Ndarja në ajër dhe përgjatë sipërfaqes me frekuencë të lartë - izolim solid i strukturave të brendshme të tensionit të lartë. Prishje në tension të lartë

Konceptet themelore rreth zbërthimit

Ne shikuam të ndryshme dukuritë fizike, që ndodh në një dielektrik nën ndikimin e një fushe elektrike me intensitet jo shumë të lartë, kur dielektriku mbetet një mjedis praktikisht jopërçues. Sidoqoftë, forcat e fushës elektrike me një rritje përkatëse të tensionit mund të çojnë në një shkelje të kësaj gjendje. Si rezultat, dielektriku do të kalojë nga një gjendje jopërçuese në një gjendje përçueshmëri e lartë, por jo të gjithë kampionin në të cilin aplikohet tension, por vetëm një kanal i ngushtë i drejtuar nga një elektrodë në tjetrën.

Dukuria e formimit të një kanali përcjellës në një dielektrik nën ndikimin e një fushe elektrike quhet Thyej . Mund të ketë një avari i plotë , nëse një kanal përcjellës kalon nga një elektrodë në tjetrën dhe i mbyll ato, jo të plota , nëse kanali përcjellës nuk arrin të paktën njërën prej elektrodave, dhe i pjesshëm , nëse vetëm një përfshirje gazi ose lëngu i një dielektriku të ngurtë shpërthen. Në dielektrikët e ngurtë, përveç zbërthimit sipas vëllimit, është i mundur zbërthimi në sipërfaqe (në gaz ose në lëng), i quajtur zbërthimi i sipërfaqes .

Tensioni minimal i aplikuar në një kampion dielektrik që çon në prishjen e tij quhet tensioni i prishjes ().

Karakteristika e tensionit aktual të një kampioni dielektrik (ose izolimi elektrik), linear në tensionet e zakonshme ( U), devijon nga linear ndërsa afrohet U te U np(Fig. 9.13). Në momentin e prishjes, rryma përmes dielektrikut rritet ndjeshëm, kështu që . Një shkëndijë ose hark elektrik ndodh në vendin e prishjes. Për shkak të formimit të një kanali prishjeje shumë përçues të plazmës midis elektrodave, kampioni bëhet i shkurtër dhe voltazhi në të bie, pavarësisht nga rritja e rrymës.

Oriz. 9.13. Karakteristikat e tensionit aktual të izolimit elektrik

Nëse ndodh një prishje në një dielektrik të gaztë ose të lëngshëm, atëherë për shkak të lëvizshmërisë së molekulave, zona e thyer, pas heqjes së tensionit, rikthen vetitë dhe vlerën e saj origjinale. UPfq(por me kusht që fuqia dhe kohëzgjatja hark elektrik nuk ishin aq të rëndësishme sa të shkaktonin ndryshime të rëndësishme në dielektrikë në të gjithë vëllimin e tij). Pas një prishjeje të një dielektrike të ngurtë, një gjurmë mbetet në të në formën e një vrime të shpuar (prandaj emri "prishje"), vrima e djegur ose e shkrirë, më shpesh formë të çrregullt. Nëse voltazhi aplikohet përsëri, prishja, si rregull, ndodh në vendin e shpuar më parë me një tension të reduktuar ndjeshëm.

Në disa raste, pas një prishjeje dielektrike, produktet e dekompozimit përçues mbeten në kanalin e prishjes dhe dielektriku humbet vetitë izoluese elektrike. Dëmtimi i sipërfaqes së një dielektrike të ngurtë që shoqërohet me formimin e gjurmëve përcjellëse ("gjurmë") quhet prishje sipërfaqësore. ndjekja .

Tensioni nominal i izolimit elektrik duhet të jetë më i vogël se voltazhi i prishjes. madhësia, e barabartë me raportin tensioni i zbërthimit në tensionin nominal quhet faktori i sigurisë së forcës elektrike .

Kuptimi U np dielektriku lidhet drejtpërdrejt me kohën e aplikimit të tensionit. Kështu, me impulse afatshkurtra, prishja ndodh në tensione më të larta sesa në rastin e një tensioni alternativ të aplikuar konstant ose afatgjatë.

Ekspozimi i zgjatur ndaj një fushe elektrike me intensitet të lartë çon në procese të pakthyeshme në dielektrik, si rezultat i të cilit voltazhi i tij i prishjes zvogëlohet, d.m.th. po ndodh plakja elektrike e izolimit . Për shkak të kësaj plakjeje, izolimi ka një jetë të kufizuar shërbimi. Kurba e varësisë U np nga koha e aplikimit të tensionit quhet kurba e jetës së izolimit elektrik . Tensioni i prishjes ( U np) rritet me rritjen e trashësisë dielektrike h.

Për të karakterizuar aftësinë e një materiali për t'i rezistuar shkatërrimit në një fushë elektrike, prezantohet koncepti i forcës së fushës elektrike në të cilën ndodh prishja:

Intensiteti i një fushe elektrike uniforme që çon në zbërthim quhet forca elektrike . Forca elektrike ( E pr) është një nga parametrat më të rëndësishëm material izolues elektrik.

Mekanizmat e prishjes së dielektrikëve të gaztë, të lëngët dhe të ngurtë kanë dallime të konsiderueshme.

Prishja e gazit

Numri i elektroneve të formuara brenda 1 s në 1 cm 3 ajër nën ndikimin e radioaktivitetit të Tokës ose rrezet kozmike, varion nga 10 në 20. Këto elektrone janë ngarkesat fillestare që çojnë në zbërthimin e gazit në një fushë të fortë. Ndërsa forca e fushës elektrike rritet, elektronet ndërmjet dy përplasjeve marrin energji të mjaftueshme për të jonizuar molekulat e gazit.

Në vlerat e dhëna presioni dhe temperatura e gazit, jonizimi i ndikimit fillon me një forcë të caktuar fushe. Fuqia e kësaj fushe ( E) quhet tensioni fillestar .

Në disa gazra (për shembull, oksigjeni, dioksid karboni, avujt e ujit), elektroni i ndarë, gjatë një prej takimeve të radhës me një molekulë tjetër neutrale, bashkohet me të, duke e kthyer atë në një jon elektronegativ.

