Havada ve yüzey boyunca yüksek frekansta bozulma - dahili yüksek voltaj yapılarının sağlam yalıtımı. Yüksek voltajda arıza

Arıza ile ilgili temel kavramlar

Çeşitli baktık fiziksel olaylar Dielektrik pratikte iletken olmayan bir ortam olarak kaldığında, çok yüksek olmayan bir elektrik alanının etkisi altında bir dielektrikte meydana gelir. Bununla birlikte, gerilimde buna karşılık gelen bir artışa sahip elektrik alan kuvvetleri bu durumun ihlaline yol açabilir. Sonuç olarak, dielektrik iletken olmayan bir durumdan bir duruma geçecektir. yüksek iletkenlik ancak voltajın uygulandığı numunenin tamamı değil, yalnızca bir elektrottan diğerine yönlendirilen dar bir kanal.

Bir elektrik alanının etkisi altında bir dielektrikte iletken bir kanalın oluşması olgusuna denir. bozulma . Bir arıza olabilir tamamlamak İletken bir kanal bir elektrottan diğerine geçip onları kapatıyorsa, tamamlanmamış iletken kanal elektrotlardan en az birine ulaşmıyorsa ve kısmi , katı bir dielektrikin yalnızca gaz veya sıvı içermesi halinde. Katı dielektriklerde, hacimce bozulmaya ek olarak, yüzeyde (gaz veya sıvıda) bozulma da mümkündür. yüzey bozulması .

Dielektrik numuneye uygulanan ve bozulmasına neden olan minimum voltaja denir. arıza gerilimi ().

Bir dielektrik numunenin (veya elektrik yalıtımının) akım-gerilim karakteristiği, sıradan voltajlarda doğrusal ( sen), yaklaştıkça doğrusaldan sapar senİle U np(Şekil 9.13). Arıza anında dielektrikten geçen akım keskin bir şekilde artar, böylece . Arıza yerinde bir kıvılcım veya elektrik arkı meydana gelir. Elektrotlar arasında yüksek derecede iletken bir plazma arıza kanalının oluşması nedeniyle, numune kısa devre yapar ve akımdaki artışa rağmen üzerindeki voltaj düşer.

Pirinç. 9.13. Elektrik yalıtımının akım-gerilim özellikleri

Gaz veya sıvı dielektrikte bir arıza meydana gelirse, moleküllerin hareketliliği nedeniyle, voltajın kaldırılmasından sonra kırılan alan orijinal özelliklerini ve değerini geri kazanır. senPP(ancak güç ve sürenin elektrik arkı dielektrikte tüm hacmi boyunca önemli değişikliklere neden olacak kadar önemli değildi). Katı bir dielektrik parçalandıktan sonra, çoğunlukla delinmiş (dolayısıyla "arıza" adı), yanmış veya erimiş delik şeklinde bir iz kalır. düzensiz şekil. Gerilim tekrar uygulanırsa, kural olarak arıza, daha önce delinmiş yerde önemli ölçüde azaltılmış bir voltajda meydana gelir.

Bazı durumlarda dielektrik arıza sonrasında iletken bozunma ürünleri arıza kanalında kalır ve dielektrik özelliğini kaybeder. elektriksel yalıtım özellikleri. İletken izlerin (“izler”) oluşumuyla ilişkili katı bir dielektrik yüzeyindeki hasara yüzey bozulması denir. izleme .

Elektrik yalıtımının nominal voltajı arıza voltajından düşük olmalıdır. boyut, orana eşit anma gerilimine arıza gerilimi denir elektrik gücü güvenlik faktörü .

Anlam U np dielektrik, gerilim uygulama süresiyle doğrudan ilgilidir. Bu nedenle, kısa süreli darbelerde, sabit veya uzun süreli uygulanan alternatif gerilime göre daha yüksek gerilimlerde arıza meydana gelir.

Yüksek yoğunluklu bir elektrik alanına uzun süre maruz kalmak, geri dönüşü olmayan süreçler dielektrikte, bunun sonucunda arıza voltajı azalır, yani. oluyor yalıtımın elektriksel yaşlanması . Bu eskimeye bağlı olarak yalıtımın kullanım ömrü sınırlıdır. Bağımlılık eğrisi U np voltajın uygulandığı andan itibaren denir elektrik yalıtımı yaşam eğrisi . Arıza gerilimi ( U np) dielektrik kalınlığın artmasıyla artar H.

