絶縁体に超高電圧を印加する方法

質問

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

回答No.4

cocacola2010 · 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

補足

お詳しいご回答有難う御座います。
＞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。
よく解りました。高電圧をある時間をかけて印加すると、イオン化したり分子間、原子間結合が切れたりして大電流が流れるのですね。

＞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。
よく解りました。

＞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。
よく解りました。ほとんどこのような計算をしないので、慣れておらず間違いました。以後注意をします。

＞IG(イグニッション電源のことですよね？)
少し違います。インパルスジェネレータのことで御座います。

＞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。
成るほど。考えて見ますと、その通りで御座います。

回答No.5

cocacola2010

続きましてcocacola2010です。

飛行機の飛雷を利用した高電圧の実験はあるのか？
http://okwave.jp/qa/q6071076.html
ざっくり読みました。

プラズマや放電に関する知識、
および絶縁体・誘電体に関する知識
導体における過渡的な現象における知識がないと
議論できません。

・落雷（放電）が起こる前について、
電流が流れていない時は、抵抗による電圧の分配則を用いてはいけません。
（電流が流れていないのに、「抵抗」で電圧を求めるのは間違いです。）
正しくは「誘電率」考慮して電界の積分値から各部の電圧を逆算しなくてはいけません。
静電コンデンサの電圧の求め方と同様にして計算しなければ正しい値が求まりません。
下記ＵＲＬで言うところの誘電体をはさんだコンデンサに該当する状況です。
この電流が流れていない状態では、雲と地面が作る静電界中において、
飛行機の上端と下端に生ずる電圧、および飛行機内部のあらゆる2点間の電圧は０です。
これは静電遮蔽（スクリーニング）と呼ばれる現象で、
導体内の自由電子が電界を打ち消す様に偏ることによって起こる現象です。

電磁気（コンデンサー）
http://www15.wind.ne.jp/~Glauben_leben/Buturi/Denjiki/Denjikibase2.htm
静電遮蔽
http://kids.gakken.co.jp/jiten/4/40015120.html

・落雷時
落雷はドリフト電流とは異なります。
端的に言えば、加速された電子が他の電子を衝突により原子核による束縛から弾き飛ばして解放し、
数を増やしながら地表に降り注ぐ現象です。
空から地表までを直流回路として見なしてオームの法則を適用するのはよろしくありません。

サージ電圧、スタティックディスチャージャーの融解等の議論がありましたが。
これは曇と地表に生じた電圧による物ではなく、
（そうであれば地球上の電化製品全滅です）
空から降り注いだ電荷（電子）が導体に注入されて、その電荷周りの電界により生じたものです。
（飛行機表面上の傷はそれ、もしくは電子の衝突エネルギーか衝撃波のどれかが原因です）
この導体に注入された電荷に関してはオームの法則が一応適用可能です。
よって、飛行機に落雷した場合その飛行機上だけでオームの法則を適用してもかまいません。

が、
非常に局所的なものであるので、
V=IR（素子全体の代表値）の式を用いてはならず、E=Jρ（ある１点でも適用可能）で表される
オームの方程式を用いなければなりません。
また、
その場合電圧Vは電荷そのものによって生み出されるため、電圧は乾電池のように一定ではなく
電荷の分布によって決定付けられるため、電荷の移動に伴い変化しますので
オームの方程式のみによって解を求めることができません。
よって
ガウスの法則、および電流を考慮した電荷保存則とを連立させて計算します。

導体
http://www.moge.org/okabe/temp/elemag/node29.html

高校などで習うオームの法則（簡略バージョン）とは一線を画しているのでイメージが沸かない
かもしれません。
直流回路では、一定電圧をかけて電流が単調に流れていくイメージですが、
この方程式を解いた解は、
飛行機に落ちて注入された電子同士が反発しあって、洗剤をたらした時の油のように導体表面を
ブワーっと広がっていくイメージです。

電線に止まっているスズメの話がありました。
飛行機の外表面にスズメが止まっている（驚）と仮定して、スズメに直接落雷があればスズメは死にます。
（さすがに丸焦げというのは漫画的なイメージで実際はもっとグロイことになりますね・・・）
スズメのすぐ横に落ちても衝撃波で死にます。
しかし、スズメの近くに雷が落ちず、スズメの足元の導体を電流伝わっていくだけなら、スズメは死にません。
電子は通りやすい場所があるのに、わざわざ通りにくい場所を通ったりしません。
これが本来の意味での短絡、つまりshort circuit(近道)です。
電流は近道を好みます。

