試料に高電圧を印加する実験を考えております。シリコンオイル中、および大気中において、何kV/cmで絶縁破壊が起こるか、ご存知の方がいらっしゃいましたら教えていただきたく存じます。有効数字は一桁程度でかまいません。

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A 回答 (3件)

一般的にいわれるのは


大気中:30kV/cm

また、教科書によると、
シリコン油中:80kV/2.5mm
だそうです。
ただ、絶縁破壊電界は電極間距離に依存し、一般には短い方が高電界に耐えます。
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この回答へのお礼

ご回答ありがとうございます。参考になりました。

実は,今回の質問の前にも一度実験を行っておりまして,その時は電線の接合部(セロテープで絶縁)がなんらかの弾みで接近し,接近距離は不明なのですが,出力電圧が4kV付近で絶縁破壊を起こし,発火してしまいました。

今度は試料をシリコンオイルに浸し,接合部は絶縁テープで保護して再実験したいと思っております。

> ただ、絶縁破壊電界は電極間距離に依存し、一般には短い方が高電界に耐えます。

そうなのですか。勉強になります。

お礼日時:2001/06/17 18:50

空気中での高圧配線や、スパークギャップなどの調整では、族に1000ボルト1ミリと言われ、1ミリメートルの隙間は1000ボルトで放電するそうです。

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この回答へのお礼

ご回答ありがとうございます。

お礼日時:2001/06/17 18:36

空気という絶縁体の場合、確か10kV/cmで絶縁破壊だったと思います。

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この回答へのお礼

ご回答ありがとうございます。

お礼日時:2001/06/17 18:35

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Q絶縁体を並行な電極で挟んで 電圧Voを印加する。 片側の電極は透明材料で形成。 非常に短いパルス状の

絶縁体を並行な電極で挟んで
電圧Voを印加する。

片側の電極は透明材料で形成。
非常に短いパルス状の光が透明電極側から絶縁体に入射する。
光は絶縁体の表面で吸収される。
(キャリアの熱励起と電極からの注入はないとする。)

1)この材料のバンドギャップは4.00eVである。光電効果が起こるために必要な光の波長の上限を求めよ。単位はnmとする。

2)電圧を印加してから十分な時間が経過して、絶縁体中に一様に固定電荷密度ρが形成されたとする。この時絶縁体の厚さ方向の位置xにおける電位V(x)について次の2階の微分方程式が成り立つ。空欄をうめよ。

d^2V/dx^2=[ ]

3)境界条件をV(0)=Vo, V(d)=0として上の微分方程式を解くと、絶縁体中の電解分布E(x)が次式の通り求められる。空欄をうめよ。
E(x)=ρ/2εrεo(2x-d)+[ ]

d:絶縁体の厚さ εr:非誘電率 εo:真空での誘電率


この問題解けるかたいますか?

Aベストアンサー

なんか変な問題ですね。
1)は「光電効果」ですが、2)3) とは何の関係もないと思います。電子が飛び出した後の「正電荷」が蓄積するというのでしょうか。
2)は空間に分布する電荷の作る電場もしくは静電ポテンシャル、3)はそのある境界条件での解です。

1) 光の振動数を ν とすると、光電効果が起こるためには、プランク定数を h として
  hν ≧ 4 (eV) ≒ 4 * 0.1602 * 10^(-18) (J) = 6.408*10^(-19) (J)
よって
  ν ≧ 6.408*10^(-19) (J) / h = 6.408*10^(-19) (J) / (6.626 * 10^(-34) (Js))
   ≒ 9.67*10^14 (1/s)
光の速度を c=2.998*10^8 (m/s) として、この ν に相当する波長 λ は
  λ ≦ c/ν = 2.998*10^8 / 9.67*10^14 ≒ 0.310*10^(-6) (m)
つまり波長の上限は約 0.31 μm = 310 nm。

以下の問題は、光電効果とは関係なく、一様な電荷密度ρが作る電場として考えます。

2) ガウスの法則より、誘電率を ε = εr*ε0 と書いて(εr:比誘電率、ε0:真空での誘電率)
  div(E(x)) = ρ/ε
この場合には、電場 E(x) は x のみの関数なので
  dE(x)/dx = ρ/ε
ということになります。

 また、-grad(V) = E(x) ですが、これも x のみの関数なので
  dV/dx = -E(x)

 以上から
  d^2V/dx^2 = -ρ/ε   (A)