Bir malzemenin bir elektrik alanında yıkıma direnme yeteneğini karakterize etmek için, bozulmanın meydana geldiği elektrik alan kuvveti kavramı tanıtılmıştır:

Arızaya neden olan düzgün bir elektrik alanının yoğunluğuna denir. elektrik gücü . Elektrik gücü ( E pr) biridir en önemli parametreler elektrik yalıtım malzemesi.

Gaz, sıvı ve katı dielektriklerin parçalanma mekanizmaları önemli farklılıklar gösterir.

Gaz arızası

Dünyanın radyoaktivitesinin etkisi altında 1 cm3 havada 1 saniyede üretilen elektron sayısı veya kozmik ışınlar, 10 ila 20 arasında değişir. Bu elektronlar, güçlü bir alanda gazın parçalanmasına yol açan ilk yüklerdir. Elektrik alan kuvveti arttıkça, iki çarpışma arasındaki elektronlar gaz moleküllerini iyonize etmeye yetecek enerjiyi kazanır.

Şu tarihte: verilen değerler gaz basıncı ve sıcaklığı, darbe iyonizasyonu belirli bir alan kuvvetinde başlar. Bu alan gücü ( e) denir başlangıç ​​gerilimi .

Bazı gazlarda (örneğin oksijen, karbon dioksit(su buharı), ayrılan elektron, başka bir nötr molekülle bir sonraki karşılaşmalardan birinde onunla birleşerek onu elektronegatif bir iyona dönüştürür.

Ana iyonlaşma elektronlar tarafından gerçekleştirilir. Sonuç olarak atom ve moleküllerle çarpıştıklarında yeni elektronlar üretirler. Alanın etkisi altında salınan “ikincil” elektronlar ise gaz moleküllerinin iyonlaşmasına neden olur. Bu işlem sonucunda gaz boşluğundaki çığ gibi artan elektron sayısı çok hızlı bir şekilde artar. Elektronların darbeli iyonizasyonu gaz parçalanmasının temelini oluşturur.

Düzgün olmayan bir alanda gaz bozulmasının bir özelliği, formda kısmi bir deşarjın meydana gelmesidir. kronlar alan kuvvetinin kritik değerlere ulaştığı yerlerde daha fazla geçiş taçlar kıvılcım deşarjı ve voltaj arttıkça ark oluşur.

Teknolojide yüzey parlaması olarak adlandırılan katı bir dielektrik yüzeyindeki hava bozulması, genellikle elektrotlar arasında yalnızca havanın olduğu duruma göre daha düşük voltajlarda meydana gelir. Deşarj voltajının değeri, elektrotların ve dielektrik konfigürasyonu, voltaj frekansı, dielektrik yüzeyin durumu ve hava basıncı tarafından belirlenen elektrik alanının şeklinden etkilenir.

Sıvı dielektriklerin dökümü

Sıvı dielektrikler, gazlardan önemli ölçüde daha yüksek arıza voltajlarına sahiptir. normal koşullar. Dielektrik sıvıların parçalanma mekanizması ve elektriksel gücü öncelikle bunların saflığına bağlıdır. Elektrik arızası Tamamen saflaştırılmış sıvıların kısa süreli bir elektrik alanına maruz kalması, iki işlemin birleşimi nedeniyle oluşur: elektronların darbeli iyonizasyonu ve katottan soğuk emisyon. Buna göre iyice arıtılmış sıvıların elektriksel gücü gazlardan iki kat daha yüksektir ve yaklaşık 100 MV/m'dir. Bu, bir elektronun daha yoğun bir ortamda daha kısa bir ortalama serbest yol ile hareket etmesi için daha yüksek bir alan kuvvetinin gerekli olduğu gerçeğiyle açıklanmaktadır ( λ ), iyonlaşma için yeterli enerji biriktirmiştir.

Kirlenmiş ve teknik olarak saf sıvıların parçalanmasının doğası, safsızlık parçacıklarının hareketi ve yeniden dağıtımı ile ilişkili süreçler tarafından belirlenir.

