Skilimas ore ir išilgai paviršiaus aukštu dažniu - vidinių aukštos įtampos konstrukcijų vientisa izoliacija. Gedimas esant aukštai įtampai

Pagrindinės sąvokos apie gedimą

Apžiūrėjome įvairius fizikiniai reiškiniai, atsirandantis dielektrike veikiant ne per didelio intensyvumo elektriniam laukui, kai dielektrikas lieka praktiškai nelaidžia terpe. Tačiau elektrinio lauko jėgos, atitinkamai padidėjus įtampai, gali sukelti šios būsenos pažeidimą. Dėl to dielektrikas iš nelaidžios būsenos pereis į būseną didelis laidumas, bet ne visas mėginys, kuriam tiekiama įtampa, o tik siauras kanalas, nukreiptas nuo vieno elektrodo į kitą.

Laidžio kanalo susidarymo dielektrike veikiant elektriniam laukui reiškinys vadinamas suskirstymas . Gali būti gedimas užbaigti , jei laidus kanalas pereina nuo vieno elektrodo prie kito ir juos uždaro, nepilnas , jei laidus kanalas nepasiekia bent vieno iš elektrodų, ir dalinis , jei tik prasiskverbia dujinis arba skystas kieto dielektriko intarpas. Kietuosiuose dielektrikuose, be skilimo pagal tūrį, galimas irimas ant paviršiaus (dujose ar skystyje), vadinamas paviršiaus skilimas .

Vadinama mažiausia įtampa, taikoma dielektriniam mėginiui, dėl kurios jis sugenda gedimo įtampa ().

Dielektrinio pavyzdžio (arba elektros izoliacijos) srovės įtampos charakteristika, tiesinė esant įprastai įtampai ( U), artėjant nukrypsta nuo tiesinio UĮ U np(9.13 pav.). Sugedimo momentu srovė per dielektriką smarkiai padidėja, todėl . Gedimo vietoje atsiranda kibirkštis arba elektros lankas. Dėl to, kad tarp elektrodų susidaro labai laidus plazmos skilimo kanalas, mėginys trumpai sujungiamas, o įtampa jame krinta, nepaisant padidėjusios srovės.

Ryžiai. 9.13. Elektros izoliacijos srovės-įtampos charakteristikos

Jei dujiniame ar skystame dielektrike įvyksta gedimas, tai dėl molekulių mobilumo, nutrūkusi vieta, pašalinus įtampą, atkuria pirmines savybes ir vertę. Unp(tačiau su sąlyga, kad galia ir trukmė elektros lankas nebuvo tokie reikšmingi, kad sukeltų reikšmingus dielektriko pokyčius visame jo tūryje). Sugedus kietam dielektrikui, dažniausiai jame lieka pėdsakai perforuotos (taigi ir pavadinimas „gedimas“), sudegusios ar išsilydžiusios skylės pavidalu. netaisyklingos formos. Jei įtampa vėl įjungiama, gedimas, kaip taisyklė, įvyksta anksčiau pradurtoje vietoje, esant žymiai sumažintai įtampai.

Kai kuriais atvejais po dielektriko skilimo skilimo kanale lieka laidžių skilimo produktų, o dielektrikas praranda savo elektros izoliacinės savybės. Kietojo dielektriko paviršiaus pažeidimas, susijęs su laidžių pėdsakų („takų“) susidarymu, vadinamas paviršiaus gedimu. sekimas .

Elektros izoliacijos vardinė įtampa turi būti mažesnė už gedimo įtampą. dydis, lygus santykiui gedimo įtampa iki vardinės įtampos vadinama elektrinio stiprumo saugos koeficientas .

Reikšmė U np dielektrikas yra tiesiogiai susijęs su įtampos taikymo laiku. Taigi, esant trumpalaikiams impulsams, gedimas įvyksta esant aukštesnei įtampai, nei esant pastoviai arba ilgai taikomai kintamajai įtampai.

Ilgalaikis didelio intensyvumo elektrinio lauko poveikis sukelia negrįžtami procesai dielektrike, ko pasekoje sumažėja jo skilimo įtampa, t.y. vyksta izoliacijos elektrinis senėjimas . Dėl šio senėjimo izoliacijos tarnavimo laikas yra ribotas. Priklausomybės kreivė U np nuo įtampos padavimo momento vadinamas elektros izoliacijos gyvavimo kreivė . gedimo įtampa ( U np) didėja didėjant dielektriko storiui h.

Norint apibūdinti medžiagos gebėjimą atsispirti sunaikinimui elektriniame lauke, įvedama elektrinio lauko stiprumo, kuriam esant skilimas, sąvoka:

Vienodo elektrinio lauko, sukeliančio gedimą, intensyvumas vadinamas elektrinis stiprumas . Elektrinis stiprumas ( E pr) yra vienas iš svarbiausi parametrai elektros izoliacinė medžiaga.

Dujinių, skystųjų ir kietųjų dielektrikų skilimo mechanizmai turi didelių skirtumų.

Dujų gedimas

Elektronų skaičius, susidaręs per 1 s 1 cm 3 oro veikiant Žemės radioaktyvumui arba kosminiai spinduliai, svyruoja nuo 10 iki 20. Šie elektronai yra pradiniai krūviai, dėl kurių dujos suyra stipriame lauke. Didėjant elektrinio lauko stiprumui, elektronai tarp dviejų susidūrimų įgyja energijos, kurios pakanka dujų molekulėms jonizuoti.

At duotomis vertybėmis dujų slėgis ir temperatūra, smūginė jonizacija prasideda esant tam tikram lauko stiprumui. Šis lauko stiprumas ( E) vadinamas pradinė įtampa .