Jonizimi kryesor kryhet nga elektronet. Si rezultat, kur ato përplasen me atomet dhe molekulat, ato gjenerojnë elektrone të reja. Elektronet "dytësore" të lëshuara nën ndikimin e fushës, nga ana tjetër, shkaktojnë jonizimin e molekulave të gazit. Si rezultat i këtij procesi, numri i elektroneve në hendekun e gazit, duke u rritur si një ortek, rritet shumë shpejt. Jonizimi i ndikimit nga elektronet përbën bazën e zbërthimit të gazit.

Një tipar i prishjes së gazit në një fushë jo uniforme është shfaqja e një shkarkimi të pjesshëm në formë kurorat në vendet ku forca e fushës arrin vlera kritike, me tranzicioni i mëtejshëm kurora në shkarkimin e shkëndijës dhe hark me rritjen e tensionit.

Ndarja e ajrit në sipërfaqen e një dielektrike të ngurtë, e quajtur në teknologji si ndezje e sipërfaqes, zakonisht ndodh në tensione më të ulëta sesa në rastin kur ka vetëm ajër midis elektrodave. Vlera e tensionit të shkarkimit ndikohet nga forma e fushës elektrike, e përcaktuar nga konfigurimi i elektrodave dhe dielektrikut, frekuenca e tensionit, gjendja e sipërfaqes dielektrike dhe presioni i ajrit.

Zbërthimi i dielektrikëve të lëngshëm

Dielektrikët e lëngshëm kanë tensione të ndarjes dukshëm më të larta se gazrat në të kushte normale. Mekanizmi i prishjes dhe forca elektrike e lëngjeve dielektrike varen kryesisht nga pastërtia e tyre. Prishje elektrike Lëngjet e pastruara tërësisht nën ekspozimin afatshkurtër ndaj një fushe elektrike ndodhin për shkak të një kombinimi të dy proceseve: jonizimi i ndikimit nga elektronet dhe emetimi i ftohtë nga katoda. Në përputhje me këtë, forca elektrike e lëngjeve të pastruara tërësisht është dy rend të madhësisë më e lartë se gazet dhe është afërsisht 100 MV/m. Kjo shpjegohet me faktin se kërkohet një forcë më e lartë e fushës në mënyrë që një elektron të lëvizë në një mjedis më të dendur me një rrugë mesatare të lirë më të shkurtër ( λ ), ka akumuluar energji të mjaftueshme për jonizimin.

Natyra e ndarjes së lëngjeve të kontaminuara dhe teknikisht të pastra përcaktohet nga proceset që lidhen me lëvizjen dhe rishpërndarjen e grimcave të papastërtive.

Një rënie e mprehtë E pr Ndodh gjithashtu kur lëngu është i kontaminuar me fibra organike të lagura (letër, tekstile), pasi fibra të tilla janë në gjendje të formojnë ura me përçueshmëri të shtuar. Nëse ura bie në kontakt me njërën prej elektrodave, atëherë ajo shërben si vazhdimësi në formë gjilpëre e kësaj elektrode, si rezultat i së cilës distanca ndërelektrodike zvogëlohet dhe rritet johomogjeniteti i fushës. Në rastin e fibrave "të thata", urat kanë rezistencë të lartë dhe kanë më pak ndikim në E pr lëngjeve. Papastërtia më e zakonshme në dielektrikët e lëngshëm është lagështia, e cila mund të jetë në gjendje të tretur ose të emulsifikuar.

Zbërthimi i dielektrikëve të ngurtë

Pamje fizike e zbërthimit të dielektrikëve të ngurtë në raste të ndryshme mund të jenë të ndryshme. Së bashku me proceset e jonizimit, proceset dytësore të shkaktuara nga një fushë e fortë elektrike (ngrohja, reaksionet kimike, shkarkimet e pjesshme, sforcimet mekanike si rezultat i elektrostrikcionit, formimi i ngarkesave hapësinore në kufijtë e inhomogjeniteteve etj.). Prandaj, dallohen disa mekanizma të zbërthimit të dielektrikëve të ngurtë: elektrike, elektrotermike, elektrokimike dhe jonizuese.

Prishje elektrike është një prishje e shkaktuar nga jonizimi i ndikimit ose thyerja e lidhjeve midis grimcave dielektrike drejtpërdrejt nën ndikimin e një fushe elektrike.

Forca elektrike ( E pr) i dielektrikëve të ngurtë gjatë prishjes elektrike shtrihet brenda kufijve relativisht të ngushtë – 100 – 1000 MV/m, që është afër E pr fort gazet e ngjeshur dhe lëngje shumë të pastra. Kuptimi E pr kryesisht për shkak të strukturën e brendshme dielektrike (dendësia e paketimit të atomeve, forca e lidhjeve të tyre) dhe varet dobët nga e tillë faktorët e jashtëm, si temperatura, frekuenca e tensionit të aplikuar, forma dhe dimensionet e kampionit (përveç trashësive shumë të vogla). Ky lloj zbërthimi është tipik për dielektrikët makroskopikisht homogjenë me humbje të ulëta dielektrike. Një ndarje e këtij lloji ndodh në jo më shumë se 10 -7 ... 10 -8 s dhe nuk shkaktohet nga energjia termike. Vlera e forcës elektrike gjatë prishjes elektrike varet në një farë mase nga temperatura dhe shoqërohet në fazën fillestare nga shkatërrimi i dielektrikut në një kanal shumë të ngushtë.

Elektrotermale (termike ) prishja është një prishje e shkaktuar nga proceset termike që ndodhin në një dielektrik kur ekspozohet ndaj një fushe elektrike dhe që çon në shkatërrimin e dielektrikut. Zbërthimi termik ndodh kur sasia e nxehtësisë së lëshuar në dielektrik për shkak të humbjet dielektrike, tejkalon sasinë e nxehtësisë që mund të shpërndahet në kushte të dhëna; në këtë rast është shkelur ekuilibri termik, dhe procesi merr një karakter të ngjashëm me ortek.

Fenomeni i zbërthimit termik zbret në ngrohjen e materialit në një fushë elektrike në temperatura që korrespondojnë me shkrirjen, plasaritjen, karbonizimin, etj. Vlera e tensionit të prishjes gjatë prishjes termike është një karakteristikë jo vetëm e materialit, por edhe e produktit, si në kundërshtim me prishjen elektrike dhe jonizuese, ku tensioni i prishjes mund të shërbejë për karakteristikat e materialit, përkatësisht forcën e tij elektrike.