Keskin bir düşüş E pr Aynı zamanda sıvı, ıslak organik liflerle (kağıt, tekstil) kirlendiğinde de meydana gelir, çünkü bu tür lifler iletkenliği arttırılmış köprüler oluşturabilir. Köprü elektrotlardan biriyle temas ederse, bu elektrotun iğne şeklinde bir devamı görevi görür, bunun sonucunda elektrotlar arası mesafe azalır ve alan homojenliği artar. “Kuru” liflerde köprüler yüksek dirence sahiptir ve lifler üzerinde daha az etkiye sahiptir. E pr sıvılar. Sıvı dielektriklerdeki en yaygın safsızlık, çözünmüş veya emülsifiye halde olabilen nemdir.

Katı dielektriklerin bozulması

Katı dielektriklerin parçalanmasının fiziksel resmi farklı durumlar farklı olabilir. İyonizasyon işlemlerinin yanı sıra, güçlü bir elektrik alanının neden olduğu ikincil işlemler (ısıtma, kimyasal reaksiyonlar, kısmi boşalmalar, elektrostriksiyon sonucu mekanik gerilmeler, homojensizliklerin sınırlarında uzay yüklerinin oluşması vb.). Bu nedenle, katı dielektriklerin çeşitli parçalanma mekanizmaları ayırt edilir: elektriksel, elektrotermal, elektrokimyasal ve iyonizasyon.

Elektrik arızası doğrudan bir elektrik alanının etkisi altında darbe iyonizasyonunun veya dielektrik parçacıklar arasındaki bağların kopmasının neden olduğu bir bozulmadır.

Elektrik gücü ( E pr Elektrik arızası sırasında katı dielektriklerin )'si nispeten dar sınırlar içinde kalır - 100 – 1000 MV/m, bu da yaklaşık E prşiddetle sıkıştırılmış gazlar ve çok temiz sıvılar. Anlam E pr esas olarak nedeniyle iç yapı dielektrik (atomların paketleme yoğunluğu, bağlarının gücü) ve buna zayıf bir şekilde bağlıdır dış faktörler sıcaklık, uygulanan voltajın frekansı, numunenin şekli ve boyutları (çok küçük kalınlıklar hariç) gibi. Bu tür bir bozulma, düşük dielektrik kayıpları olan makroskopik olarak homojen dielektrikler için tipiktir. Bu tür bir arıza 10 -7 ... 10 -8 saniyeden fazla sürede meydana gelmez ve termal enerjiden kaynaklanmaz. Elektrik arızası sırasında elektriksel gücün değeri bir dereceye kadar sıcaklığa bağlıdır ve ilk aşamada dielektrikin çok dar bir kanalda tahrip olmasıyla birlikte görülür.

Elektrotermal (termal ) arıza, bir elektrik alanına maruz kaldığında bir dielektrikte meydana gelen ve dielektrikin tahrip olmasına yol açan termal süreçlerin neden olduğu bir arızadır. Dielektrikte açığa çıkan ısı miktarı nedeniyle termal bozulma meydana gelir. dielektrik kayıpları, belirli koşullar altında dağıtılabilecek ısı miktarını aşar; bu durumda ihlal edilir Termal denge ve süreç çığ benzeri bir karaktere bürünüyor.

Termal bozulma olgusu, malzemenin bir elektrik alanında erime, çatlama, kömürleşme vb. karşılık gelen sıcaklıklara kadar ısıtılmasına indirgenir. Termal bozulma sırasındaki arıza voltajının değeri, yalnızca malzemenin değil, aynı zamanda ürünün de bir özelliğidir. Arıza voltajının malzemenin özelliklerine, yani elektriksel gücüne hizmet edebileceği elektrik ve iyonizasyon arızasına karşıttır.

Dielektriğin ısıtılmasından kaynaklanan arıza voltajı, voltaj frekansına, soğutma koşullarına, sıcaklığa bağlıdır. çevre vb. Ayrıca elektrotermal (arıza) voltajı malzemenin ısı direncine de bağlıdır. Organik dielektrikler (örneğin polistiren), inorganik dielektriklerden (kuvars, seramik) daha düşük "elektrotermal" arıza voltajı değerlerine sahiptir. eşit koşullar, sadece düşük ısı direncinden dolayı olsa bile.