Kai kuriose dujose (pavyzdžiui, deguonyje, anglies dvideginio, vandens garai), atskirtas elektronas, per vieną iš kitų susitikimų su kita neutralia molekule, susijungia su ja, paversdamas jį elektronneigiamu jonu.

Pagrindinę jonizaciją atlieka elektronai. Dėl to, susidūrę su atomais ir molekulėmis, jie generuoja naujus elektronus. „Antriniai“ elektronai, išsiskiriantys veikiant laukui, savo ruožtu sukelia dujų molekulių jonizaciją. Dėl šio proceso elektronų skaičius dujų tarpelyje, didėjantis kaip lavina, labai greitai didėja. Smūgio jonizacija elektronais sudaro dujų skilimo pagrindą.

Dujų skilimo netolygiame lauke ypatybė yra dalinio išleidimo formoje atsiradimas karūnos vietose, kur lauko stiprumas pasiekia kritines vertes, su tolesnis perėjimas karūnos į kibirkštinio išlydžio ir lankas didėjant įtampai.

Oro skilimas kietojo dielektriko paviršiuje, technologijoje vadinamas paviršiaus blyksniu, dažniausiai vyksta esant žemesnei įtampai nei tuo atveju, kai tarp elektrodų yra tik oras. Išlydžio įtampos vertę įtakoja elektrinio lauko forma, kurią lemia elektrodų ir dielektriko konfigūracija, įtampos dažnis, dielektriko paviršiaus būklė ir oro slėgis.

Skystų dielektrikų skilimas

Skystieji dielektrikai turi žymiai didesnę gedimo įtampą nei dujos normaliomis sąlygomis. Dielektrinių skysčių skilimo mechanizmas ir elektrinis stiprumas visų pirma priklauso nuo jų grynumo. Elektros gedimas Kruopščiai išvalyti skysčiai, trumpalaikiai veikiami elektrinio lauko, atsiranda dėl dviejų procesų derinio: elektronų smūginės jonizacijos ir šalto katodo spinduliavimo. Atsižvelgiant į tai, kruopščiai išgrynintų skysčių elektrinis stipris yra dviem eilėmis didesnis nei dujų ir yra maždaug 100 MV/m. Tai paaiškinama tuo, kad reikalingas didesnis lauko stiprumas, kad elektronas galėtų judėti tankesnėje terpėje su trumpesniu vidutiniu laisvu keliu ( λ ), turi sukaupęs pakankamai energijos jonizacijai.

Užterštų ir techniškai grynų skysčių skilimo pobūdį lemia procesai, susiję su priemaišų dalelių judėjimu ir persiskirstymu.

Staigus nuosmukis E pr Taip pat atsitinka, kai skystis yra užterštas šlapiais organiniais pluoštais (popieriumi, tekstilės gaminiais), nes tokie pluoštai gali sudaryti didesnio laidumo tiltelius. Jei tiltelis liečiasi su vienu iš elektrodų, jis tarnauja kaip adatos formos šio elektrodo tęsinys, dėl to sumažėja atstumas tarp elektrodų ir padidėja lauko nehomogeniškumas. „Sauso“ pluošto atveju tilteliai turi didelį atsparumą ir turi mažesnę įtaką E pr skysčių. Labiausiai paplitusi priemaiša skystuose dielektrikuose yra drėgmė, kuri gali būti ištirpusi arba emulsinta.

Kietųjų dielektrikų skilimas

Fizinis kietųjų dielektrikų skilimo vaizdas skirtingų atvejų gali būti kitoks. Kartu su jonizacijos procesais, antriniai procesai, kuriuos sukelia stiprus elektrinis laukas (šildymas, cheminės reakcijos, dalinės iškrovos, mechaniniai įtempimai dėl elektrostrikcijos, erdvės krūvių susidarymas nehomogeniškumo ribose ir kt.). Todėl išskiriami keli kietųjų dielektrikų skilimo mechanizmai: elektrinis, elektroterminis, elektrocheminis ir jonizacinis.

Elektros gedimas yra gedimas, sukeltas smūginės jonizacijos arba ryšių tarp dielektrinių dalelių nutrūkimo tiesiogiai veikiant elektriniam laukui.

Elektrinis stiprumas ( E pr) kietųjų dielektrikų kiekis elektros gedimo metu yra gana siaurose ribose – 100 – 1000 MV/m, o tai artima E pr stipriai suslėgtų dujų ir labai švarūs skysčiai. Reikšmė E pr daugiausia dėl vidinė struktūra dielektrinis (atomų tankio tankis, jų ryšių stiprumas) ir silpnai priklauso nuo to išoriniai veiksniai, pvz., temperatūra, naudojamos įtampos dažnis, mėginio forma ir matmenys (išskyrus labai mažus storius). Šis gedimo tipas būdingas makroskopiškai vienalyčiams dielektrikams su mažais dielektriniais nuostoliais. Šio tipo gedimas įvyksta ne ilgiau kaip per 10 -7 ... 10 -8 s ir jo nesukelia šiluminė energija. Elektrinio stiprumo vertė elektros gedimo metu tam tikru mastu priklauso nuo temperatūros ir pradiniame etape ją lydi dielektriko sunaikinimas labai siaurame kanale.

Elektroterminis (terminis ) gedimas – gedimas, atsirandantis dėl šiluminių procesų, vykstančių dielektrikoje, veikiant elektriniam laukui, ir dėl kurio dielektrikas sunaikinamas. Terminis skilimas įvyksta, kai dielektrike išsiskiria šilumos kiekis dėl dielektriniai nuostoliai, viršija šilumos kiekį, kuris gali būti išsklaidytas tam tikromis sąlygomis; šiuo atveju jis pažeidžiamas šiluminė pusiausvyra, o procesas įgauna laviną primenantį pobūdį.

