Основні теоретичні відомості.

Робота виконується на установці №1 (рис. 2.1)

При збільшенні величини напруги до деякої критичної величини U_к, прикладеної до повітряного проміжку, останній поступово втрачає свої ізоляційні властивості і переходить у якісно новий стан, що характеризується різким збільшенням струму через нього. Це явище називають електричним пробоєм, а величину потенціалу, при якій відбувається електричний пробій повітряного проміжку - розрядною напругою U_p.

Електрична міцність (тобто розрядна напруга) повітряного проміжку

залежить від різних факторів: полярності прикладеної напруги, ступеня неоднорідності електричного поля між електродами, наявності й місця розташування бар'єру між електродами, характеру та інтенсивності джерела зовнішньої іонізації, факторів зовнішнього середовища: температури, тиску, вологості.

Електричний струм в газовому середовищі виникає завдяки переміщенню вільних електронів та іонів в електричному полі, що утворюються з нейтральних атомів і молекул завдяки процесам іонізації. Іонізація газу полягає у звільненні або приєднанні електрона до нейтрального атома або молекули і утворенні позитивно або негативно заряджених частинок - іонів. Тому гази поділяються на електропозитивні й електронегативні.

Іонізація повітря стимулюється впливом різноманітних зовнішніх факторів, дія яких полягає в передачі електронам енергії, необхідної для звільнення їх з атома. До числа таких зовнішніх іонізаторів відносяться: радіоактивний фон землі, сонячне або рентгенівське випромінювання, нагрів до температури порядку 5000 °С. Одночасно з процесом іонізації відбувається зворотній процес рекомбінації – перетворення іонів у нейтральні атоми і молекули шляхом захоплення ними вільних електронів. Тому повітря поновлює свої діелектричні властивості при виключенні зовнішнього іонізатора.

У сильному електричному полі електрони та іони газу набувають значної швидкості і стикаються з нейтральними атомами й молекулами, вибиваючи з них електрони і перетворюючи їх у заряджені частинки. Відбувається так звана ударна іонізація, коли кількість вільних електронів і іонів в міжелектродному проміжку зростає за експоненціальним законом:

Рис.2.1- Схема лабораторної установки №1

, (2.1)

де n₀ – початкова кількість електронів;

α – коефіцієнт ударної іонізації;

х – шлях вільного пробігу електрона.

Оскільки маса електронів у 10⁴ разів менша за маси іонів, то рухливість їх значно більша, тому ударна іонізація відбувається в основному за рахунок зіткнення електронів з атомами й молекулами у випадку, коли кінетична енергія електрона в електричному полі W_e = e∙ E∙ x перевищує енергію зв'язку електрона з атомом (тут е – заряд електрона, Е – напруженість електричного поля).

Певну роль у збільшенні електропровідності повітря відіграють електроди, зокрема катод, при бомбардуванні якого іонами вибиваються вторинні електрони, що прискорюють процес ударної іонізації.

Але не всі зіткнення електронів з атомами приводять до іонізації останніх. У тому випадку, коли кінетична енергія електрона недостатня для того, щоб відбулася іонізація, він тільки збуджує атом, який за час 10^-8 с повертається до нормального стану енергетичної рівноваги, виділяючи при цьому надлишок енергії у вигляді випромінювання фотона з енергією ε = hν, де h - постійна Планка, ν - частота електромагнітного випромінювання.

Електрична міцність повітряного проміжку значною мірою визначається напруженістю електричного поля між електродами, яка, в свою чергу, залежить від кривизни поверхні електродів. Тому напруга, при якій починається розвиток іскрового лавинного розряду для електродів різної форми, буде різна: між стержневими електродами вона буде меншою, між плоскими або кулеподібними – більшою. Пробій повітряного проміжку в різконеоднорідному полі (стержень - площина) починається з утворення місцевого локального розряду, який називають коронним в місці найбільшої напруженості електричного поля - біля стержневого або коронуючого електрода. Наслідком виникнення коронного розряду в міжелектродному проміжку є утворення електронами та іонами об'ємних зарядів різного знаку. Завдяки різній рухливості електронів та іонів напруга, при якій виникає корона і розвивається іскровий розряд, залежить від полярності напруги прикладеної до електроду, біля якого напруженість поля вища. Напруга, при якій з'являється коронний розряд, має назву критичної коронної напруги. У рівномірних полях коронний розряд не виникає, тому важливим завданням конструювання високовольтного електроенергетичного обладнання є вирівнювання електричних полів уміжелектродних проміжках.