Elektrokimyasal arıza dolayı kimyasal süreçler, bir elektrik alanının etkisi altında dielektrikte değişikliklere yol açar. Kimyasal değişimler Yüksek voltajda (yaşlanma) elektroliz, havadaki ozon varlığı vb. nedeniyle meydana gelir. Elektriksel yaşlanma özellikle doğrudan gerilime maruz kaldığında belirgindir ve alternatif gerilime maruz kaldığında daha az fark edilir.

İyonlaşma dökümü – bu, dielektrikteki kısmi deşarjlardan kaynaklanan iyonizasyon süreçlerinden kaynaklanan bir arızadır. En çok hava kapanımlı dielektrikler için tipiktir (örneğin kağıt izolasyonu). Hava gözeneklerinde yüksek alan şiddetlerinde hava iyonlaşması meydana gelir, ozon oluşumu, hızlandırılmış iyonlar, ısı üretimi. Tüm bu süreçler yalıtımın kademeli olarak tahrip olmasına ve azalmasına yol açar. E pr.

Belirtildiği gibi katı dielektriklerde hacimselin yanı sıra bu da mümkündür. yüzey bozulması , yani katı izolasyon yüzeyine bitişik sıvı veya gaz halindeki bir dielektrikte bozulma. Çünkü E pr sıvılar ve özellikle gazlar aşağıda E pr katı dielektrikler ve elektrik alan kuvvetinin normal bileşeni arayüzde süreklidir, bu durumda kütledeki ve yüzeydeki elektrotlar arasında aynı mesafe olduğunda, bozulma öncelikle katı dielektrik yüzeyi boyunca meydana gelecektir. Yüzey bozulmasını önlemek için uzatmak gerekir olası yol yüzeye boşaltın. Bu nedenle yalıtkanların yüzeyi oluklu hale getirilir ve dielektrikin metalize olmayan kenarları kapasitörlerde kalır. Yüzeysel senvesaire Ayrıca elektrik yalıtım yüzeyinin vernikler, bileşikler ve yüksek elektrik dayanımına sahip sıvı dielektriklerle kapatılmasıyla da arttırılır.

Makroskobik olarak homojen olmayan dielektriklerin dökümü

Uygulamada kullanılan çoğu dielektrik homojen değildir çeşitli türler. Örneğin, seramik dielektrikler farklı fazlardan (kristalin ve camsı) oluşur. elektriksel özellikler ve daha fazla veya daha az sayıda gözenek (hava kapanımları) içerir. Preslenmiş ve sarılmış ürünler katmanlı bir yapıya sahiptir; alternatif katmanları da eşit olmayan dielektrik özelliklere sahiptir.

Küçük olması nedeniyle E pr, ε Ve γ Güçlü bir elektrik alanında bulunan gözenekli bir dielektrikteki gaz kalıntıları, bu kalıntılarda kısmi deşarjlar (“tutuşma”) meydana gelir. Genellikle gözenekli bir dielektrik maddenin bozulmasına (iyonizasyon bozulması) yol açan ana süreç, bu deşarjların meydana gelmesidir.

Gözenekli dielektriklerin elektriksel mukavemetini arttırmak için emprenye edilirler, gözenekler sıvı ile doldurulur veya yüksek elektrik mukavemetine sahip elektrik yalıtım malzemesi sertleştirilir. Yani, emprenye edilmemiş kablo kağıdı için E pr= 3...5MV/m ve bileşik ile emprenye edilmiş olanlar için E pr= 40...80 MV/m.

Şimdi iletkenlerin etrafındaki alanların bazı özelliklerine niteliksel olarak bakacağız. Bir iletkeni elektrikle yükleyelim, ancak bu sefer küresel değil, ucu veya kenarı olan bir iletken (örneğin, Şekil 6.14'te gösterilen şekilde). O zaman buradaki alan diğer yerlere göre çok daha güçlü olacak. Sebebi Genel taslak yüklerin iletkenin yüzeyi üzerinde mümkün olduğu kadar geniş bir şekilde yayılma eğiliminde olması ve ucun ucunun her zaman yüzeyin geri kalanından en uzak olması gerçeğinden oluşur. Bu nedenle plaka üzerindeki yüklerin bir kısmı uca doğru akar. Nispeten küçük miktarüzerine yük geniş bir yüzey oluşturabilir yoğunluk, A yüksek yoğunluk buradaki iletkenin yakınında güçlü bir alan anlamına gelir.