Šiluminio skilimo reiškinys yra susijęs su medžiagos kaitinimu elektriniame lauke iki temperatūros, atitinkančios lydymosi, įtrūkimo, anglėjimo ir pan. reiškinį. Skilimo įtampos vertė terminio skilimo metu yra ne tik medžiagos, bet ir gaminio charakteristika. prieštarauja elektriniam ir jonizaciniam gedimui, kai skilimo įtampa gali pasitarnauti medžiagos savybėms, būtent jos elektriniam stiprumui.

Įkaitimo dielektriku sukeliama gedimo įtampa priklauso nuo įtampos dažnio, aušinimo sąlygų, temperatūros aplinką tt Be to, elektroterminė (gedimo) įtampa priklauso nuo medžiagos atsparumo karščiui. Organiniai dielektrikai (pavyzdžiui, polistirenas) turi mažesnes „elektroterminių“ skilimo įtampų vertes nei neorganiniai dielektrikai (kvarcas, keramika), su kitais vienodos sąlygos, jei tik dėl mažo atsparumo karščiui.

Elektrocheminis gedimas dėl cheminiai procesai, lemiantys dielektriko pokyčius veikiant elektriniam laukui. Cheminiai pokyčiai(senėjimas) esant aukštai įtampai atsiranda dėl elektrolizės, ozono buvimo ore ir kt. Elektros senėjimas ypač reikšmingas veikiant nuolatinei įtampai ir mažiau pastebimas veikiant kintamajai įtampai.

Jonizacijos gedimas – tai gedimas, kurį sukelia jonizacijos procesai dėl dalinių iškrovų dielektrike. Labiausiai būdinga dielektrikams su oro intarpais (pavyzdžiui, popierine izoliacija). Esant dideliam lauko stiprumui oro porose, vyksta oro jonizacija, susidaro ozonas, pagreitinti jonai, šilumos generavimas. Visi šie procesai veda prie laipsniško izoliacijos sunaikinimo ir mažėjimo E pr.

Kaip nurodyta, kietuose dielektrikuose, be tūrinio, taip pat įmanoma paviršiaus skilimas , t.y. skilimas skystame arba dujiniame dielektrike, esančiame šalia kietos izoliacijos paviršiaus. Nes E pržemiau esantys skysčiai ir ypač dujos E pr kietieji dielektrikai, o normalus elektrinio lauko stiprumo komponentas yra nepertraukiamas sąsajoje, tada esant tokiam pačiam atstumui tarp elektrodų tūryje ir paviršiuje, gedimas pirmiausia įvyks išilgai kietojo dielektriko paviršiaus. Norint išvengti paviršiaus suirimo, būtina pratęsti galimas būdas išmetimas ant paviršiaus. Todėl izoliatorių paviršius daromas gofruotas, o kondensatoriuose paliekami nemetalizuoti dielektriko kraštai. Paviršutiniškas Upr Jie taip pat padidinami sandarinant elektros izoliacijos paviršių lakais, junginiais ir skystais dielektrikais, turinčiais didelį elektrinį stiprumą.

Makroskopiškai nevienalyčių dielektrikų skilimas

Dauguma praktikoje naudojamų dielektrikų turi nehomogeniškumo įvairių tipų. Pavyzdžiui, keraminiai dielektrikai susideda iš kelių fazių (kristalinės ir stiklinės), su skirtingomis elektrines savybes, ir turi daugiau ar mažiau porų (oro inkliuzų). Presuoti ir suvynioti gaminiai turi sluoksniuotą struktūrą;

Dėl mažų E pr, ε Ir γ akytojo dielektriko dujų intarpai, esantys stipriame elektriniame lauke, šiuose intarpuose atsiranda dalinės iškrovos („užsidega“). Būtent šių iškrovų atsiradimas dažnai yra pagrindinis procesas, vedantis į porėto dielektriko suirimą (jonizacijos skilimą).

Siekiant padidinti poringų dielektrikų elektrinį stiprumą, jie impregnuojami, užpildant poras skysčiu arba kietėjančia elektros izoliacine medžiaga, turinčia didelį elektrinį stiprumą. Taigi, neimpregnuotam kabelių popieriui E pr= 3...5MV/m, o impregnuotam mišiniu E pr= 40...80 MV/m.

Dabar kokybiškai pažvelgsime į kai kurias lauko aplink laidininkus ypatybes. Įkraukime elektra laidininką, bet šį kartą ne sferinį, o turintį antgalį ar briauną (pvz., 6.14 pav. pavaizduotos formos). Tada laukas šioje vietoje bus daug stipresnis nei kitose vietose. Priežastis yra bendras kontūras susideda iš to, kad krūviai linkę kuo plačiau pasklisti per laidininko paviršių, o antgalio galas visada yra toliausiai nuo likusio paviršiaus. Todėl dalis plokštelėje esančių krūvių teka link galiuko. Santykinai mažas kiekisįkrovimas ant jo gali sukurti didelį paviršių tankis, A didelio tankio reiškia stiprų lauką šalia laidininko šioje vietoje.

Apskritai tose laidininko vietose, kuriose kreivio spindulys yra mažesnis, laukas yra stipresnis. Norėdami tai pamatyti, apsvarstykite didelės ir mažos sferos, sujungtos viela, derinį, kaip parodyta Fig. 6.15. Pati viela didelio poveikio neturės išorinės paraštės; jo darbas – išlyginti sferų potencialą. Prie kurio kamuolio laukas bus intensyvesnis? Jei kairiojo rutulio spindulys A, ir mokestis K,

(Žinoma, vieno rutulio buvimas paveiks krūvių pasiskirstymą kitame, todėl iš tikrųjų nė vienas iš jų nebus pasiskirstęs simetriškai. Bet jei mus domina tik apytikslis lauko dydis, galime naudoti sferinio krūvio potencialo formulė.) Jei rutulio spindulys mažesnis b turi mokestį q, tada jo potencialas yra maždaug lygus

Bet φ 1 =φ 2 taip

Kita vertus, laukas šalia paviršiaus [žr (5.8) lygtis] ​​yra proporcinga paviršiaus tankis krūvis, kuris savo ruožtu yra proporcingas bendram krūviui, padalintam iš spindulio kvadrato. Pasirodo, kad

Tai reiškia, kad mažesnės sferos paviršius turi didesnį lauką. Laukai yra atvirkščiai proporcingi spinduliams.