3) 上記(A)を解いて、 V(x) を求めると

  E(x) = -(1/ε)∫ρdx = -ρx/ε + C1
  V(x) = ∫(-ρx/ε + C1)dx = -ρx^2/2ε + C1x + C2

初期条件より
  V(0) = C2 = V0
  V(d) = -ρd^2/2ε + C1d + V0 = 0
  → C1 = (ρd^2/2ε - V0)/d = ρd/2ε - V0/d

よって
  V(x) = -ρx^2/2ε + (ρd/2ε - V0/d)x + V0

これより
  E(x) = -dV/dx
     = ρx/ε - ρd/2ε + V0/d
     = (ρ/2ε)(2x - d) + V0/d

なんか変な問題ですね。
1)は「光電効果」ですが、2)3) とは何の関係もないと思います。電子が飛び出した後の「正電荷」が蓄積するというのでしょうか。
2)は空間に分布する電荷の作る電場もしくは静電ポテンシャル、3)はそのある境界条件での解です。

1) 光の振動数を ν とすると、光電効果が起こるためには、プランク定数を h として
  hν ≧ 4 (eV) ≒ 4 * 0.1602 * 10^(-18) (J) = 6.408*10^(-19) (J)
よって
  ν ≧ 6.408*10^(-19) (J) / h = 6.408*10^(-19) (J) / (6.626 * 10^(-34) (Js))
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Q絶縁体に超高電圧を印加する方法

絶縁体に超高電圧を印加する方法
こんにちは、
下記HPは、電気抵抗率の比較をしたものです。一番下の水晶(SiO2)を見ますと7.5*10^17Ωmと超高抵抗です。水晶に仮に(非現実的ですが)1.2*10^18V/mを印加した場合、電流は1.6A流れます。
(1)この場合、多分短絡して溶けると思うのですが、1.6Aを何Aぐらいまでにすれば、短絡して溶けないのでしょうか?短絡して溶けるアンペア数は決まっているのでしょうか?
(2)水晶1m当たりに、1.2*10^18V/mを印加した場合、短絡して溶けないようにする方法はあるでしょうか?インピーダンスを増やす方法として、水晶を細くして、コイル状にすることは可能でしょうか?例えば、鋳型に入れてコイル状の結晶を作るとか?

http://ja.wikipedia.org/wiki/%E9%9B%BB%E6%B0%97%E6%8A%B5%E6%8A%97%E7%8E%87%E3%81%AE%E6%AF%94%E8%BC%83

Aベストアンサー

<Ta,W,Bi,Pbなどの酸化物は絶縁破壊が起こるのでしょうか?
<結局2×10^6V/cmで電気を通すんですね。すると上記と矛盾しないですか?
<具体的に何V以上で成り立たなくなるのでしょうか?


電圧が閾値を超えれば、絶縁物でなくともあらゆる物質で電離衝突とほぼ同様の過程でイオン化は起こります。
(ただし絶縁体・半導体以外では電離衝突とは別の呼称で呼ばれます。また絶縁破壊とは呼ばれません。)
どんな絶縁体でも絶縁破壊は起こりえるので、このことを持ってして「この物質は電気を通す」と言ってしまうと、
電気を通さない物質など存在しなくなるので、普通は言いません。
ただし抵抗が低い場合は、これよりも先に低い電圧でジュール熱によって破損してしまいます。
破壊電界は物質によって千差万別なので具体的にいくら、とは言いがたいですので、下記のURLをどうぞ。
絶縁物以外の値はちょっとわかりません。(そんな使い方を普通しないですから)

電離衝突
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E8%A1%9D%E7%AA%81%E9%9B%BB%E9%9B%A2
絶縁破壊
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E7%B5%B6%E7%B8%81%E7%A0%B4%E5%A3%8A
各種物質の絶縁破壊電界
http://ebw.eng-book.com/pdfs/da30ffc7efa44a878def80a1dbb6255b.pdf

<<そのときに流れる電流が200pA以下なら金は溶けません。
<では正確には、200pA/m^2が正しい表現なのでしょうか?