Genel olarak iletkenin eğrilik yarıçapının daha küçük olduğu yerlerinde alan daha güçlüdür. Bunu görmek için, Şekil 2'de gösterildiği gibi bir tel ile birbirine bağlanmış büyük ve küçük bir kürenin birleşimini düşünün. 6.15. Telin kendisinin pek bir etkisi olmayacak dış kenar boşlukları; onun işi kürelerin potansiyellerini eşitlemektir. Saha hangi topun yakınında daha yoğun olacak? Sol topun yarıçapı ise A, ve ücret Q,

(Tabii ki, bir topun varlığı diğerindeki yüklerin dağılımını etkileyecektir, dolayısıyla aslında hiçbirinin yükleri simetrik olarak dağılmayacaktır. Ancak alanın yalnızca yaklaşık büyüklüğüyle ilgileniyorsak o zaman şunu kullanabiliriz: küresel bir yükün potansiyeli formülü.) Daha az top yarıçapı varsa B bir ücreti var Q, o zaman potansiyeli yaklaşık olarak eşittir

Fakat φ 1 =φ 2 yani

Öte yandan yüzeye yakın alan [bkz. denklem (5.8)] orantılıdır yüzey yoğunluğu yük, bu da toplam yükün yarıçapın karesine bölünmesiyle orantılıdır. Şekline dönüştü

Bu, daha küçük kürenin yüzeyinin daha büyük bir alana sahip olduğu anlamına gelir. Alanlar yarıçaplarla ters orantılıdır.

Bu sonuç teknik açıdan oldukça önemlidir çünkü alanın çok büyük olması durumunda havada arıza meydana gelir. Bazı ücretsiz Havadaki (bir elektron veya iyon) bu alan tarafından hızlandırılır ve eğer çok güçlüyse, yük bir atomla çarpışmadan önce öyle bir hız kazanabilir ki, atomdan yeni bir elektronu dışarı atabilir. Sonuç olarak, giderek daha fazla iyon ortaya çıkar. Hareketleri bir kıvılcım veya deşarj oluşturur. Bir cismi havaya deşarj etmeden yüksek potansiyele kadar şarj etmek istiyorsanız cismin yüzeyinin düzgün olduğundan ve alanın çok yüksek olduğu yerlerin olmadığından emin olmalısınız.

Gazlarda sadece elektriksel bozulma gözlenir.

Gaz halindeki dielektriklerde, bir elektrik alanının etkisi altında anoda doğru hareket etmeye başlayan belirli miktarda serbest iyon ve elektron vardır. Önemli rol bozulma sırasında, özellikle ilk aşamada, iyonlardan çok daha fazla hareketliliğe sahip parçacıklar olarak elektronlara aittir. Bir elektron bir molekülle çarpıştığında enerjisinin bir kısmını ona aktarır, bundan sonra iki senaryo mümkündür ve bu senaryoları basitleştirilmiş bir şekilde aşağıdaki gibi tanımlayabiliriz:

1. molekül iyonize olur, bir elektron yayar, böylece iki elektron hareket eder (alanda hızlanır), bu da diğer iki molekülü iyonlaştırabilir ve şimdi dördü hareket eder serbest elektron sonraki dört molekülü iyonize edebilen - sonuç olarak, bir elektron çığının oluşmasına yol açan darbe iyonizasyonu gözlemlenir;

2. molekül uyarılmış bir duruma girer ve fazla enerjiyi radyasyon şeklinde yayar - başka bir molekülü iyonlaştırabilen bir foton, böylece foton iyonizasyonu meydana gelir ve iletkenliği artan bir kanalın (flama) ortaya çıkmasına yol açar.

Işık hızında hareket eden fotonlar (3 10 8 m/s), elektron çığlarının önündedir ve nötr moleküllerle "çarpıştıklarında" onları iyonize ederek yeni elektron ("yardımcı") çığlarına yol açarlar.

Anoda doğru ilerleyen ana ve yavru çığlar büyür, birbirlerini yakalar, birleşir ve elektronegatif bir şerit oluşturur - tek bir bütün halinde birleşen bir elektron çığları zinciri. Ters yönde hareket ederek elektropozitif bir şerit oluşturan bir pozitif iyon akışı da oluşur. Katoda yaklaşırken, pozitif iyonlar yüzeyine çarparak "ikincil" elektronlar yayan parlak bir katot noktası oluşturur. Elektron darbeli iyonizasyon ve fotoiyonizasyon sonucu oluşan ikincil elektronlar ve elektronlarla doldurulan pozitif şerit, gaz deşarj plazmasının geçiş kanalına dönüşür. Bu kanalın elektriksel iletkenliği çok yüksektir ve içinden kısa devre akımı geçer. BENkısa devre.