Tensioni i prishjes i shkaktuar nga ngrohja e dielektrikut varet nga frekuenca e tensionit, kushtet e ftohjes, temperatura mjedisi etj. Përveç kësaj, voltazhi elektrotermik (prishje) varet nga rezistenca ndaj nxehtësisë së materialit. Dielektrikët organikë (për shembull, polistireni) kanë vlera më të ulëta të tensioneve të prishjes "elektrotermale" sesa dielektrikët inorganik (kuarci, qeramika), me të tjera kushte të barabarta, nëse vetëm për shkak të rezistencës së tyre të ulët ndaj nxehtësisë.

Zbërthimi elektrokimik për shkak të proceset kimike, duke çuar në ndryshime në dielektrikë nën ndikimin e një fushe elektrike. Ndryshimet kimike(plakja) në tension të lartë ndodhin për shkak të elektrolizës, pranisë së ozonit në ajër, etj. Plakja elektrike është veçanërisht e rëndësishme kur ekspozohet ndaj tensionit të drejtpërdrejtë dhe është më pak e dukshme kur ekspozohet ndaj tensionit të alternuar.

Zbërthimi i jonizimit - kjo është një ndarje e shkaktuar nga proceset e jonizimit për shkak të shkarkimeve të pjesshme në dielektrikë. Është më tipike për dielektrikët me përfshirje ajri (për shembull, izolim letre). Në forca të larta të fushës në poret e ajrit, ndodh jonizimi i ajrit, formimi i ozonit, jonet e përshpejtuara, gjenerimi i nxehtësisë. Të gjitha këto procese çojnë në shkatërrimin gradual të izolimit dhe një ulje të tij E pr.

Siç tregohet, në dielektrikë të ngurtë, përveç vëllimit, është gjithashtu e mundur zbërthimi i sipërfaqes , d.m.th. zbërthimi në një dielektrik të lëngët ose të gaztë ngjitur me sipërfaqen e izolimit të ngurtë. Sepse E pr lëngjet dhe veçanërisht gazrat më poshtë E pr dielektrikë të ngurtë, dhe përbërësi normal i fuqisë së fushës elektrike është i vazhdueshëm në ndërfaqe, atëherë me të njëjtën distancë midis elektrodave në pjesën më të madhe dhe në sipërfaqe, prishja do të ndodhë kryesisht përgjatë sipërfaqes së dielektrikut të ngurtë. Për të parandaluar prishjen e sipërfaqes, është e nevojshme të zgjatet mënyrë e mundshme shkarkim në sipërfaqe. Prandaj, sipërfaqja e izolatorëve është e valëzuar, dhe skajet e pametalizuara të dielektrikës mbeten në kondensatorë. Sipërfaqësore Uetj Ato rriten gjithashtu duke mbyllur sipërfaqen e izolimit elektrik me llaqe, komponime dhe dielektrikë të lëngët me forcë të lartë elektrike.

Zbërthimi i dielektrikëve makroskopikisht johomogjenë

Shumica e dielektrikëve të përdorur në praktikë kanë johomogjenitete lloje të ndryshme. Për shembull, dielektrikët qeramikë përbëhen nga disa faza (kristalore dhe xhami), me të ndryshme vetitë elektrike, dhe kanë një numër më të madh ose më të vogël poresh (përfshirje ajri). Produktet e shtypura dhe të plagosura kanë një strukturë të shtresuar, shtresat e tyre alternative gjithashtu kanë veti dielektrike të pabarabarta.

Për shkak të vogël E pr, ε Dhe γ përfshirjet e gazit të një dielektriku poroz të vendosur në një fushë të fortë elektrike, lindin shkarkime të pjesshme ("ndeze") në këto përfshirje. Është shfaqja e këtyre shkarkimeve që është shpesh procesi kryesor që çon në prishjen e një dielektriku poroz (zbërthimi i jonizimit).

Për të rritur forcën elektrike të dielektrikëve porozë, ato ngopen, duke mbushur poret me material izolues elektrik të lëngshëm ose ngurtësues me forcë të lartë elektrike. Pra, për letrën kabllore të pangopur E pr= 3...5MV/m, dhe për të ngopura me komponim E pr= 40...80 MV/m.

Tani do të hedhim një vështrim cilësor në disa nga karakteristikat e fushave rreth përcjellësve. Le të ngarkojmë një përcjellës me energji elektrike, por këtë herë jo sferik, por me një majë ose buzë (për shembull, në formën e treguar në figurën 6.14). Atëherë fusha në këtë vend do të jetë shumë më e fortë se në vendet e tjera. Arsyeja është skicë e përgjithshme konsiston në faktin se ngarkesat kanë tendencë të përhapen sa më gjerë të jetë e mundur mbi sipërfaqen e përcjellësit, dhe maja e majës është gjithmonë më e largët nga pjesa tjetër e sipërfaqes. Prandaj, një pjesë e ngarkesave në pllakë rrjedh drejt majës. Relativisht i vogël sasi ngarkimi në të mund të krijojë një sipërfaqe të madhe dendësia, A densitet i lartë nënkupton një fushë të fortë pranë përcjellësit në këtë vend.

Në përgjithësi, në ato vende të përcjellësit në të cilat rrezja e lakimit është më e vogël, fusha është më e fortë. Për ta parë këtë, merrni parasysh një kombinim të një sfere të madhe dhe të vogël të lidhur me një tel, siç tregohet në Fig. 6.15. Vetë teli nuk do të ketë shumë efekt kufijtë e jashtëm; detyra e tij është të barazojë potencialet e sferave. Pranë cilit top do të jetë fusha më intensive? Nëse rrezja e topit të majtë A, dhe akuza P,

(Sigurisht që prania e një topi do të ndikojë në shpërndarjen e ngarkesave në tjetrën, kështu që në fakt asnjëra prej tyre nuk do të ketë ngarkesa të shpërndara në mënyrë simetrike. Por nëse na intereson vetëm madhësia e përafërt e fushës, atëherë mund të përdorim formula për potencialin e një ngarkese sferike.) Nëse rrezja e topit është më e vogël b ka një pagesë q, atëherë potenciali i tij është afërsisht i barabartë

Por φ 1 =φ 2 kështu

Nga ana tjetër, fusha pranë sipërfaqes [shih ekuacioni (5.8)] është proporcional dendësia e sipërfaqes ngarkesë, e cila nga ana e saj është proporcionale me ngarkesën totale të pjesëtuar me katrorin e rrezes. Rezulton se

Kjo do të thotë se sipërfaqja e sferës më të vogël ka një fushë më të madhe. Fushat janë në përpjesëtim të zhdrejtë me rrezet.

