן לחות או חומרים מוליכים אחרים, נצפים לערכים נמוכים יותר של מתח פירוק. החוזק הדיאלקטרי המינימלי של שמן השנאי האידיאלי הוא 30 קילוואט.
ניתן לראות את התקלה בכבלים הנושאים זרם. מתח הפירוק של הכבל תלוי בנוכחות הלחות סביבו, בזמן הפעלת המתח ובטמפרטורת העבודה של הכבלים. מהו מתח הפירוק המינימלי של a דיודת זנר ?