Šis rezultatas yra labai svarbus techniniu požiūriu, nes jei laukas yra per didelis, ore įvyksta gedimas. Kai kurie nemokamas mokestis ore (elektroną ar joną) šis laukas pagreitina, o jei jis labai stiprus, tai krūvis prieš atsitrenkdamas su atomu gali įgyti tokį greitį, kad iš atomo išmuš naują elektroną. Dėl to jonų atsiranda vis daugiau. Jų judėjimas yra kibirkštis arba iškrova. Jei norite įkrauti kūną dideliu potencialu, jo neišleidžiant į orą, turite būti tikri, kad kūno paviršius yra lygus ir nėra vietų, kur laukas būtų per aukštas.

Dujose stebimas tik elektros gedimas.

Dujiniuose dielektrikuose yra tam tikras kiekis laisvųjų jonų ir elektronų, kurie, veikiami elektrinio lauko, pradeda judėti link anodo. Svarbus vaidmuo skilimo metu, ypač pradiniame etape, priklauso elektronams kaip dalelės, kurios turi daug didesnį mobilumą nei jonai. Kai elektronas susiduria su molekule, jis perduoda jai dalį savo energijos, o po to galimi du scenarijai, kuriuos supaprastintai galima apibūdinti taip:

1. molekulė yra jonizuota, išspinduliuoja elektroną, todėl juda (lauke greitėja) du elektronai, kurie gali jonizuoti dvi kitas molekules ir dabar keturi juda laisvasis elektronas, kuris gali jonizuoti kitas keturias molekules – dėl to stebima smūginė jonizacija, dėl kurios įvyksta elektronų lavina;

2. molekulė pereina į sužadinimo būseną ir išskiria perteklinę energiją spinduliuotės pavidalu – fotoną, kuris gali jonizuoti kitą molekulę, todėl vyksta fotonų jonizacija, dėl kurios atsiranda padidinto laidumo kanalas (streameris).

Fotonai, judantys šviesos greičiu (3 10 8 m/s), lenkia elektronų lavinas ir, „susidūrusios“ su neutraliomis molekulėmis, jas jonizuoja, sukeldamos naujas elektronų („dukterines“) lavinas.

Pagrindinės ir dukterinės lavinos, judančios link anodo, auga, pasiveja viena kitą, susilieja ir sudaro elektronegatyvų srautą – elektronų lavinų grandinę, susiliejančią į vientisą visumą. Taip pat susidaro teigiamų jonų srautas, kuris juda priešinga kryptimi, suformuodamas elektropozityvų srautą. Artėjant prie katodo, teigiami jonai, atsitrenkę į jo paviršių, sudaro šviečiantį katodo tašką, skleidžiantį „antrinius“ elektronus. Teigiamas srautas, užpildytas antriniais elektronais ir elektronais, susidariusiais dėl elektronų smūginės jonizacijos ir fotojonizacijos, virsta pralaidžiu dujų išlydžio plazmos kanalu. Šio kanalo elektrinis laidumas yra labai didelis, juo teka trumpojo jungimo srovė aštrumpasis jungimas.

5.9 paveiksle parodyta diagrama, paaiškinanti elektros gedimo raidą, kur lavinos sutartinai vaizduojamos nuspalvintų kūgių pavidalu, o fotonų keliai pavaizduoti banguotomis linijomis. Banguotų linijų kilmė kyla iš atomų, kuriuos sužadino elektronas ir tada išspinduliavo fotonas.

Ryžiai. 5.9. Scheminis elektronų lavinos ir elektroneigiamo srauto susidarymo dujų skilimo metu vaizdas

Plazminio dujų išleidimo kanalo susidarymas (5.10 pav.) iš tikrųjų yra dujų skilimas. Atsiradimas aštrumpasis jungimas- gedimo pasekmė. Priklausomai nuo dydžio aštrumpasis jungimas gedimas pasireiškia kibirkšties arba elektros lanko pavidalu.

Ryžiai. 5.10. Scheminis dujų išlydžio plazminio kanalo susidarymo vaizdas

Dujų skilimas pastoviame vienodame lauke pasižymi priklausomybe E priklausomai nuo slėgio (5.11.a pav.). Esant slėgio vertėms, viršijančioms normalią, dujos suspaudžiamos, todėl vidutinis laisvas elektrono kelias mažėja. Todėl, norint patenkinti gedimo galimybės sąlygą, būtina padidinti elektrinio lauko stiprumą E. Kai mažėja dujų vidutinis ilgis didėja laisvas elektrono kelias, o tuo pačiu elektronai gali įgyti papildomos energijos net esant mažesnei lauko stiprumo vertei. Teritorijoje didelis vakuumas E pr didėja, nes dėl stipraus dujų retėjimo mažėja molekulių skaičius tūrio vienete ir mažėja elektronų susidūrimo su molekulėmis tikimybė. 0,1 MPa slėgis atitinka normalų atmosferos slėgį.

E oras tolygiame lauke didėja, kaip parodyta 5.11 pav. b), mažėjant atstumui tarp elektrodų dėl sumažėjusios elektronų susidūrimo su dujų molekulėmis tikimybės. Elektros stiprumo padidėjimas in šiuo atveju sukeltas sunkumų formuoti iškrovą dėl mažo atstumo tarp elektrodų.