Ky rezultat është shumë i rëndësishëm nga pikëpamja teknike, sepse një avari ndodh në ajër nëse fusha është shumë e madhe. Disa pagesë falas në ajër (një elektron ose jon) përshpejtohet nga kjo fushë, dhe nëse është shumë e fortë, atëherë ngarkesa mund të fitojë një shpejtësi të tillë përpara se të përplaset me një atom që do të nxjerrë një elektron të ri nga atomi. Si rezultat, shfaqen gjithnjë e më shumë jone. Lëvizja e tyre përbën një shkëndijë, ose shkarkim. Nëse dëshironi të ngarkoni një trup në një potencial të lartë pa u shkarkuar në ajër, duhet të jeni të sigurt që sipërfaqja e trupit të jetë e lëmuar dhe se nuk ka vende ku fusha është shumë e lartë.

Në gazra vërehet vetëm prishje elektrike.

Në dielektrikët e gaztë ekziston një sasi e caktuar jonesh dhe elektronesh të lira, të cilat, nën ndikimin e një fushe elektrike, fillojnë të lëvizin drejt anodës. Rol i rendesishem gjatë zbërthimit, veçanërisht në fazën fillestare, u takon elektroneve si grimca që kanë lëvizshmëri shumë më të madhe se jonet. Kur një elektron përplaset me një molekulë, ai transferon një pjesë të energjisë së tij tek ajo, pas së cilës janë të mundshme dy skenarë, të cilët mund të përshkruhen në një mënyrë të thjeshtuar si më poshtë:

1. molekula jonizohet duke emetuar një elektron, pra lëvizin dy elektrone (duke përshpejtuar në fushë), të cilat mund të jonizojnë dy molekula të tjera dhe tani katër po lëvizin. elektron i lirë, e cila mund të jonizojë katër molekulat e ardhshme - si rezultat, vërehet jonizimi i ndikimit që çon në shfaqjen e një orteku elektronik;

2. molekula kalon në një gjendje të ngacmuar dhe lëshon energji të tepërt në formën e rrezatimit - një foton, i cili mund të jonizojë një molekulë tjetër, kështu që ndodh jonizimi i fotonit, duke çuar në shfaqjen e një kanali me përçueshmëri të shtuar (streamer).

Fotonet që lëvizin me shpejtësinë e dritës (3 10 8 m/s), janë përpara orteqeve të elektroneve dhe, kur ato "përplasen" me molekula neutrale, i jonizojnë ato, duke shkaktuar ortekë të rinj elektronikë ("bijë").

Ortekët kryesorë dhe të bijave, duke lëvizur drejt anodës, rriten, kapin njëri-tjetrin, bashkohen dhe formojnë një rrjedhës elektronegativ - një zinxhir orteku elektronik që shkrihet në një tërësi të vetme. Formohet gjithashtu një rrymë jonesh pozitive, e cila lëviz në drejtim të kundërt, duke formuar një rrjedhës elektropozitiv. Duke iu afruar katodës, jone pozitive, duke goditur sipërfaqen e saj, formojnë një pikë të ndritur katode që lëshon elektrone "dytësore". Transmetuesi pozitiv, duke u mbushur me elektrone dytësore dhe elektrone të formuara si rezultat i jonizimit dhe fotojonizimit të ndikimit të elektroneve, shndërrohet në një kanal të përçuar të plazmës së shkarkimit të gazit. Përçueshmëria elektrike e këtij kanali është shumë e lartë dhe një rrymë e qarkut të shkurtër rrjedh nëpër të Iqark i shkurtër.

Figura 5.9 tregon një diagram që shpjegon zhvillimin e prishjes elektrike, ku ortekët tregohen në mënyrë konvencionale në formën e koneve me hije, dhe shtigjet e fotoneve përshkruhen nga vija me onde. Origjina e linjave të valëzuara vjen nga atomet që janë ngacmuar nga një elektron dhe më pas kanë lëshuar një foton.

Oriz. 5.9. Paraqitja skematike e një orteku elektronik dhe formimi i një rrjedhës elektronegativ gjatë prishjes së gazit

Formimi i një kanali të shkarkimit të gazit të plazmës (Figura 5.10) është në fakt një ndarje e gazrave. Shfaqja Iqark i shkurtër- pasojë e një avari. Në varësi të madhësisë Iqark i shkurtër prishja manifestohet në formën e një shkëndije ose harku elektrik.

Oriz. 5.10. Paraqitja skematike e formimit të një kanali plazmatik të shkarkimit të gazit

Ndarja e gazit në një fushë uniforme konstante karakterizohet nga varësia E në varësi të presionit (Figura 5.11.a). Në vlerat e presionit mbi normale, gazi kompresohet dhe, rrjedhimisht, rruga mesatare e lirë e elektronit zvogëlohet. Prandaj, për të përmbushur kushtin për mundësinë e prishjes, është e nevojshme të rritet forca e fushës elektrike E. Kur gazi është i ulët gjatësi mesatare rruga e lirë e elektronit rritet, dhe në të njëjtën kohë elektronet mund të marrin energji shtesë edhe në një vlerë më të ulët të forcës së fushës. Në zonë vakum i lartë E pr rritet sepse, si rezultat i rrallimit të fortë të gazit, zvogëlohet numri i molekulave për njësi vëllimi dhe zvogëlohet probabiliteti i përplasjeve të elektroneve me molekulat. Një presion prej 0,1 MPa korrespondon me presionin normal atmosferik.

E ajri në një fushë uniforme rritet, siç tregohet në figurën 5.11 b), me një ulje të distancës midis elektrodave për shkak të një rënie në probabilitetin e përplasjeve të elektroneve me molekulat e gazit. Rritja e fuqisë elektrike në në këtë rast shkaktuar nga vështirësia e formimit të një shkarkimi për shkak të distancës së vogël ndërmjet elektrodave.

Tensioni i ndarjes së gazeve zvogëlohet ndjeshëm në fusha johomogjene, për shembull, për ajrin në d=1 cm nga 30 kV në 9 kV.

