Elektriksel Kırılım

Bir Tesla bobininden gelen şerit benzeri plazma filamentlerini gösteren bir elektrik deşarjı.

Elektriksel kırılım ya da dielektrik çökümü uygulanan voltaj çöküm gerilimini geçtiğinde yalıtkan maddenin direncindeki ani azalmadır. Bu durum yalıtkan maddenin bi kısmının iletken olmasıyla sonuçlanır. Elektriksel kırılım geçici(elektrostatik boşalmadaki gibi) olabildiği gibi, eğer koruyucu cihazlar yüksek güç devresindeki akımı kesmede başarısız olursa devamlı ark boşalmasına da yol açabilir.

Yeterli elektriksel gerilim altında, katı, sıvı, gaz veya vakumda elektriksel kırılım gerşekleşebilir. Ancak özellikle farklı çeşit dielektrik ortamlarda özel çökme mekanizmaları her biri için önemli farklılıklar gösterebilir.

Elektrik Yalıtımı Hatası

Elektriksel kırılım çoğunlukla yüksek gerilimli trafolar veya kapasitörlerin içinde kullanılan katı veya sıvı yalıtkan malzemelerde oluşan hatalarla bağdaştırılır ve genellikle kısa devre veya yanmış sigorta ile sonuçlanır. Elektriksel kırılım aynı zamanda yüksek gerilim hava hatlarını durduran yalıtkan maddeler boyunca, yeraltı güç kablolarında veya ağaç dallarının yanındaki kabloların kıvılcımlanmasıyla ortaya çıkabilir.

Mekanizma

Elektriksel kırılım dielektrik gücü aşıldığında gaz içerisinde(gaz karışımı, örneğin hava) de oluşabilir. Yüksek elektrik gerilim bölgeleri yakınında bulunan gazları kısmi olarak iyonlaştırır ve iletken olmasını sağlar. Bu aynı zamanda floresan lambalar (bkz. Elektriksel boşalım) ya da elektrostatik filtrelerde de bilinçli olarak düşük basınç boşalması ile yapılır.

Havanın kısmi elektriksel kırılımı yüksek gerilimli cihazlar etrafında ya da gök gürültülü fırtınalarda ozonda “taze hava” kokusuna sebep olur. Havanın normalde çok iyi bir yalıtkan olmasına rağmen yeterince yüksek voltajla gerildiğinde (yaklaşık 3 x 106V/m) gücünde elektrik alan), hava elektriksel çöküşe başlayıp kısmi iletken olabilir. Eğer voltaj yeterince yüksekse, havanın tam elektriksel kırılımı bütün boşluğa köprü oluşturan elektriksel kıvılcım ya da ark ile sonuçlanır. Statik elektrikle ortaya çıkan küçük kıvılcımlar zar zor duyulabilirken daha büyük kıvılcımlar genellikle yüksek sesli patlama ya da şiddetli gürültüyle beraber gerçekleşir. Yıldırım metrelerce uzunlukta çok büyük kıvılcımlara örnektir. Kıvılcımların rengi ortamdaki gaza bağlıdır.

Eğer sigorta ya da akım anahtarı güç devresindeki kıvılcımdan geçen akımı kesmede başarısız olursa, akım devam edebilir ve çok sıcak elektrik arkı oluşabilir. Oluşan arkın rengi öncelikle iletken maddeye bağlıdır (buharlaştıkça arktaki sıcak plasmayla karışır). Arkın içindeki ve etrafındaki serbest iyonlar yeniden birleşerek yeni kimyasal bileşikler oluşturur (ozon, karbon monoksit, azot oksit ve diğer bileşikler). Ozon belirgin kokusu ile en kolay farkedilen gazdır. Kıvılcım ve arklar genelde istenmeyen şeyler olmasına rağmen, benzin motorlarındaki bujiler, metallerin elektrik kaynağı, veya elektrik ark fırınında metal eritmek gibi günlük uygulamalarda yararlı olabilir.

Kırılım öncesi Gerilim-Akım ilişkisi

Gerilim – Akım İlişkisi

Gaz çöküntüsünden önce, voltaj ve akım arasında şekildeki gibi doğrusal olmayan ilişki vardır. Birinci bölgede, alan tarafından hızlanabilen ve akımı düşüren serbest iyonlar vardır. Bunlar belli bir voltajda doygunluğa ulaşacak ve ikinci bölgedeki gibi sabit akım verecektir. Üçüncü ve dördüncü bölgeler Towsend boşaltma mekanizmasıyla açıklanan iyon çığı nedeniyle olurlar.