Dujų skilimo įtampa žymiai sumažėja nehomogeniniuose laukuose, pavyzdžiui, orui esant d=1 cm nuo 30 kV iki 9 kV.

Ryžiai. 5.11. Dujų elektrinio stiprumo priklausomybė nuo slėgio

Pascheno dėsnis. Pascheno dėsnis parodo priklausomybę U np tam tikros konstrukcijos dujiniai dielektrikai iš slėgio sandaugos R dujos į atstumą h tarp elektrodų (5.12 pav.). Įstatymas nustato, kad kiekvienos dujos turi savo minimalią gedimo įtampos vertę U np.min priklausomai nuo darbo Ph. Dujoms, kurias sudaro dvi- ir daugiaatominės molekulės, Upr.min yra nuo 280 V (H 2) iki 420 V (CO 2). 50 Hz dažniu nejonizuotame ore vienodame elektriniame lauke Upr.min~ 326 V. Inertinėms dujoms (dujoms, kurias sudaro monatominės molekulės) Upr.min, mažesnis nei dujų iš poliatominių molekulių (pavyzdžiui, gryno argono Upr.min≈195 V, o argonui su natrio garų priedu ~ 95 V, neonui su natrio garais ~ 85 V). Todėl norint sumažinti Upr.min inertinės dujos, naudojamos dujų išlydžio įrenginiuose, elektrodai yra pagaminti (arba bent jau padengti) iš metalų su šarminių arba šarminių žemių metalų priedais mažai darbo elektronų išsiskyrimas.

Nevienodame lauke įjungta U Elektrodų poliškumas taip pat turi įtakos. Taigi, elektrodams su mažu kreivio spinduliu U pr su teigiamu poliškumu yra mažesni nei su neigiamu poliškumu. Taip yra dėl to, kad dėl vainikinės iškrovos susidaro teigiamas erdvės krūvis ant galo, o tai padidina lauko stiprumą likusioje tarpo dalyje.

Ryžiai. 5.12. Priklausomybė nuo gedimo įtampos Upr.maks oro (1) ir neono (2) iš dujų slėgio sandaugos R iki atstumo tarp elektrodų h

Esant pakankamai aukštiems dažniams, laisvieji elektronai turi laiko pasislinkti dideli atstumai ir pasiekti elektrodus. Didelės masės jonai per pusę virpesių ciklo nespėja pasislinkti dideliais atstumais, o teigiamų jonų koncentracija tarpelektrodinėje erdvėje didėja, todėl atsiranda vadinamasis „erdvės krūvis“. Todėl, pradedant nuo dažnių, viršijančių dešimtis kilohercų, didėja jonų susidūrimo su molekulėmis tikimybė, mažėja dujų elektrinis stipris (5.13 pav.). Tolesnis augimas Elektrinio lauko dažnis lemia tai, kad per pusciklą ne tik teigiami jonai nespėja judėti dideliais atstumais, bet ir elektronai nespėja išskristi iš tarpelektrodinės erdvės. Padidėja įkrautų dalelių rekombinacijos tikimybė, mažėja jų koncentracija. Be to, norint sumažinti pusės ciklo laiką, reikia padidinti jonus veikiančią jėgą, kad kinetinė energija pakanka molekulėms jonizuoti. Todėl esant dažniams, viršijantiems vieną megahercą, dujų elektrinis stiprumas didėja.

Ryžiai. 5.13. Dujų elektrinio stiprumo priklausomybė nuo elektrinio lauko dažnio

Dujų (oro) skilimas nevienodame lauke pirmiau cop jonų iškrova arba korona, kuri yra neišsamus gedimas. Korona atsiranda esant stresui U į, kuris yra mažesnis nei U np (JK< U np), šalia elektrodo su nedideliu kreivio spinduliu, ant aštrių metalinių kraštų ir pan.; jis stebimas pertraukiamo melsvo švytėjimo pavidalu ir kartu su būdingu garsu (zvimbimu ar traškėjimu). Didėjant įtampai, korona iškrova virsta kibirkštis ir tada, esant pakankamai įtampos šaltinio galiai - į lankas iškrovimas.

Strypo-plokštumos elektrodų atveju, sukuriant labai nehomogenišką lauką, U pr dujos bus mažiausios su teigiamu strypo poliškumu ir didžiausios su neigiamu strypo poliškumu (5.14 pav.). Tai paaiškinama taip. Kaip minėta pirmiau, prieš oro tarpo gedimą atsiranda vainikinės iškrovos. Tokiu atveju susidarę elektronai, turintys didesnį (~ 1000 kartų) mobilumą nei teigiami jonai, greitai palieka vainikinį sluoksnį ir atsiranda tūrinis tūris. teigiamas krūvis. Tūrinis teigiamas krūvis, susidaręs šalia elektrodo galiuko, skirtingai veikia oro tarpo įtampą. Jei yra strypo formos elektrodas teigiamas potencialas, tada teigiamas tūrinis krūvis padidins lauko stiprumą išorinėje vainiko srityje, o gedimas įvyks esant mažesnei vertei U pr. Jei ant strypo yra neigiamas potencialas, tada teigiamas tūrinis krūvis sumažins lauko stiprumą išorinėje vainiko srityje, o oro tarpas suirs esant didesnei vertei. U pr. Mažėjant impulso trukmei (didėjant įtampos dažniui), skirtumas tarp reikšmių U pr mažėja priklausomai nuo strypo poliškumo. Didumas U pr dujų skilimo metu esant dideliam dažniui netolygiame lauke (priešingai nei sugedus vienodame lauke) yra žymiai mažesnis nei U pr adresu nuolatinė įtampa arba maitinimo dažnio įtampa.