Розглянемо випадок, коли на стержневий електрод подано позитивний потенціал (рис.2.2 а). Якщо поблизу електрода напруженість електричного поля Е достатньо велика, починається процес ударної іонізації і виникає лавина електронів, спрямована від катода до анода, тобто до стержня. Електрони, маючи більшу рухливість, приходять до стержня і нейтралізуються на його поверхні, знижуючи його потенціал. Більш повільні позитивні іони рухаються до плоского електрода, утворюючи поблизу стержня позитивний об'ємний заряд +q, який створює поле Е₊, спрямоване протилежно напруженості поля Е₀, - зовнішнього джерела напруги; на відстані від стержня напруженості Е₊ і E ₀ співпадають. При цьому утворюється розподіл напруженості електричного поля між електродами, показаний на рис.2.2 а.. Сумарна крива Е= E₀+ Е₊ тут показує результуючий розподіл напруженості електричного поля між електродами. Зокрема видно, що поблизу стержня позитивний об'ємний заряд +q зменшує напруженість електричного поля і збільшує її на деякій відстані від електрода. Завдяки цьому напруженість поблизу стержня зменшується, що запобігає виникненню коронного розряду. Одночасно область підвищеної напруженості розповсюджується на іншу частину міжелектродного проміжку, що сприяє його іонізації і розвитку іскрового розряду.

У другому випадку, коли на стержневий електрод подано негативний потенціал, картина розподілу напруженості електричного поля буде суттєво іншою (рис.2.2 б). Лавини електронів, рухаючись від стержневого до плоского електрода, залишають канали лавин, залишаючи після себе позитивній об'ємний заряд +q. Опинившись між позитивно зарядженим об'ємним зарядом +q і позитивно зарядженим плоским електродом, електрони втрачають свою швидкість і більша їх частина захоплюється молекулами кисню з утворенням малорухомих негативно заряджених іонів -q, які утворюють поле об'ємного заряду - Е_-. Результуюча крива розподілу напруженості поля Е складається з трьох компонент: поля зовнішнього джерела напруги Е ₀, поля позитивного об'ємного заряду Е+ і поля негативного об’ємного заряду Е - (рис.2.2 б). З рис. 2.2 б видно, що об’ємні заряди в цьому випадку збільшують напруженість поля поблизу стержня, сприяючи виникненню корони, і водночас знижують напруженість між позитивним і негативним об’ємним зарядами. Це звужує

а б

Рис.2.2 - Розподіл напруженості електричного поля між електродами: а - на стержневий електрод подано позитивний потенціал; б - на стержневий електрод подано негативний потенціал.

ділянку можливої іонізації і зменшує імовірність розвитку іскрового розряду. Таким чином напруга, при якій виникає корона, вища при позитивному потенціалі стержня, тоді як розрядна напруга (і, відповідно, електрична міцність повітряного проміжку) вища при негативному потенціалі стержня.

Якщо в міжелектродному проміжку розташувати бар'єр – тонку діелектричну пластину, то електрична міцність його суттєво зростає. Це пояснюється тим, що тонкий бар'єр не є перепоною для електронів, у той час як іони, маса яких в 10⁴ раз більша, затримуються ним і завдяки силам електростатичного розштовхування рівномірно розподіляються по поверхні пластини, утворюючи додатковий квазіелектрод. У результаті поле між бар'єром і плоским електродом стає квазіоднородним, а між коронуючим електродом і бар'єром зменшується, що значно збільшує електричну міцність проміжку. Напруженість поля в проміжку між стержнем і бар'єром, що заповнений іонами одного знаку, мала і там протікає невеликий струм, поповнюючи заряд бар'єра, який зменшується завдяки струмам витоку.