Oriz. 5.11. Varësia e forcës elektrike të gazit nga presioni

Ligji i Paschen. Ligji i Paschen tregon varësinë U np dielektrikë të gaztë në një dizajn specifik nga produkti i presionit R gaz në një distancë h ndërmjet elektrodave (Fig. 5.12). Ligji përcakton që çdo gaz ka vlerën e tij minimale të tensionit të prishjes U np.min në varësi të punës Ph. Për gazrat që përbëhen nga molekula di- dhe poliatomike, Upr.min shtrihet në intervalin nga 280 V (H 2) deri në 420 V (CO 2). Në një frekuencë prej 50 Hz në ajër jo-jonizues në një fushë elektrike uniforme Upr.min~ 326 V. Për gazet inerte (gazrat që përbëhen nga molekulat monotomike) Upr.min, më e ulët se ajo e gazeve nga molekulat poliatomike (për shembull, argoni i pastër Upr.min≈195 V, dhe për argonin me një përzierje të avullit të natriumit ~ 95 V, për neonin me avull natriumi ~ 85 V). Prandaj, për të reduktuar Upr.min gazet inerte të përdorura në pajisjet e shkarkimit të gazit, elektrodat janë bërë (ose të paktën të veshura) nga metale me aditivë të metaleve alkali ose të tokës alkaline që kanë pak punëçlirimi i elektroneve.

Në një fushë jo uniforme në U Polariteti i elektrodave gjithashtu ndikon. Kështu, për elektroda me një rreze të vogël lakimi U pr me polaritet pozitiv janë më të ulëta se me polaritet negativ. Kjo është për shkak të formimit të një ngarkese hapësinore pozitive në majë si rezultat i zhvillimit të një shkarkimi korona, i cili çon në një rritje të forcës së fushës në pjesën tjetër të hendekut.

Oriz. 5.12. Varësia e tensionit të prishjes Upr.maks ajri (1) dhe neoni (2) nga produkti i presionit të gazit R në distancën ndërmjet elektrodave h

Në frekuenca mjaft të larta, elektronet e lira kanë kohë të zhvendosen distanca të gjata dhe arrijnë elektrodat. Jonet me një masë të madhe gjatë gjysmë ciklit të lëkundjeve nuk kanë kohë të zhvendosen në distanca të konsiderueshme dhe përqendrimi i joneve pozitive në hapësirën ndërelektrodike rritet, duke çuar në shfaqjen e të ashtuquajturës "ngarkesë hapësinore". Prandaj, duke u nisur nga frekuencat që kalojnë dhjetëra kiloherz, probabiliteti i përplasjeve të joneve me molekulat rritet dhe forca elektrike e gazeve zvogëlohet (Figura 5.13). Rritje të mëtejshme frekuenca e fushës elektrike çon në faktin se gjatë gjysmë ciklit jo vetëm që jonet pozitive nuk kanë kohë të lëvizin në distanca të konsiderueshme, por edhe elektronet nuk kanë kohë të fluturojnë jashtë hapësirës ndërelektrodike. Probabiliteti i rikombinimit të grimcave të ngarkuara rritet dhe përqendrimi i tyre zvogëlohet. Përveç kësaj, reduktimi i kohës së gjysmë ciklit kërkon rritjen e forcës që vepron mbi jonet në mënyrë që energjia kinetike mjaftueshëm për të jonizuar molekulat. Prandaj, në frekuenca që tejkalojnë një megaherz, forca elektrike e gazeve rritet.

Oriz. 5.13. Varësia e fuqisë elektrike të gazit nga frekuenca e fushës elektrike

Prishja e gazit (ajrit). në një fushë jo uniforme parapriu bashkëp shkarkimin e joneve ose korona, e cila është një zbërthim jo i plotë. Korona shfaqet kur jeni të stresuar U të, e cila është më e ulët se U np (MB< U np), pranë një elektrode me një rreze të vogël lakimi, në skajet e mprehta metalike, etj.; vërehet në formën e një shkëlqimi kaltërosh të ndërprerë dhe shoqërohet me një tingull karakteristik (gumëzhimë ose kërcitje). Me rritjen e tensionit, shkarkimi i koronës shndërrohet në shkëndijë dhe pastaj, me fuqi të mjaftueshme të burimit të tensionit - në hark shkarkimi.

Në rastin e elektrodave me rrafsh me shufër, duke krijuar një fushë të theksuar johomogjene, U pr gazrat do të jenë më të vegjlit me një polaritet pozitiv të shufrës dhe më i madhi me një polaritet negativ të shufrës (Figura 5.14). Kjo shpjegohet si më poshtë. Siç u përmend më lart, prishja e hendekut të ajrit paraprihet nga një shkarkim korona. Elektronet e formuara në këtë rast, duke pasur një lëvizshmëri më të madhe (~ 1000 herë) se jonet pozitive, largohen shpejt nga shtresa e koronës dhe shfaqet një vëllim i madh. ngarkesë pozitive. Ngarkesa pozitive vëllimore e formuar pranë majës së elektrodës ka një efekt të ndryshëm në tensionin e hendekut të ajrit. Nëse ka një elektrodë në formë shufre potencial pozitiv, atëherë ngarkesa pozitive e vëllimit do të çojë në një rritje të forcës së fushës në rajonin e jashtëm të koronës dhe prishja do të ndodhë në një vlerë më të ulët U pr. Nëse ka një potencial negativ në shufër, atëherë ngarkesa pozitive e vëllimit do të zvogëlojë forcën e fushës në rajonin e jashtëm të koronës dhe prishja e hendekut të ajrit do të ndodhë në një vlerë më të lartë U ave. Me zvogëlimin e kohëzgjatjes së pulsit (rritja e frekuencës së tensionit), diferenca midis vlerave U pr zvogëlohet në varësi të polaritetit të shufrës. Madhësia U pr gjatë prishjes së gazit në frekuenca të larta në një fushë jo uniforme (në krahasim me prishjen në një fushë uniforme) është dukshëm më e ulët se U pr në tension konstant ose tensionit të frekuencës së fuqisë.