回答者さん皆々様方含め、高校で習った回路のイメージが捨てきれないようです。
高校では、電流が継続的に流れる「定常状態」しか扱わないからでしょう。
一瞬の出来事である「過渡現象」をも、その「定常状態」の式を使って頑張って説明しようとしても無駄です。まずそれぞれの方程式の適用限界を知らなければいけません。

補足

詳しいお返事有難う御座います。
＞飛行機の飛雷を利用した高電圧の実験はあるのか？
申し訳御座いません。このテーマ「絶縁体に超高電圧を印加する方法」と異なりますので、
以下につきまして下記にてご教示頂きましたら幸いです。このテーマは締めさせて頂きます。
http://oshiete.goo.ne.jp/qa/6071076.html

＞下記ＵＲＬで言うところの誘電体をはさんだコンデンサに該当する状況です。
実は、私もそうではないかと、少し思いました。

＞飛行機の上端と下端に生ずる電圧、および飛行機内部のあらゆる2点間の電圧は０です。
コンデンサーにサンドイッチされた金属の２点間には電位差が発生しないのですね。

＞端的に言えば、加速された電子が他の電子を衝突により原子核による束縛から弾き飛ばして解放し、数を増やしながら地表に降り注ぐ現象です。
そうなんですか。電圧は地表では減衰して１万Vぐらいになりますが、電流は増加するのですね。それは予想もしませんでした。

＞空から地表までを直流回路として見なしてオームの法則を適用するのはよろしくありません。
そうしますと、その通りですね。

＞空から降り注いだ電荷（電子）が導体に注入されて、その電荷周りの電界により生じたものです。
成るほど、解りました。
＞（飛行機表面上の傷はそれ、もしくは電子の衝突エネルギーか衝撃波のどれかが原因です）
衝撃波が良くわかりません。何でしょうか？電磁波でしょうか？それとも音波とか熱の波でしょうか？

＞直流回路では、一定電圧をかけて電流が単調に流れていくイメージですが、この方程式を解いた解は、飛行機に落ちて注入された電子同士が反発しあって、洗剤をたらした時の油のように導体表面をブワーっと広がっていくイメージです。
難しそうですね。概算でどのような電圧になるのでしょうか？元の雷雲の電圧が１０億Vの場合、飛行機にもその程度の電圧が印加される可能性はあるのでしょうか？

＞電子は通りやすい場所があるのに、わざわざ通りにくい場所を通ったりしません。
＞これが本来の意味での短絡、つまりshort circuit(近道)です。
＞電流は近道を好みます。
了解致しました。

＞一瞬の出来事である「過渡現象」をも、その「定常状態」の式を使って頑張って説明しようとしても無駄です。まずそれぞれの方程式の適用限界を知らなければいけません。
了解致しました。

回答No.3

cocacola2010

続きましてcocacola2010です。

質問者さんのほかの質問と回答を拝見させていただきました。
オームの法則で様々なことを説明したいようですが、オームの法則というのはどんな時でも成り立つ万能の法則ではないことをご理解ください。
高電界について議論する前にオームの法則が何故成り立つか、をまず理解しなければいけません。
http://teamcoil.sp.u-tokai.ac.jp/classes/EMB/2009FY/P10.pdf
（上記ＵＲＬは大学１年で習う電磁気の基礎の基礎の一部を非常に親切でわかりすく説明しているページを見つけてきました）

オームの法則が成り立つのは、格子振動やイオン不純物散乱などによって自由電子の平均自由行程が十分短く、またドリフト速度が電子の熱速度に対して
十分に無視できる範囲においてのみ適用が可能な近似式です。よって

・高電圧（ドリフト速度が電子の熱速度に対して無視できない）
・超高電圧（電子同士の散乱＝電離が起こる）
・ナノスケール（バリスティック領域）の薄膜材料やドープされた原子（平均自由行程中に有する散乱因子が小さい）
・半導体に小さな電界を加えたとき（熱速度による拡散電流が主要な電流である）
などの場合はオームの法則から大きく外れる（成り立たない）ため抵抗率の概念そのものが成り立たなくなりますので注意してください。

質問者さんは低抵抗の物質に高電圧を印加したいようですね。
私は電気デバイスおよび固体の電子物性が専門ですがそのメリットがわかりません。
低抵抗の物質に高電圧を印加するのは、消費電力の観点でみても、素子の役割から見ても「無駄」と捉えるのが私の専門分野での一般的な考え方です。
何かの応用例があるのなら（パワーデバイス関連になるのでしょうが）知りたいものです。