見落としていました。読み返すと確かにURLの回答者さんの「200pA」はおかしいですね。
電流が流れる面積の記述がないですからアンペアで答えても意味がないです。
ただ200pA/m^2はさすがに馬鹿みたいに小さい値ですから、これで金が蒸発なんてしません。
金の伝導率、密度、熱容量などを調べて温度上昇を計算してみましたが、1秒10^-15ケルビン・・・小さすぎます。
きっとURLの回答者さんが普段使っている素子のサイズを元に計算して「200pA」が出たのでしょう。

電流密度A/m^2と電流Aの関係は、
例えるなら圧力と力の関係で、同じ力をかけても、例えば針のような
接触面積の小さな物で力をかければ大きな圧力になりますし、逆に掌でべったりと押さえつけても大した圧力にはなりません。
考慮する状況しだいで全く違う結果になりますので、きっちり使い分けなければいけません。

全体的な話になりますが
ある物質が、熱で融解するか?絶縁破壊するか?などを議論したければ、必要な情報を揃えなければ議論が出来ません。
素子全体としてのの物理量であるV[V],I[A],R[Ω]で話を進めるのなら、
その素子の長さ・面積などの素子の形状に関する情報がなければなりません。

例えば1ジュールのエネルギーが発生したとしてもそれが小指の先ほどの素子で発生したのか、それとも掌サイズの素子で発生したのかで、素子の温度上昇は異なります。
鍋の水を湯にするのと、プールの水を湯にするのでは、全く状況が違います。

素子の長さ・面積などの形状に左右されずに話を進めたいのなら、
単位長さ、単位面積あたりなどに直した物理量E[V/m],J[A/m^2],ρ[Ωm]を用いて計算しなくてはなりません。ごっちゃにして計算すると間違った答えになります。

<正確には高抵抗な重元素(酸化物)に、少なくとも10^12 V/cm以上を一瞬だけ印加した
<いです。IGを使用する既存の方法では当然無理なので、一瞬だけ印加する斬新なアイデア<が必要になります。

把握しました。

IG(イグニッション電源のことですよね?)をその様な用途で使うことがあるのかどうかは良く知りませんが、
普通は基礎研究などでの超高電圧はコンデンサで作ります。
(大学の学部時代に高電圧発生装置を使った放電(人工的な落雷)の実験を1度だけやったことがあります。
まあ、実際はその研究室の修士が全部セッティングやってくれたので、(初心者がやると下手すりゃ死にますから)
メーターいじってボタン押してデータ集めるだけでしたけど。
プレハブ小屋を2回建てにしたくらいの大きさの装置でした。何ボルト出ていたかは覚えてませんが。)
IGは変圧器の一種ですので「てこ」の原理のイメージ
コンデンサ式の電圧発生器は、バケツで水を汲んでプールいっぱいにためて一気にひっくり返すイメージです。

多段式インパルス電圧発生器
http://www5e.biglobe.ne.jp/~cup/electric/marxgenerator.htm

<Ta,W,Bi,Pbなどの酸化物は絶縁破壊が起こるのでしょうか?
<結局2×10^6V/cmで電気を通すんですね。すると上記と矛盾しないですか?
<具体的に何V以上で成り立たなくなるのでしょうか?


電圧が閾値を超えれば、絶縁物でなくともあらゆる物質で電離衝突とほぼ同様の過程でイオン化は起こります。
(ただし絶縁体・半導体以外では電離衝突とは別の呼称で呼ばれます。また絶縁破壊とは呼ばれません。)
どんな絶縁体でも絶縁破壊は起こりえるので、このことを持ってして「この物質は電気を通す」と言ってしまう...続きを読む

Q絶縁破壊のメカニズム

電気機器の絶縁テストマニュアルを見ますと、「10,000Vを1分間かけて100MΩ以上」というふうに、必ず「荷電時間」が併記されています。
この「時間」は、絶縁破壊とどういう関係があるのでしょうか?

どうも、絶縁破壊というのは、「徐々に進行するもの」ではないかという気がしています。
勿論、「定格電圧10,000V」という機器に10,000Vかけた場合は数万時間ともつのでしょうが、例えばこの機器に30,000V位をかけた場合、一気に絶縁破壊が起きるのではなく、徐々に絶縁抵抗が低下し、ある時間経ったときに突然絶縁破壊する(通電が起きる)のではないかという気がしています。

絶縁破壊のメカニズムはどうなっているのでしょうか?

Aベストアンサー

文章読み違えました。すみません。
自分は詳しく説明できませんが、高電圧工学の本をひもといて、絶縁の所を見るとメカニズムが載っていると思います。

Q低電圧での絶縁破壊について

空気の絶縁破壊は一般に1mmで3kvと言われていますが、
2mm離した(鋭利でないただの鉄板と仮定)電極をわずか500v程度で強制的に絶縁破壊を起こさせたいのですが、強制的に絶縁破壊を起こさせる方法はあるでしょうか?