Oriz. 5.14. Varësia e tensionit të prishjes Uetj ajri nga distanca h

ndërmjet elektrodave (fushë jo uniforme)

Në fusha johomogjene me rritje të lagështisë së ajrit, tensioni i prishjes U pr rritet. Kjo mund të shpjegohet me rritjen e aftësisë së molekulave të ujit për të kapur elektrone të lira dhe për t'u kthyer në elektrone të ulur. jonet negative. Si rezultat, numri i elektroneve jonizuese në hapësirën ndërelektrodike zvogëlohet, prandaj tensioni i shkarkimit rritet afërsisht mund të supozohet se kur lagështia absolute e ajrit dyfishohet U np në një frekuencë prej 50 Hz rritet me 10%.

Shkarkimi sipërfaqësor. Nëse fusha elektrike në hapësirën ndërelektrodike është uniforme, atëherë prishja mund të ndodhë kudo dhe në tensionin më të lartë. Nëse një dielektrik i ngurtë futet në një fushë uniforme, siç tregohet në figurën 5.15.a, atëherë shkarkimi elektrik do të ndodhë në ajër mbi sipërfaqen e një dielektrike të ngurtë dhe, duke qenë të tjera të barabarta, në një tension më të ulët. Në këtë rast, tensioni i shkarkimit U fq do të varet nga një sërë faktorësh dhe, para së gjithash, nga vetitë fiziko-kimike të dielektrikut të ngurtë, gjendja e sipërfaqes së mostrës dhe vendndodhja e saj në lidhje me linjat e fushës, lagështia e ajrit, forma dhe frekuenca e fushës së aplikuar, ngushtësia e elektrodave ndaj dielektrikut të ngurtë dhe distanca ndërmjet tyre.

Oriz. 5.15 Shpërndarja e linjave vektoriale E në një strukturë izoluese elektrike të përbërë nga një dielektrik i ngurtë (1) dhe ajri (2):

a - vijat e fushës drejtohen paralelisht,

b - pingul me ndërfaqen dielektrike

Kurbat e varësisë U fq nga distanca L ndërmjet elektrodave në homogjene dhe johomogjene fushat elektrike në varësi të natyrës së dielektrikut të ngurtë (vlera konstante dielektrikeε dhe përçueshmëria elektrike e sipërfaqes specifike g s) janë paraqitur në figurën 5.16. Figura tregon se me rritjen e distancës ndërmjet elektrodave U fq rritet në mënyrë të pabarabartë për dielektrikët e ngurtë të natyrave të ndryshme kimike. Me e larta U fq vërehet gjatë shkarkimit përgjatë sipërfaqes së dielektrikëve të ngurtë jopolare struktura molekulare. Për dielektrikët polare U fq më e ulët se për ato jopolare, dhe sa më i ulët, aq më i madh është ε dhe g s i dielektrikut të ngurtë dhe aq më i vogël është këndi i kontaktit të tij. Në dielektrikë struktura jonike(shih Figurën 5.16. a), lakoret 3 dhe 4), të cilat përmbajnë jone metale alkali dhe për këtë arsye kanë një përçueshmëri elektrike sipërfaqësore më të lartë, U fq edhe më e ulët se ajo e dielektrikëve polare të strukturës molekulare. Sidomos në mënyrë të konsiderueshme U fq zvogëlohet me ngjitje e dobët e elektrodave në sipërfaqe dielektrik i ngurtë (lakorja 5). Në këtë rast, fusha elektrike në hapësirën ndërelektrodike bëhet më johomogjene, si rezultat i së cilës ulet tensioni i shkarkimit.

Është vërtetuar se në sipërfaqen e një dielektrike të ngurtë formohet një shtresë lagështie e vazhdueshme ose e ndërprerë e kondensuar nga ajri me një trashësi të një shtrese monomolekulare ose më shumë, e cila cenon uniformitetin e fushës, dhe për këtë arsye U fq zvogëlohet. Në këtë rast, shkarkimi elektrik ndodh në një fushë jo uniforme. Për më tepër, sa më e madhe të jetë përçueshmëria elektrike e filmit të ujit, aq më e ulët U fq.

Oriz. 5.16. Varësia e tensionit të shkarkimit U fq në ajër përgjatë sipërfaqes së dielektrikëve nga larg L ndërmjet elektrodave në një fushë uniforme (a) dhe një fushë jo uniforme (b) dhe në vlerën e konstantës dielektrike ε( I) dhe përçueshmërinë elektrike të sipërfaqes specifike γ s (II) të një dielektriku të ngurtë (c):

a, b - diametri i mostrës 50 mm; 1 - parafinë, 2 - bakelit, 3 - porcelan, 4 - xhami, 5 - porcelan dhe xhami me kontakt të dobët të elektrodës, 6 - boshllëk ajri;

c - elektroda plan-paralele me skaje të rrumbullakosura, diametri i kampionit 45 mm, lartësia 30 mm, T=20°C; U - PTFE, 2- PE, 3- PS, 4- PMMA, 5- plastike vinyl, b - dru, 7- getinax, 8- boshllëk ajri

Nëse sipërfaqja e një dielektrike të ngurtë është shumë e ashpër dhe përmban çarje, atëherë në këto vende formohen mikroboshllëqe ajri, të cilat lidhen në seri me dielektrikun e ngurtë. Për shkak të vlerave të ndryshme të konstantës dielektrike të ajrit dhe një dielektrike të ngurtë, forca e fushës në mikroboshllëqet rritet dhe, pasi ka arritur forcën fillestare, shkakton jonizimin e përfshirjeve të ajrit. Jonizimi, nga ana tjetër, bëhet një faktor shtesë në rritjen dhe reduktimin e inhomogjenitetit të fushës U fq. Për të refuzuar U fq ndikojnë edhe faktorë të tjerë. Dihet se në ajër ka gjithmonë jone të lira pozitive dhe negative. Prandaj, në sipërfaqen e dielektrikëve të ngurtë, edhe në ajër shumë të thatë, formohet një shtresë jonesh të së njëjtës shenjë dhe mbi të, në ajër, formohet një shtresë jonesh të shenjës së kundërt. Nën veprimin e një tensioni të aplikuar, këto jone, së bashku me jonet e ujit, zhvendosen në elektroda të ngarkuara në mënyrë të kundërt, duke marrë pjesë në formimin e ngarkesave hapësinore. Madhësia e ngarkesave hapësinore të formuara në elektroda ndikohet jo vetëm nga përçueshmëria elektrike sipërfaqësore, por edhe nga kohëzgjatja e tensionit. Me impulse të shkurtra dhe frekuenca të larta (ƒ> 50 kHz), një numër i vogël jonesh kanë kohë të zhvendosen, kështu që fusha elektrike shtrembërohet pak dhe, për rrjedhojë, U fq zvogëlohet pak.