お礼

＞了解しました。すると金属も融けた状態では、抵抗が下がって、更に抵抗が小さくなるのでしょうか？
反対でした。分子運動が活発になり、電子の運動を妨げるので、抵抗は大きくなるのでしょうか？

補足

お返事有難う御座います。
＞あくまで、wikipediaに載っているのは水晶を融解させた状態での抵抗率です。
了解しました。すると金属も融けた状態では、抵抗が下がって、更に抵抗が小さくなるのでしょうか？

＞大気の絶縁破壊ではなく、水晶そのものの絶縁破壊です。
＞水晶は2×10^6V/cm（つまり2×10^8V/m）程度で絶縁破壊します。
そうですか。了解致しました。
＞固体のSiO2は電気を通さないんです。（ナノオーダー薄膜ではトンネル効果によって電流が流れますが）
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？
ちなみに絶縁体ですから、このようなことがあるのですね。例えば、10^6～8Ωｍ程度の抵抗の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？

＞何故「下記No.3の文は正確ではない」となるのかは理解できませんが、（No3さんの言うところには私も同意です）
何らかの方法で所望の電圧が印加されたとしましょう。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？（間違いを指摘するつもりではなく正確なことを知りたいだけです。）

http://teamcoil.sp.u-tokai.ac.jp/classes/EMB/2009FY/P10.pdf
＞（上記ＵＲＬは大学１年で習う電磁気の基礎の基礎の一部を非常に親切でわかりすく説明しているページを見つけてきました）
残念ながら見ることが出来ませんでした。

＞・超高電圧（電子同士の散乱＝電離が起こる）
＞などの場合はオームの法則から大きく外れる（成り立たない）ため抵抗率の概念そのものが成り立たなくなりますので注意してください。
具体的に何V以上で成り立たなくなるのでしょうか？ちょうど下記HPにて、落雷現象はオームの法則が適用されるか否かを討議しています。ご教示頂きましたら幸いです。

http://oshiete.goo.ne.jp/qa/6071076.html

＞質問者さんは低抵抗の物質に高電圧を印加したいようですね。
違います。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。

回答No.2

cocacola2010

＞＞7.5*10＾17Ωｍは固体のSiO2のものではなく高温融解させたSiO2のものなので既に融けています。固体のSiO2ならば7.5*10＾17Ωｍじゃなく無限大です。
＜そうですか。意味不明です。では下記は間違っているのでしょうか？
＜水晶の電気抵抗率の測定方法

あれ？意味不明ですか？
例えば塩化ナトリウムNaClの電気伝導性ついてご存知ないですか？塩化ナトリウムは結晶の状態では電気を通しませんが、
高温で融解させると電気を通すようになります。中学で習いませんでしたか？今は（昔は）教えないのでしょうか？

ＵＲＬの回答者さんは質問者さんが提示した抵抗を固体のSiO2の抵抗だとそのまま信じ込んで回答したのでしょう。
その回答者さんのおっしゃった抵抗の測り方そのものに関しては異論ありません。
しかし質問者さんが記載したwikipediaの「電気抵抗の比較」の「水晶」の欄にはちゃんと「融解」と書いてありますよ。確認して下さい。
経験上の問題として
私の専門上、電界効果トランジスタ（パソコンのメモリなどに使われている素子です）の特性についてそれなりに詳しいのですが
そこに使われる絶縁膜がSiO2です。、固体の状態でＵＲＬの回答者さんが回答された条件で[pA]オーダーの電流が流れては
トランジスタとして使い物になりません。固体のSiO2は電気を通さないんです。（ナノオーダー薄膜ではトンネル効果によって電流が流れますが）
あくまで、wikipediaに載っているのは水晶を融解させた状態での抵抗率です。

＞＞また、1.2*10＾18V/ｍ（1mmの素子なら1000兆ボルト！！！）
＞＞なんてもの電界を印加すれば、オームの法則には従いません、絶縁破壊します。
＜そうですか。別に周りを大気にしておく必要はないです。水晶以上の絶縁体＋装置全体をコンクリートで＜埋めておけば理論的には絶縁破壊しないのでは？

大気の絶縁破壊ではなく、水晶そのものの絶縁破壊です。
水晶は2×10^6V/cm（つまり2×10^8V/m）程度で絶縁破壊します。
http://www.material.tohoku.ac.jp/~denko/lecture/denshizairyo/zairyo11.pdf
さすがに1.2*10＾18V/ｍは桁違いの電界です。雷が、ドアノブを触ったときの静電気ほどにも思えないほどです。
コンクリートなんて簡単にはじけ飛ぶどころか原子レベルにまで分解されかねない勢いです。
この電界で絶縁破壊されない物質が地球上にあるなら紹介してください。