Korona Çökmesi

Havanın kısmi çökmesi, yüksek gerilimli iletkenlerdeki en yüksek elektrik gerilimli noktalarda olan korona çökmesi gibi oluşur. Yalıtkanın etrafını saran maddenin dielektrik gücü maksimum elektrik alan gücünü belirlediği için, bu kaplama maddesi iletken olmadan önce bu güce dayanabilir. Keskin noktalar veya küçük çaplı toplar şeklince olan iletkenler dielektrik çökmesine sebep olmaya daha yatkındır. Korona bazen yüksek gerilim kablolarında mavimsi parlama olarak görülebilir ve yüksek voltaj güç kablolarında cızırtı olarak duyulabilir. Aynı zamanda radyo alıcılarındaki hışırtıya veya “parazit” olarak bilinen radyo frekansı gürültüsüne de korona sebep olur. Ayrıca korona doğal olarak St. Elmo Yangını gibi yüksek noktalardaki (kilise kuleleri, ağaç tepeleri veya gemi direkleri) gök gürültülü fırtınalar sırasında görülebilir. Korona boşalmasının genelde istenmemesine rağmen, son zamanlarda fotokopi(kserografi) ve lazer yazıcıların kullanımı için önemlidir. Birçok modern kopyalayıcı ve lazer yazıcılar iç mekandaki istenmeyen ozon kirliliğini azaltarak, elektrik iletken silindirli fotoiletken makaraları şarj etmektedir. Buna ek olarak, paratonerler korona boşaltımını kullanarak havadaki iletken yolların kendilerine gelmesini sağlayarak potansiyel zarar verecek yıldırımları binalar ve başka yapılardan uzağa saptırır.

Korona boşaltımlı ozon jeneratörleri su arıtma işlemlerinde 30 yıldan fazla süredir kullanılmaktadır. Ozon zehirli bir gazdır ve hatta klordan daha tesirlidir. Tipik bir içme suyu arıtma tesisinde, ozon bakteri ve virüsleri öldürmek için filtrelenmiş suda çözdürülür. Ayn zamanda sudaki kötü koku ve tatlar da ozonla atılır. Ozonun temel avantajı, aşırı dozu (atık) su müşteriye ulaşmadan oksijen gazına ayrışır. Klorda ise tam tersi, fazlası suda kalır ve suyun tadını değiştirir.

Korona boşaltmaları ayrıca polimerlerin yüzey özelliklerini değiştirmek için kullanılır. Örneğin plastik maddelere uygulanan korona boşalmasıyla boya veya mürekkebin yüzeye düzgünce yapışmasını sağlar.

Bozucu Cihazlar

Katı yalıtkan içindeki dielektrik kırılım kalıcı olarak görünümünü ve özelliklerini değiştirebilir.

Bozucu cihaz yalıtkan maddenin yalıtkanlık gücünü geçen elektriksel aşırı gerilim için tasarlanmıştır, böylece cihazların kasıtlı olarak elektriksel çöküşüne sebep olur. Bu, yalıtkanın izole durumdan yüksek iletken duruma geçmesini sağlayacak ani yalıtım bölümü geçişiyle sonuçlanır. Bu geçiş elektrik kıvılcımı oluşumu(plazma kanalı) ve muhtemelen yalıtkan maddede elektrik ark oluşumyla devam eder, ve böyle karakterize edilebilir. Eğer yalıtkan katıysa, boşaltım boyunca kalıcı fiziksel ve kimyasal değişimler maddenin dielektrik gücünü önemli ölçüde azaltacaktır, ve cihaz sadece tek sefer kullanılabilir olacaktır. Ancak, eğer yalıtkan madde sıvı veya gazsa, akım plazma kanalının dışardan kesilmesiyle, yalıtkan özelliklerini tamamıyla iyileştirebilirler. Mesleki Spark gaps bu özelliği kullanarak darbeli güç sistemlerinde ani yüksek voltaj değişimlerine geçmeyi, telekomünikasyon ve elektrik güç sistemlerine aşırı gerilim koruması sağlamayı ve çoğu içten yanmalı motorlarda bujilerle yakıtın yanmasını sağlar.