Ryžiai. 5.14. Priklausomybė nuo gedimo įtampos Upr oras iš toli h

tarp elektrodų (nevienodas laukas)

Nehomogeniniuose laukuose, kai didėja oro drėgmė, gedimo įtampa U pr didėja. Tai galima paaiškinti padidėjusiu vandens molekulių gebėjimu užfiksuoti laisvuosius elektronus ir paversti sėsliais elektronais. neigiamų jonų. Dėl to mažėja jonizuojančių elektronų skaičius tarpelektrodinėje erdvėje, todėl išlydžio įtampa didėja U np esant 50 Hz dažniui jis padidėja 10%.

Paviršinis iškrovimas. Jei elektrinis laukas tarpelektrodų erdvėje yra vienodas, tada gedimas gali įvykti bet kur ir esant didžiausiai įtampai. Jei kietasis dielektrikas įvedamas į vienodą lauką, kaip parodyta 5.15.a pav., tada elektros iškrova atsiras ore virš kieto dielektriko paviršiaus ir, jei kiti dalykai yra vienodi, esant žemesnei įtampai. Šiuo atveju iškrovos įtampa U p priklausys nuo daugelio veiksnių ir, visų pirma, nuo kietojo dielektriko fizikinių ir cheminių savybių, mėginio paviršiaus būklės ir jo padėties lauko linijų atžvilgiu, oro drėgmės, taikomo lauko formos ir dažnio, elektrodų sandarumas kietajam dielektrikui ir atstumas tarp jų.

Ryžiai. 5.15 Vektorių linijų pasiskirstymas E elektros izoliacinėje konstrukcijoje, kurią sudaro kietas dielektrikas (1) ir oras (2):

a - lauko linijos nukreiptos lygiagrečiai,

b - statmena dielektrinei sąsajai

Priklausomybės kreivės U p iš atstumo L tarp elektrodų vienarūšiuose ir nehomogeniniuose elektriniai laukai priklausomai nuo kietojo dielektriko pobūdžio (vertė dielektrinė konstantaε ir savitasis paviršiaus elektrinis laidumas g s) pateikti 5.16 pav. Paveikslėlyje parodyta, kad didėjant atstumui tarp elektrodų U p skirtingos cheminės prigimties kietiesiems dielektrikams didėja nevienodai. Aukščiausias U p stebimas iškrovimo metu išilgai nepolinių kietųjų dielektrikų paviršiaus molekulinė struktūra. Poliariniams dielektrikams U p mažesnis nei nepolinių, o kuo mažesnis, tuo didesnis kietojo dielektriko ε ir g s bei mažesnis jo sąlyčio kampas. Dielektrikuose joninė struktūra(žr. 5.16. a pav.), 3 ir 4 kreivės), kuriose yra jonų šarminiai metalai ir todėl turi didesnį paviršiaus elektrinį laidumą, U p net mažesnis nei molekulinės sandaros polinių dielektrikų. Ypač reikšmingai U p mažėja su prastas elektrodų sukibimas su paviršiumi kietasis dielektrikas (5 kreivė). Tokiu atveju elektrinis laukas tarpelektrodinėje erdvėje tampa nehomogeniškesnis, dėl to sumažėja iškrovos įtampa.

Nustatyta, kad kietojo dielektriko paviršiuje susidaro monomolekulinio sluoksnio ar daugiau storio ištisinė arba nepertraukiama iš oro kondensuotos drėgmės plėvelė, kuri pažeidžia lauko vienodumą, todėl. U p mažėja. Šiuo atveju elektros iškrova iš tikrųjų vyksta netolygiame lauke. Be to, kuo didesnis vandens plėvelės elektrinis laidumas, tuo mažesnis U p.

Ryžiai. 5.16. Priklausomybė nuo iškrovos įtampos U p ore išilgai dielektrikų paviršiaus iš tolo L tarp elektrodų vienodame lauke (a) ir nevienodame lauke (b) ir dielektrinės konstantos ε( aš) ir kietojo dielektriko (c) savitasis paviršiaus elektrinis laidumas γ s (II):

a, b - mėginio skersmuo 50 mm; 1 - parafinas, 2 - bakelitas, 3 - porcelianas, 4 - stiklas, 5 - porcelianas ir stiklas su prastu elektrodo kontaktu, 6 - oro tarpas;

c - plokštumai lygiagretūs elektrodai suapvalintais kraštais, mėginio skersmuo 45 mm, aukštis 30 mm, T=20°C; U – PTFE, 2 – PE, 3 – PS, 4 – PMMA, 5 – vinilo plastikas, b – mediena, 7 – getinax, 8 – oro tarpas

Jei kietojo dielektriko paviršius yra labai grubus ir jame yra įtrūkimų, tai šiose vietose susidaro oro mikrotarpeliai, kurie nuosekliai sujungiami su kietuoju dielektriku. Dėl skirtingų oro ir kietojo dielektriko dielektrinės konstantos verčių lauko stipris mikrotarpuose didėja ir, pasiekęs pradinį stiprumą, sukelia oro inkliuzų jonizaciją. Jonizacija, savo ruožtu, tampa papildomu veiksniu, didinančiu lauko nehomogeniškumą ir mažinančiu U p. Atsisakyti U pįtakos turi ir kiti veiksniai. Yra žinoma, kad ore visada yra laisvų teigiamų ir neigiamų jonų. Todėl kietųjų dielektrikų paviršiuje net ir labai sausame ore susidaro to paties ženklo jonų sluoksnis, o virš jo, ore – priešingo ženklo jonų sluoksnis. Veikiant įtampai, šie jonai kartu su vandens jonais yra išstumiami į priešingai įkrautus elektrodus, dalyvaujančius erdvės krūvių formavime. Prie elektrodų susidarančių erdvinių krūvių dydžiui įtakos turi ne tik paviršiaus elektrinis laidumas, bet ir įtampos trukmė. Esant trumpiems impulsams ir aukštiems dažniams (ƒ> 50 kHz), nedidelis jonų skaičius turi laiko pasislinkti, todėl elektrinis laukas šiek tiek iškraipomas, todėl U pšiek tiek sumažėja.