＞＞一応指摘しておきますと1.6Aではなく1.6A/m^2
＜では、以前下記でご教示頂いた下記No.3の文は正確ではないのでしょうか？

何故「下記No.3の文は正確ではない」となるのかは理解できませんが、（No3さんの言うところには私も同意です）
私が言いたかったのは、質問者さんが、
電圧「V」、電界[V/m]、電流[A]、電流密度[A/m^2]、抵抗[Ω]、抵抗率[Ωm]を正しく使い分けていないであろう事です。
それぞれ意味が違います。
オームの法則には２種類あることをご存知でしたか？
ひとつはV[V]=R[Ω]I[A]もうひとつはE[V/m]=ρ[Ωm]J[A/m^2]
前者は中学校などで習う簡略的なもの、後者は高校・大学などで習うより根本的なものです。
2つの意味するところの違いを理解していますでしょうか？
http://akita-nct.jp/yamamoto/lecture/2005/p1/9th/html/node3.html

＞＞溶けるではなく融ける
＜そうですか。では下記は間違っているのでしょうか？

日常会話的な文章では「溶ける」でも問題ありません。
しかし、科学分野で文章を書くときには溶解（液体に溶け込む）融解（熱で液状になる）の混同を避けるために区別して用います。
（卒業論文で「溶ける」と書いたら教授に訂正されますよ。）
だからわざわざ「融ける」と「溶ける」の二通りの漢字表記が用意されているわけです。

＞＞短絡とは大電流が流れることや熱で融けることではなく、良導体が閉ループを作ることです。
＜そうですか。よくショート（短絡）させてケーブルが燃えたとか言いませんかねえ

言います。
ただし短絡とはshort circuit（近道）の邦訳、つまり「電子が通過しやすい経路」を示す言葉です、
（ケーブルは良導体ですので短絡と呼ぶのは適切です）
結果として大電流により、ケーブルが燃えることにつながりますが、
高電圧をかけた結果によって高抵抗（電子が通過しにくい物質）に熱が発生して破損することを短絡と呼ぶのは（気持ちはわかりますが）誤った語法です。

回答No.1

cocacola2010

＜＜この場合、多分短絡して溶けると思うのですが

7.5*10＾17Ωｍは固体のSiO2のものではなく高温融解させたSiO2のものなので既に融けています。固体のSiO2ならば7.5*10＾17Ωｍじゃなく無限大です。
また、1.2*10＾18V/ｍ（1mmの素子なら1000兆ボルト！！！）
なんてもの電界を印加すれば、オームの法則には従いません、絶縁破壊します。

一応指摘しておきますと
1.6Aではなく1.6A/m^2
溶けるではなく融ける
短絡とは大電流が流れることや熱で融けることではなく、
良導体が閉ループを作ることです。

補足

＞7.5*10＾17Ωｍは固体のSiO2のものではなく高温融解させたSiO2のものなので既に融けています。固体のSiO2ならば7.5*10＾17Ωｍじゃなく無限大です。
そうですか。意味不明です。では下記は間違っているのでしょうか？
水晶の電気抵抗率の測定方法
http://oshiete.goo.ne.jp/qa/6095053.html

＞また、1.2*10＾18V/ｍ（1mmの素子なら1000兆ボルト！！！）
＞なんてもの電界を印加すれば、オームの法則には従いません、絶縁破壊します。
そうですか。別に周りを大気にしておく必要はないです。水晶以上の絶縁体＋装置全体をコンクリートで埋めておけば理論的には絶縁破壊しないのでは？

＞一応指摘しておきますと1.6Aではなく1.6A/m^2
では、以前下記でご教示頂いた下記No.3の文は正確ではないのでしょうか？
http://oshiete.goo.ne.jp/qa/6093211.html

何らかの方法で所望の電圧が印加されたとしましょう。そのときに流れる電流が200pA以下なら金は溶けません。

＞溶けるではなく融ける
そうですか。では下記は間違っているのでしょうか？

http://dic.yahoo.co.jp/dsearch?enc=UTF-8&p=%E6%BA%B6%E3%81%91%E3%82%8B&dtype=3&dname=2na&stype=0&pagenum=1&index=03058000

＞短絡とは大電流が流れることや熱で融けることではなく、良導体が閉ループを作ることです。
そうですか。よくショート（短絡）させてケーブルが燃えたとか言いませんかねえ。