Aベストアンサー

気体の絶縁破壊電圧(火花電圧)は一般にパッシェン(Paschen)の法則に従います。
平行平板電極などの平等電界条件におけるパッシェン曲線は高電圧工学の教科書等によく掲載されています。
具体的には、絶縁破壊電圧は、気圧pと電極間距離dの積(pd)の関数となります。
空気の場合、大気圧=10^5 Pa×0.1 cm = 10^4 Pa・cmの絶縁破壊電圧は約3 kVとなります。
この状態からpdを減少させていく(電極間距離dが一定の場合は気圧pを下げる)と、絶縁破壊電圧は減少(両対数グラフに描くとほぼ直線的に減少)します。そして空気の絶縁破壊電圧の極小値は約300 Vで、このときのpd値は約10^2 Pa・cmです。
なお、それ以上にpdを下げると逆に絶縁破壊電圧は急上昇します。
問題の電極間距離d=2 mmの平板電極の場合、上記絶縁破壊電圧の極小を与える気圧pは約500 Pa (=100/0.2)です。
500 V程度で絶縁破壊を起こすならもう少し気圧を高くしてもOKです。

ということで、低電圧で絶縁破壊を起こすには、まず気圧を下げる方法があります。
なお、これは気体を空気に限定した場合のことで、特定の気体を封入すると著しく絶縁破壊電圧が減少します。

詳しくは、絶縁破壊が起こるには気体中の原子・分子が何らかのエネルギーにより電離され、得られた自由電子が外部電界により加速し、別の原子・分子に衝突して二次電子放出を起こし、累積的に自由電子数が増大する(電子雪崩を起こす)必要があります。
この「何らかのエネルギー」とは、一般には宇宙から降り注いでいる放射線などです。
この状態でさらに外部から強制的に光を照射するなどすると、さらに気体原子・分子の光電離により自由電子数が増大し、絶縁破壊が生じやすくなります。
また先ほど言いかけた話ですが、ペニング(Penning)効果などがあります。
これは、例えばNe中にArを0.1%混合すると、放電開始電圧は約1/4に減少するといった現象です。
これは準安定準位を持った原子・分子による寄与です。

ということで、結論としては絶縁破壊電圧を下げる方法は次のようになります。
(1) 気圧を特定値まで下げる。
(2) 光照射などの外部刺激を与える。
(3) 混合気体などの気体効果を考える。

ちなみに、針電極などの不平等電界下では絶縁破壊電圧は著しく減少します。

気体の絶縁破壊電圧(火花電圧)は一般にパッシェン(Paschen)の法則に従います。
平行平板電極などの平等電界条件におけるパッシェン曲線は高電圧工学の教科書等によく掲載されています。
具体的には、絶縁破壊電圧は、気圧pと電極間距離dの積(pd)の関数となります。
空気の場合、大気圧=10^5 Pa×0.1 cm = 10^4 Pa・cmの絶縁破壊電圧は約3 kVとなります。
この状態からpdを減少させていく(電極間距離dが一定の場合は気圧pを下げる)と、絶縁破壊電圧は減少(両対数グラフに描くとほぼ直線的に減少)します。そして空気...続きを読む

Qダイオードの実用性、絶縁破壊の原理

現在、次世代半導体材料として炭化ケイ素(SiC)を用いたダイオードの研究を行っています。

主に、逆方向のリーク電流の低減、高耐圧化をメインにやっているのですが、二点わからない部分があり質問とさせていただきます。

(1)リーク低減、高耐圧化することで最終製品にどのような影響があるのか、主な用途はどこになるのか、イメージ出来ていません…。用途は変圧所などからの変換の際の損失低減などでしょうか。

(2)また絶縁破壊時の原理がいまいちイメージできません…。pn接合部の電界集中が原因というのは何となくイメージできるのですが、電界がそこに集中するまでの過程などがいまいちイメージできていないです。

ダイオードは縦型で、n-epi/n-subにp層を部分的に注入し作っています。

回答、また分かりやすい文献、どこを勉強すればいいのか、などよろしければご教授お願いいたします。

Aベストアンサー

1. 配電系統に接続する変換器では交流6.6kVを扱う必要があります。
素子の耐圧が低いと、一旦変圧器で電圧を下げて変換器をつなぐ(その場合には、変圧器の分寸法が大きくなったり、回路電流が大きくなってしまう)か、素子を複数直列にして使う(素子間の電圧が均等に分担できるかが問題になり)必要があります。
単体で、6.6kVの変換器を作れるだけの耐圧があれば、これらの問題をクリアできます。
ただし、高電圧の変換器だと、小さい漏れ電流でもそれなりの損失になってしまうので、より漏れ電流を小さく抑える必要は出てくるかと思います。


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