פריצה חשמלית

פריצה חשמלית המתרחשת בסליל טסלה

פריצה חשמלית (באנגלית: Electrical breakdown) היא מצב שבו שדה חשמלי גובר על ההתנגדות של מבודד, כתוצאה מכך נוצר ניצוץ העובר דרך המבודד. מצב זה יכול להיות רגעי כמו בפריקה של חשמל סטטי, או לחלופין, במקרה שההגנה חשמלית לא תקינה ולא מצליחה להפסיק את הזרם במעגל, זה יכול לגרום לקשת חשמלית רציפה.

תיאור התופעה

פריצה חשמלית מתרחשת לרוב כאשר יש קצר חשמלי כתוצאה מכך שמתח המעגל עבר את מתח הפריצה של המערכת. פריצה זאת, הגורמת פעמים להפעלה של המאמ"ת, נוצרת לרוב במתקני מתח גבוה כאשר נגרם נזק לקבלים או שנאים בתחנת חלוקת החשמל, אך יכולה להגרם גם במבודדים הנמצאים בקווי החשמל, בקווי חשמל תת-קרקעיים וכן בקווי חשמל העוברים בסמוך לעצים. פריצה חשמלית יכולה להתרחש במבודדים נוזליים כגון שמן ומים, מוצקים, וכן בגזים ובריק. עם זאת ישנו הבדל משמעותי בפריצה בכל אחד מסוגי המבודדים, לכל אחד מהם יש חוזק דיאלקטרי שונה אשר משפיע ישירות על גודל מתח הפריצה.

בעקבות הפריצה החשמלית, המבודד עובר במהירות ממצב של בידוד למצב של מוליכות. מעבר זה גורם ליצירת ניצוץ חשמלי , ולעיתים אף לקשת חשמלית, העוברים דרך המבודד. במבודד מוצק, פריצה זו גורמת לנזק פיזי קבוע המפחית את החוזק הדיאלקטרי שלו, ועקב כך צריך להחליפו במבודד חדש, בנוסף במבודד מוצק עם הזמן נוצר בלאי טבעי עקב התפרקויות חלקיות של החשמל. אולם במבודדים במצב נוזל או גז, לאחר פריצה, החוזק הדיאלקטרי חוזר למצבו הקודם ואין צורך להחליפו.

פריצה חשמלית בהילוך איטי

בגז, כאשר המתח גדל, נוצר תהליך של יינון הגורם להולכה. כאמור, פעולה זו גורמת בדרך כלל נזק, אולם לעיתים תהליך זה מתרחש במכוון כגון בנורות פלואורסצנט או במערכות של משקעים אלקטרוסטטים.

בעת הפריצה נפלטים לאוויר מספר גזים, בין השאר פחמן חד-חמצני, חמצן דו-חנקני ואוזון, כך שלעיתים באזורים של הפריצה החשמלית, בגלל ריחו הדומיננטי, ניתן להבחין בריחו של האוזון באוויר. כמו כן ניתן להרגיש ריח זה גם בזמן סופת ברקים. בנוסף ברקים הם דוגמה לפריצה חשמלית היוצרת ניצוץ חשמלי עצום היכול להגיע לאורך של קילומטרים.

המנגנון הפיזיקלי שמאחורי פריצה חשמלית

כאשר המתח החשמלי המופעל על תווך גזי אינו גבוה מספיק, התוצאה היא חימום זניח של התווך הגזי, בהתאם לנוסחה להספק חשמלי $V^{2}/R$ כאשר $V$ הוא המתח החשמלי המופל על התווך ו־$R$ הוא ההתנגדות החשמלית (הגבוהה מאוד) של התווך הגזי (הכמעט מבודד). לפי מודל דרודה, המוליכות החשמלית של חומר תלויה בצפיפות היונים החופשיים שלו ובמהלך החופשי הממוצע שלהם. לעומת זאת, כאשר מופעל על תווך מתח חשמלי גבוה מערך מתח הפריצה שלו, האלקטרונים שמאיצים בהשפעת השדה החשמלי החיצוני רוכשים מספיק אנרגיה קינטית כדי שכאשר יתנגשו עם מולקולות הגז, הם יעקרו מהם אלקטרונים נוספים. התוצאה של ההתנגשויות האנרגטיות עם מולקולות הגז היא אלקטרונים חופשיים נוספים, שאלו בתורם גם יאיצו וישחררו אלקטרונים נוספים. התוצאה היא תגובת שרשרת, בה במעיין תהליך משוב חיובי המתחזק את עצמו מתאפשרת מוליכות חשמלית גבוהה של הגז.

המנגנון שתואר לעיל נקרא פריקת טאונסנד (Townsend discharge) על שם הפיזיקאי האנגלי ג'ון סילי טאונסנד (John Sealy Townsend), אשר גילה את מנגנון היינון הבסיסי בעבודתו שבין השנים 1897 ו-1901. הפיזיקאי הגרמני פרידריך פאשן, הידוע בעבודתו הפורצת דרך על פריקות חשמליות, הצליח אף לתאר מתמטית את ההתנהגות הלא ליניארית של תלות הזרם במתח המופעל, והציע מודל שמאפשר לחזות את מתח הפריצה של גזים שונים (במה שנקרא חוק פאשן).

ערכי מתח פריצה אופייניים

עבור מבודדים שונים מתח פריצה שונה. מתח הפריצה תלוי במרווח שבין האלקטרודות, ועבור חומרים רבים התלות אינה ליניארית. להלן מתחי פריצה אופייניים למספר חומרים מבודדים עבור מרווח של 20 מ"מ בין האלקטרודות:

• ואקום – 300 קילו-וולט
• שמן שנאים – 250 קילו-וולט
• חרסינה – 210 קילו-וולט
• SF6‏ – 160 קילו-וולט
• אוויר – 80 קילו-וולט (מתח הפריצה של אוויר הוא ליניארי, 4 קילו-וולט למ"מ)

ראו גם

• חוק פאשן

קישורים חיצוניים

מדיה וקבצים בנושא פריצה חשמלית בוויקישיתוף

הערות שוליים

הערך באדיבות ויקיפדיה העברית, קרדיט,
רשימת התורמים
רישיון cc-by-sa 3.0

39655306פריצה חשמלית