Tani do të hedhim një vështrim cilësor në disa nga karakteristikat e fushave rreth përcjellësve. Le të ngarkojmë një përcjellës me energji elektrike, por këtë herë jo sferik, por me një majë ose buzë (për shembull, në formën e treguar në figurën 6.14). Atëherë fusha në këtë vend do të jetë shumë më e fortë se në vendet e tjera. Arsyeja, në terma të përgjithshëm, është se ngarkesat priren të përhapen sa më gjerë që të jetë e mundur mbi sipërfaqen e përcjellësit dhe maja e pikës është gjithmonë më e largët nga pjesa tjetër e sipërfaqes. Prandaj, një pjesë e ngarkesave në pllakë rrjedh drejt majës. Një sasi relativisht e vogël ngarkese në të mund të krijojë një densitet të lartë sipërfaqësor, dhe një densitet i lartë nënkupton një fushë të fortë pranë përcjellësit në atë vend.

Figura 6.14. Fusha elektrike në skajin e mprehtë të përcjellësit është shumë e lartë.

Në përgjithësi, në ato vende të përcjellësit në të cilat rrezja e lakimit është më e vogël, fusha është më e fortë. Për ta parë këtë, merrni parasysh një kombinim të një sfere të madhe dhe të vogël të lidhur me një tel, siç tregohet në Fig. 6.15. Vetë teli nuk do të ndikojë shumë në fushat e jashtme; detyra e tij është të barazojë potencialet e sferave. Pranë cilit top do të jetë fusha më intensive? Nëse rrezja e topit të majtë është , dhe ngarkesa është , atëherë potenciali i tij është afërsisht i barabartë me

(Sigurisht që prania e një topi do të ndikojë në shpërndarjen e ngarkesave në tjetrën, kështu që në fakt asnjëra prej tyre nuk do të ketë ngarkesa të shpërndara në mënyrë simetrike. Por nëse na intereson vetëm madhësia e përafërt e fushës, atëherë mund të përdorim formula për potencialin e një ngarkese sferike.) Nëse më pak një top me rreze ka një ngarkesë, atëherë potenciali i tij është afërsisht i barabartë me

Por, pra

Nga ana tjetër, fusha pranë sipërfaqes [shih ekuacioni (5.8)] është proporcional me densitetin e ngarkesës sipërfaqësore, e cila nga ana tjetër është proporcionale me ngarkesën totale të ndarë me katrorin e rrezes. Rezulton se

(6.35)

Figura 6.15. Fusha e një objekti me majë përafërsisht mund të konsiderohet fusha e dy sferave me potencial të barabartë.

Kjo do të thotë se sipërfaqja e sferës më të vogël ka një fushë më të madhe. Fushat janë në përpjesëtim të zhdrejtë me rrezet.

Ky rezultat është shumë i rëndësishëm nga pikëpamja teknike, sepse një avari ndodh në ajër nëse fusha është shumë e madhe. Çdo ngarkesë e lirë në ajër (një elektron ose një jon) përshpejtohet nga kjo fushë, dhe nëse është shumë e fortë, atëherë ngarkesa mund të fitojë një shpejtësi të tillë përpara se të përplaset me një atom sa që do të nxjerrë një elektron të ri nga atomi. . Si rezultat, shfaqen gjithnjë e më shumë jone. Lëvizja e tyre përbën një shkëndijë, ose shkarkim. Nëse dëshironi të ngarkoni një trup në një potencial të lartë pa u shkarkuar në ajër, duhet të jeni të sigurt që sipërfaqja e trupit të jetë e lëmuar dhe se nuk ka vende ku fusha është shumë e lartë.

Tani do të hedhim një vështrim cilësor në disa nga karakteristikat e fushave rreth përcjellësve. Le të ngarkojmë një përcjellës me energji elektrike, por këtë herë jo sferik, por me një majë ose buzë (për shembull, në formën e treguar në figurën 6.14). Atëherë fusha në këtë vend do të jetë shumë më e fortë se në vendet e tjera. Arsyeja, në terma të përgjithshëm, është se ngarkesat priren të përhapen sa më gjerë që të jetë e mundur mbi sipërfaqen e përcjellësit dhe maja e pikës është gjithmonë më e largët nga pjesa tjetër e sipërfaqes. Prandaj, disa nga ngarkesat në pllakë rrjedhin drejt majës. Relativisht i vogël sasi ngarkimi në të mund të krijojë një sipërfaqe të madhe dendësia, dhe dendësia e lartë nënkupton një fushë të fortë pranë përcjellësit në këtë vend.

Fik. 6.14. Fusha elektrike në skajin e mprehtë të përcjellësit është shumë e lartë.

NË Në përgjithësi, në ato vende të përcjellësit në të cilat rrezja e lakimit është më e vogël, fusha është më e fortë. Për ta parë këtë, merrni parasysh një kombinim të një sfere të madhe dhe të vogël të lidhur me një tel, siç tregohet në Fig. 6.15. Vetë teli nuk do të ndikojë shumë në fushat e jashtme; detyra e tij është të barazojë potencialet e sferave. Pranë cilit top do të jetë fusha më intensive? Nëse rrezja e topit të majtë është a, dhe ngarkesa është Q, atëherë potenciali i tij është afërsisht i barabartë me

(Sigurisht që prania e një topi do të ndikojë në shpërndarjen e ngarkesave në tjetrën, kështu që në fakt asnjëra prej tyre nuk do të ketë ngarkesa të shpërndara në mënyrë simetrike. Por nëse na intereson vetëm madhësia e përafërt e fushës, atëherë mund të përdorim formula për potencialin e një ngarkese sferike.) Nëse më pak top me rreze b ka një pagesë q, atëherë potenciali i tij është afërsisht i barabartë

Por  1 = 2, pra

ME nga ana tjetër, fusha pranë sipërfaqes [shih ekuacioni (5.8)] është proporcional me densitetin e ngarkesës sipërfaqësore, e cila nga ana tjetër është proporcionale me ngarkesën totale të ndarë me katrorin e rrezes. Rezulton se

Fik. 6.15. Fusha e një objekti me majë përafërsisht mund të konsiderohet fusha e dy sferave me potencial të barabartë.