Dabar kokybiškai pažvelgsime į kai kurias lauko aplink laidininkus ypatybes. Įkraukime elektra laidininką, bet šį kartą ne sferinį, o turintį antgalį ar briauną (pvz., 6.14 pav. pavaizduotos formos). Tada laukas šioje vietoje bus daug stipresnis nei kitose vietose. Priežastis, bendrai tariant, yra ta, kad krūviai linkę kuo plačiau pasklisti laidininko paviršiuje, o taško galas visada yra toliausiai nuo likusio paviršiaus. Todėl dalis plokštelėje esančių krūvių teka link galiuko. Palyginti mažas krūvio kiekis ant jo gali sukurti didelį paviršiaus tankį, o didelis tankis reiškia stiprų lauką šalia laidininko toje vietoje.

6.14 pav. Elektrinis laukas ties aštriu laidininko kraštu yra labai didelis.

Apskritai tose laidininko vietose, kuriose kreivio spindulys yra mažesnis, laukas yra stipresnis. Norėdami tai pamatyti, apsvarstykite didelės ir mažos sferos, sujungtos viela, derinį, kaip parodyta Fig. 6.15. Pats laidas neturės didelės įtakos išoriniams laukams; jo darbas – išlyginti sferų potencialą. Prie kurio kamuolio laukas bus intensyvesnis? Jei kairiojo rutulio spindulys yra , o krūvis yra , tada jo potencialas yra maždaug lygus

(Žinoma, vieno rutulio buvimas paveiks krūvių pasiskirstymą kitame, todėl iš tikrųjų nė vienas iš jų nebus pasiskirstęs simetriškai. Bet jei mus domina tik apytikslis lauko dydis, galime naudoti sferinio krūvio potencialo formulė.) Jei mažesnio spindulio rutulys turi krūvį, tai jo potencialas yra maždaug lygus

Bet taip

Kita vertus, laukas šalia paviršiaus [žr lygtis (5.8)] yra proporcinga paviršiaus krūvio tankiui, kuris savo ruožtu yra proporcingas bendram krūviui, padalintam iš spindulio kvadrato. Pasirodo, kad

(6.35)

6.15 pav. Smailaus objekto lauką apytiksliai galima laikyti dviejų vienodo potencialo sferų lauku.

Tai reiškia, kad mažesnės sferos paviršius turi didesnį lauką. Laukai yra atvirkščiai proporcingi spinduliams.

Šis rezultatas yra labai svarbus techniniu požiūriu, nes jei laukas yra per didelis, ore įvyksta gedimas. Šis laukas pagreitina bet kokį laisvą krūvį ore (elektroną ar joną), o jei jis labai stiprus, tada prieš susidūrimą su atomu krūvis gali įgyti tokį greitį, kad iš atomo išmuš naują elektroną. . Dėl to jonų atsiranda vis daugiau. Jų judėjimas yra kibirkštis arba iškrova. Jei norite įkrauti kūną dideliu potencialu, jo neišleidžiant į orą, turite būti tikri, kad kūno paviršius yra lygus ir nėra vietų, kur laukas būtų per aukštas.

Dabar kokybiškai pažvelgsime į kai kurias lauko aplink laidininkus ypatybes. Įkraukime elektra laidininką, bet šį kartą ne sferinį, o turintį antgalį ar briauną (pvz., 6.14 pav. pavaizduotos formos). Tada laukas šioje vietoje bus daug stipresnis nei kitose vietose. Priežastis, bendrai tariant, yra ta, kad krūviai linkę kuo plačiau pasklisti laidininko paviršiuje, o taško galas visada yra toliausiai nuo likusio paviršiaus. Todėl dalis plokštelėje esančių krūvių teka link galiuko. Santykinai mažas kiekisįkrovimas ant jo gali sukurti didelį paviršių tankis, o didelis tankis reiškia stiprų lauką šalia laidininko šioje vietoje.

Fig. 6.14. Elektrinis laukas ties aštriu laidininko kraštu yra labai didelis.

IN Apskritai tose laidininko vietose, kuriose kreivio spindulys yra mažesnis, laukas yra stipresnis. Norėdami tai pamatyti, apsvarstykite didelės ir mažos sferos, sujungtos viela, derinį, kaip parodyta Fig. 6.15. Pats laidas neturės didelės įtakos išoriniams laukams; jo darbas – išlyginti sferų potencialą. Prie kurio kamuolio laukas bus intensyvesnis? Jei kairiojo rutulio spindulys yra a, o krūvis yra Q, tada jo potencialas yra maždaug lygus

(Žinoma, vieno rutulio buvimas paveiks krūvių pasiskirstymą kitame, todėl iš tikrųjų nė vienas iš jų nebus pasiskirstęs simetriškai. Bet jei mus domina tik apytikslis lauko dydis, galime naudoti sferinio krūvio potencialo formulė.) Jei mažesnio spindulio b turi mokestį q, tada jo potencialas yra maždaug lygus

Bet  1 = 2, taigi

SU kita vertus, laukas šalia paviršiaus [žr lygtis (5.8)] yra proporcinga paviršiaus krūvio tankiui, kuris savo ruožtu yra proporcingas bendram krūviui, padalintam iš spindulio kvadrato. Pasirodo, kad

Fig. 6.15. Smailaus objekto lauką apytiksliai galima laikyti dviejų vienodo potencialo sferų lauku.

