Электрический пробой и его теория
Человечество в своих экспериментах с электричеством всё норовит сделать что-то миниатюрное. Но даже небольшие напряжения при очень малом зазоре — это высокая напряжённость поля (там же вольты, делённые на метры). Отчего и пробивается изоляция, превращаясь в плазму, то есть в проводник, и всё перестаёт работать. Кроме того, используются и весьма высокие напряжения — например в линиях электропередачи. Вопрос электропрочности изоляции — для практики важный, а механизм пробоя известен плохо. Есть две главные модели — инжекции и ионизации. Первая — инжекция электронов в плёнку, ускорение электронов полем, тепловыделение, испарение и пробой в паре. Вторая — ионизация молекул, ускорение ионов, тепловыделение, опять испарение и пробой в паре. Обе модели не вполне согласуются с экспериментом.
Исследователи из Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого и Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе (Санкт-Петербург) брали плёнки полипропилена и полиэтилентерефталата толщиной 2—2,5 мкм, прикладывали к ним импульсы напряжения до 2,5 кВ, длительностью 100 мкс. Авторы обнаружили, что плёнка может пробиваться и на фронте импульса, когда напряжение только нарастает, и на «полке», когда оно уже не меняется. Причём плёнки этих двух типов ведут себя по-разному, что может быть связано с накоплением в плёнке инжектированного заряда.
На основе полученных данных авторы предложили композитную теорию: электроны, инжектированные из электрода в плёнку, возбуждают молекулы, что облегчает их последующую ионизацию.
Было бы интересно попробовать разные материалы электродов — от их свойств процесс инжекции должен зависеть сильно.
Семёнов С. Е., Капралова В. М., Пахотин В. А., Сударь Н. Т. Механизм развития импульсного пробоя в полимерных плёнках. Физика твёрдого тела, 2022, вып. 8, с. 948.
Внутри, то есть на поверхности
Если спросить школьника, почему затухают колебания, он ответит — трение (и, может быть, добавит слово «тепло»). А что, если трения нет? Если одинокая пружина висит на полпути между Вегой и Сириусом и её колебания медленно затухают? Для процессов, которые преобразуют энергию упругой деформации в тепло, в физике существует неудачный, но общеупотребительный термин «внутреннее трение».
Из кварца, то есть оксида кремния, сделана вся волоконная оптика; он же — основной компонент большинства стёкол. Но есть у него и область применения, для которой принципиально важно малое внутреннее трение. Это резонаторы с высокой добротностью, то есть с малыми потерями, пробные массы — зеркала детекторов гравитационных волн, а также чувствительные элементы волновых твердотельных гироскопов в современных навигационных системах. Оказывается, внутреннее трение существует не только внутри, но и в приповерхностной области твёрдых тел, и его можно уменьшить.
Исследователи из МГУ им. М. В. Ломоносова и филиала Южно-Уральского государственного университета (г. Миасс) подобрали способ обработки поверхности кварца, снижающий потери, то есть скорость перехода механической энергии в тепло. После классической шлифовки с уменьшающимися размерами абразивов (от 63 до 3 мкм) они подвергли образцы химическому травлению (фторид-ионы и перфторпеларгоновая кислота, многократная промывка в серной кислоте и воде), а потом, для уменьшения остаточных механических напряжений, — отжигу (920°С, 5 ч) и получили резонаторы с рекордными значениями добротности 107.
Лунин Б. С., Лопатин В. М. Поверхностное внутреннее трение в высокодобротных резонаторах из кварцевого стекла. Неорганические материалы, 2022, № 6, с. 658.