Kjo do të thotë se sipërfaqja e sferës më të vogël ka një fushë më të madhe. Fushat janë në përpjesëtim të zhdrejtë me rrezet.

Ky rezultat është shumë i rëndësishëm nga pikëpamja teknike, sepse një avari ndodh në ajër nëse fusha është shumë e madhe. Çdo ngarkesë e lirë në ajër (një elektron ose një jon) përshpejtohet nga kjo fushë, dhe nëse është shumë e fortë, atëherë ngarkesa mund të fitojë një shpejtësi të tillë përpara se të përplaset me një atom sa që do të nxjerrë një elektron të ri nga atomi. . Si rezultat, shfaqen gjithnjë e më shumë jone. Lëvizja e tyre përbën një shkëndijë, ose shkarkim. Nëse dëshironi të ngarkoni një trup në një potencial të lartë pa u shkarkuar në ajër, duhet të jeni të sigurt që sipërfaqja e trupit të jetë e lëmuar dhe se nuk ka vende ku fusha është shumë e lartë.

§ 12. Mikroskopi jonik

Fusha elektrike ultra e lartë që rrethon çdo zgjatje të mprehtë të një përcjellësi të ngarkuar është marrë aplikim interesant në një pajisje. Punë mikroskop jonik shkaktuar nga fusha të fuqishme që dalin përreth majë metalike. Kjo pajisje është projektuar kështu. Një gjilpërë shumë e hollë, diametri i majës së së cilës nuk është më shumë se 1000 Å, vendoset në qendër të një sfere qelqi nga e cila është nxjerrë ajri (Fig. 6.16). Sipërfaqja e brendshme e sferës është e veshur me një shtresë të hollë përçuese të materialit fluoreshent dhe krijohet një diferencë shumë e lartë potenciale midis gjilpërës dhe veshjes fluoreshente.

Le të shohim fillimisht se çfarë ndodh nëse gjilpëra është e ngarkuar negativisht në lidhje me ekranin fluoreshent. Vijat e fushës në majë të gjilpërës janë shumë të përqendruara. Fusha elektrike mund të arrijë 40 10 6 V për 1 cm. Në fusha të tilla të forta, elektronet ndahen nga sipërfaqja e gjilpërës dhe përshpejtohen në zonën nga gjilpëra në ekran për shkak të ndryshimit potencial. Pasi kanë arritur në ekran, ato shkaktojnë një shkëlqim në këtë vend (pikërisht si në ekranin e një tubi televiziv).

Fik. 6.16. Mikroskop jonik.

Elektronet që erdhën në këtë pikë Sipërfaqja fluoreshente janë, në një përafrim shumë të mirë, të njëjtat elektrone që lanë skajin tjetër të vijës së fushës radiale, sepse elektronet lëvizin përgjatë vijave të fushës që lidhin majën e gjilpërës me sipërfaqen e sferës. Pra, në sipërfaqe shohim një lloj imazhi të majës së një gjilpëre. Ose më mirë, ne shohim foton emetuese sipërfaqja e majës, pra lehtësia me të cilën elektronet mund të largohen nga sipërfaqja e majës së metalit. Nëse fuqia e rezolucionit është mjaft e lartë, atëherë mund të pritet që të zgjidhen dispozitat atome individuale në majë të gjilpërës. Por me elektrone një zgjidhje e tillë nuk mund të arrihet për arsyet e mëposhtme. Së pari, ndodh difraksioni mekanik kuantik valët elektronike, dhe imazhi do të bëhet i paqartë. Së dyti, si rezultat i lëvizjes së brendshme në metal, elektronet kanë një shpejtësi të vogël fillestare tërthore në momentin që ikin nga gjilpëra, dhe ky komponent i rastësishëm tërthor i shpejtësisë do të çojë në mjegullimin e imazhit. Në total, këto efekte kufizojnë rezolucionin e detajeve në rreth 25A.

Sidoqoftë, nëse ndryshojmë shenjën e tensionit dhe lëmë pak helium në balonë, atëherë detajet do të zgjidhen më mirë. Kur një atom helium përplaset me majën e majës, një fushë e fuqishme heq një elektron nga atomi dhe atomi ngarkohet pozitivisht.

Fie.6 .17. Imazhi i marrë me mikroskop jonik.

Më pas, joni i heliumit përshpejtohet linjë pushteti derisa të shfaqet në ekran. Meqenëse joni i heliumit është pakrahasueshëm më i rëndë se elektroni, gjatësitë e valëve të tij mekanike kuantike janë shumë më të shkurtra. Dhe nëse, për më tepër, temperatura nuk është shumë e lartë, atëherë ndikimi i shpejtësive termike është gjithashtu shumë më i dobët se ai i një elektroni. Imazhi turbullohet më pak dhe merret një imazh shumë më i mprehtë i majës së gjilpërës. Me një mikroskop që funksiononte në parimin e emetimit të joneve, ishte e mundur të arrihej zmadhim deri në 2,000,000 herë, pra dhjetë herë më i mirë se mikroskopët elektronikë më të mirë.

Në fig. Figura 6.17 tregon se çfarë u arrit në një mikroskop të tillë duke përdorur një gjilpërë tungsteni. Qendrat e atomeve të tungstenit jonizojnë atomet e heliumit pak më ndryshe se hapësirat midis atomeve të tungstenit. Vendndodhja e njollave në ekranin fluoreshent tregon rregullimin atome individuale në një majë tungsteni. Pse njollat ​​duken si unaza, mund të kuptohet nëse imagjinoni një kuti të madhe të mbushur me topa të vendosur në një rrjet drejtkëndor dhe duke formuar kështu një grilë kub. Këto topa janë si atomet në metal. Nëse preni një pjesë afërsisht sferike të kësaj kutie, do të shihni një model unazash karakteristike të strukturës atomike. Mikroskopi jonik i dha njerëzimit mjetin e parë për të parë atomet. Një arritje e jashtëzakonshme, madje e arritur me një pajisje kaq të thjeshtë.

*Cm. Artikulli i Muller-it [E. W. Mueller , Mikroskopi jonik i fushës, Përparimet në Elektronikë dhe Fizikën Elektronike, 13, 83 (I960)].