Vorrichtung mit zwei durch ein Dielektrikum getrennten Leitern. Die Erfindung bezieht sich auf eine Vor richtung mit zwei durch ein Dielektrikum getrennten Leitern, wie zum Beispiel Kon densatoren, Kabel oder dergleichen, und be zweckt, die Durchschlagsspannung des Di- elektrikums zwischen den Leitern zu er höhen.
Die Erfindung beruht auf der Erkennt nis, dass der Durchschlag von der Anzahl der bei einer bestimmten, zwischen den Elektro den herrschenden Spannung pro Oberflächen einheit eines Leiters durch den Isolierstoff zu der andern Elektrode übergehenden Elek tronen und von der Energie dieser Elektro nen abhängig ist, und dass eine Erhöhung der Durchschlagsspannung dadurch erreicht werden kann, dass die Anzahl der austreten den Elektronen möglichst herabgesetzt wird.
Die Vorrichtung gemäss der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass zwecks Er höhung der Durchschlagsspannung zwischen wenigstens einem der Leiter und dem Di- elektrikum eine mit dem Leiter zusammen- hängende dünne Schicht aus einem Material angebracht ist, dessen spezifischer Wider stand gross gegenüber dem der Leiter, aber kleiner als 105 Q,PCml ist.
Der halb- oder schlechtleitende Stoff kann an den Leiter geheftet werden, wird aber vorzugsweise, wenigstens falls der Lei ter aus Metall besteht, aus dem Leiter selbst durch chemische Umwandlung gebildet, zum Beispiel durch Oxydation seiner Oberfläche. Auch kann eine der Elektroden ganz aus einem schlecht leitenden Stoff bestehen, und ferner ist es möglich, zunächst die schlecht leitende 'Schicht zu bilden und dann einen guten Leiter zum Beispiel durch Spritzen aufzubringen.
Es ist bekannt, bei Hochspannungskabeln schlechtleitende Schichten zwischen dem Lei ter bezw. Bleimantel und dem Dielektrikum anzubringen. Dies erfolgt aber zu einem an dern Zweck. Bei Erwärmung der Kabel und darauffolgender Abkühlung können sich nämlich an der Oberfläche des Leiters Räume bilden, in denen infolge der grösseren Feld stärke leicht Ionisation und Durchschlag ein tritt. Zur Beseitigung dieses Übelstandes ist vorgeschlagen worden, die an die Leiter grenzenden Schichten des Dielektrikums einigermassen leitend zu machen.
Auch hat man bereits vorgeschlagen, bei Hochspannungskabeln für Röntgenzwecke die sinngemäss .dünne Metallader dadurch zu ver dicken, dass eine einigermassen leitende Schicht vorgesehen wird, um auf diese Weise das elektrische Feld an der Oberfläche des Leiters abzuschwächen.
Weiter ist vorgeschlagen worden, bei Kondensatoren mit so dünnem Papierdielek- trikum, dass kleine leitende Partikelchen, die immer in Papierisolation vorhanden sind, einen Kurzschluss zwischen den Belägen bil den würden, die Beläge mit halbleitenden Schichten zu bedecken zwecks Begrenzung des Kurzschlussstromes.
Im Gegensatz zum Bekannten wird bei der Vorrichtung nach der Erfindung eine halb- oder schlechtleitende Schicht vorge sehen, um den Austritt von Elektronen aus den Belägen hintanzuhalten. Es ist dabei Bedingung, dass der Leiter über die ganze, dem Dielektrikum zugekehrte Oberfläche bedeckt ist und dass die Schicht innig mit dem Leiter zusammenhängt.
Die Erklärung der Tatsache, dass auf diese Weise die Durchschlagsspannung er höht wird, ist folgende: Es hat sich gezeigt, dass bereits bei ver hältnismässig niedrigen Spannungen ein Strom zwischen den Elektroden fliesst. Dieser nimmt bei wachsender Spannung stark zu. Der .Strom pro cm= Elektrodenoberfläche ist durch die Formel:
EMI0002.0015
gegeben, in der F die Feldstärke darstellt, die bei flachen parallelen Elektroden an nähernd gleich
EMI0002.0016
ist. (V = Spannung, d Elektrodenabstand; <I>A</I> und<I>B</I> sind Kon stanten.) Die austretenden Elektronen werden durch das Feld beschleunigt.
Bei einer be stimmten Spannung erhalten die Elektronen eine solche Geschwindigkeit, dass Atome des Dielektrikums ionisiert werden; die auf diese Weise ausgelösten Elektronen können nach dem Durchlaufen einer bestimmten Span nung wieder andere Atome ionisieren usw., bis Durchschlag eintritt.
Um Durchschlag hintanzuhalten, muss das Elektrödenmaterial derart gewählt wer den, dass wenig Elektronen austreten. Ausser dem muss die Energie, mit der die Elektronen austreten, möglichst gering sein, da auch diese Energie zur Ionisation beiträgt.
Aus der Formel geht hervor, dass eine ge ringe Anzahl von Elektroden austritt, wenn die Konstante A klein und die Konstante B gross ist. Diese Konstanten sind von dem Elektrodenmaterial abhängig. A ist von der Anzahl von freien Elektronen pro cm" der Elektrode und von der Arbeit abhängig, die zum Einbringen eines Elektrons aus dem Metall in das Dielektrikum aufgewendet werden muss. .B ist nur eine Funktion der letztgenannten Arbeit. Bei Metallen ist A gross. Der Bedingung, dass A klein und B gross ist, entsprechen schlechtleitende Stoffe, da diese nur wenig freie Elektronen pro cm' enthalten.
Gemäss der Erfindung wird somit wenigstens eine der Elektroden mit einer Schicht aus einem schlechtleitenden Stoff, vorzugsweise einem Halbleiter, überzogen.
Wenn es sich um einen Gleichstromkon densator handelt, so genügt es, die negative Elektrode mit einer solchen Schicht zu be decken; bei Wechselstrom müssen die beiden Elektroden überzogen werden.
Versuche haben erwiesen, dass in dieser Weise die Durchschlagsspannung erheblich erhöht werden kann.
Als halbleitende Schicht kann eine Me tallverbindung wie zum Beispiel C%0, Cu0, Cu=S, CuJ, Mn0= oder dergleichen gewählt werden. Die Schicht kann dabei durch Oxy dation aus den Elektroden selbst gebildet werden. . Auch können als Schicht Isolatoren ver- #endet werden, in denen leitende Teilchen, zum Beispiel Metallteilchen, vorhanden sind.
Es hat sieh gzeigt, dass die schlecht- bezw. halbleitende Bedeckung sehr dünn sein darf.
Die Erfindung ist überall dort anwend bar, wo zwei Metalle durch ein Dielektrikum getrennt sind und eine hohe Durchschlags spannung gewünscht wird.