Tai reiškia, kad mažesnės sferos paviršius turi didesnį lauką. Laukai yra atvirkščiai proporcingi spinduliams.

Šis rezultatas yra labai svarbus techniniu požiūriu, nes jei laukas yra per didelis, ore įvyksta gedimas. Šis laukas pagreitina bet kokį laisvą krūvį ore (elektroną ar joną), o jei jis labai stiprus, tada prieš susidūrimą su atomu krūvis gali įgyti tokį greitį, kad iš atomo išmuš naują elektroną. . Dėl to jonų atsiranda vis daugiau. Jų judėjimas yra kibirkštis arba iškrova. Jei norite įkrauti kūną dideliu potencialu, jo neišleidžiant į orą, turite būti tikri, kad kūno paviršius yra lygus ir nėra vietų, kur laukas būtų per aukštas.

§ 12. Jonų mikroskopas

Gautas itin didelis elektrinis laukas, supantis bet kokį aštrų įkrauto laidininko išsikišimą įdomi programa viename įrenginyje. Darbas jonų mikroskopas sukeltas aplink atsirandančių galingų laukų metalinis antgalis.Šis įrenginys sukurtas taip. Labai plona adata, kurios galiuko skersmuo ne didesnis kaip 1000 Å, įdedama į stiklinės sferos, iš kurios buvo išpumpuotas oras, centrą (6.16 pav.). Vidinis rutulio paviršius yra padengtas plonu laidžiu fluorescencinės medžiagos sluoksniu, o tarp adatos ir fluorescencinės dangos susidaro labai didelis potencialų skirtumas.

Pirmiausia pažiūrėkime, kas atsitiks, jei adata yra neigiamai įkrauta fluorescencinio ekrano atžvilgiu. Lauko linijos adatos gale yra labai koncentruotos. Elektrinis laukas gali siekti 40 10 6 V per 1 cm. Tokiuose stipriuose laukuose dėl potencialų skirtumo elektronai atsiskiria nuo adatos paviršiaus ir pagreitėja srityje nuo adatos iki ekrano. Pasiekę ekraną, jie šioje vietoje sukelia švytėjimą (lygiai kaip televizoriaus kineskopo ekrane).

Fig. 6.16. Jonų mikroskopas.

Atėję elektronai šį tašką fluorescencinis paviršius, labai gerai apytiksliai, yra tie patys elektronai, kurie paliko kitą radialinės lauko linijos galą, nes elektronai juda lauko linijomis, jungiančiomis adatos galiuką su sferos paviršiumi. Taigi paviršiuje matome savotišką adatos galiuko vaizdą. Arba, mes matome paveikslėlį spinduliuotė antgalio paviršius, t. y. kaip lengvai elektronai gali palikti metalinio antgalio paviršių. Jei skiriamoji geba yra pakankamai didelė, galima tikėtis, kad nuostatos bus išspręstos atskiri atomai prie adatos galo. Tačiau naudojant elektronus tokios skiriamosios gebos neįmanoma pasiekti dėl toliau nurodytų priežasčių. Pirma, įvyksta kvantinė mechaninė difrakcija elektronų bangos, ir vaizdas taps neryškus. Antra, dėl vidinio metalo judėjimo elektronai turi nedidelį skersinį pradinį greitį tuo metu, kai jie išeina iš adatos, ir dėl šios atsitiktinės skersinės greičio sudedamosios dalies vaizdas išsiteps. Iš viso šie efektai apriboja detalių skiriamąją gebą iki maždaug 25 A.

Jei vis dėlto pakeisime įtampos ženklą ir į kolbą įleisime šiek tiek helio, tada detalės bus geriau išspręstos. Kai helio atomas susiduria su jo galiuku, galingas laukas pašalina elektroną nuo atomo ir atomas tampa teigiamai įkrautas.

Fie.6 .17. Vaizdas gautas jonų mikroskopu.

Tada helio jonas greitėja elektros linija kol pasieks ekraną. Kadangi helio jonas yra nepalyginamai sunkesnis už elektroną, jo kvantinės mechaninės bangos yra daug trumpesnės. Ir jei, be to, temperatūra nėra labai aukšta, tada šiluminių greičių įtaka taip pat yra daug silpnesnė nei elektrono. Vaizdas mažiau susilieja ir gaunamas daug ryškesnis adatos galiuko vaizdas. Naudojant mikroskopą, veikiantį jonų emisijos principu, buvo galima pasiekti padidinimą iki 2 000 000 kartų, tai yra dešimt kartų geriau nei geriausi elektroniniai mikroskopai.

Fig. 6.17 paveiksle parodyta, kas buvo pasiekta naudojant tokį mikroskopą naudojant volframo adatą. Volframo atomų centrai jonizuoja helio atomus šiek tiek kitaip nei tarpai tarp volframo atomų. Dėmių vieta fluorescenciniame ekrane parodo išdėstymą atskiri atomai ant volframo antgalio. Kodėl dėmės atrodo kaip žiedai, galima suprasti, jei įsivaizduojate didelę dėžę, užpildytą rutuliais, paguldytais į stačiakampį tinklelį ir taip suformuojant kubinę gardelę. Šie rutuliai yra kaip atomai metale. Jei iš šios dėžutės iškirpsite maždaug sferinę dalį, pamatysite atominei struktūrai būdingą žiedų raštą. Jonų mikroskopas suteikė žmonijai pirmąsias priemones atomams pamatyti. Puikus pasiekimas ir netgi pasiektas tokiu paprastu įrenginiu.

*cm. Mullerio straipsnis [E. W. Muelleris , Lauko jonų mikroskopas, Elektronikos ir elektronų fizikos pažanga, 13, 83 (I960)].