Şekil 5.9, çığların geleneksel olarak gölgeli koniler şeklinde gösterildiği ve fotonların yollarının dalgalı çizgilerle gösterildiği, elektriksel bozulmanın gelişimini açıklayan bir diyagramı göstermektedir. Dalgalı çizgilerin kökeni, bir elektron tarafından uyarılan ve daha sonra bir foton yayan atomlardan gelmektedir.

Pirinç. 5.9. Bir elektron çığının şematik gösterimi ve gaz parçalanması sırasında elektronegatif bir şerit oluşumu

Plazma gazı deşarj kanalının oluşumu (Şekil 5.10) aslında gazların parçalanmasıdır. Ortaya Çıkış BENkısa devre- bir arızanın sonucu. Boyutuna bağlı olarak BENkısa devre arıza, bir kıvılcım veya elektrik arkı şeklinde kendini gösterir.

Pirinç. 5.10. Gaz deşarjlı plazma kanalının oluşumunun şematik gösterimi

Sabit bir tekdüze alanda gaz bozulması bağımlılıkla karakterize edilir e basınca bağlıdır (Şekil 5.11.a). Normalin üzerindeki basınç değerlerinde gaz sıkıştırılır ve sonuç olarak elektronun ortalama serbest yolu azalır. Bu nedenle arıza olasılığı koşulunu sağlamak için elektrik alan kuvvetinin arttırılması gerekir. e. Gaz azaldığında ortalama uzunluk elektronun serbest yolu artar ve aynı zamanda elektronlar daha düşük alan gücü değerinde bile ek enerji elde edebilir. Bölgede yüksek vakum E pr artar çünkü gazın güçlü bir şekilde seyrelmesi sonucunda birim hacim başına molekül sayısı azalır ve elektronların moleküllerle çarpışma olasılığı azalır. 0,1 MPa'lık bir basınç normal atmosfer basıncına karşılık gelir.

e Düzgün bir alandaki hava, Şekil 5.11 b)'de gösterildiği gibi, elektronların gaz molekülleriyle çarpışma olasılığının azalması nedeniyle elektrotlar arasındaki mesafenin azalmasıyla birlikte artar. Elektrik gücünde artış bu durumda elektrotlar arasındaki mesafenin küçük olması nedeniyle deşarj oluşturmanın zorluğundan kaynaklanır.

Gazların arıza voltajı, örneğin hava için homojen olmayan alanlarda önemli ölçüde azalır. D=30 kV'tan 9 kV'a 1 cm.

Pirinç. 5.11. Gazın elektriksel gücünün basınca bağımlılığı

Paschen yasası. Paschen yasası bağımlılığı gösterir U np basınç ürününden özel bir tasarımda gaz halindeki dielektrikler R belli bir mesafeye kadar gaz H elektrotlar arasında (Şekil 5.12). Kanun, her gazın kendi minimum arıza voltajı değerine sahip olduğunu belirler U np.dak işe bağlı olarak Doktora. İki atomlu ve çok atomlu moleküllerden oluşan gazlar için, senpr.dakika 280 V (H2) ila 420 V (CO2) aralığındadır. İyonize olmayan havada, düzgün bir elektrik alanında 50 Hz frekansta senpr.dakika~ 326 V. İnert gazlar için (şunlardan oluşan gazlar) tek atomlu moleküller) senpr.dakika, çok atomlu moleküllerden (örneğin saf argon) oluşan gazlardan daha düşüktür senpr.dakika≈195 V ve sodyum buharı katkılı argon için ~ 95 V, sodyum buharlı neon için ~ 85 V). Bu nedenle azaltmak için senpr.dakika Gaz boşaltma cihazlarında kullanılan inert gazlar için elektrotlar alkali veya alkalin toprak metal katkı maddeleri içeren metallerden yapılır (veya en azından kaplanır). küçük iş elektron salınımı.

Düzgün olmayan bir alanda sen Elektrotların polaritesi de etkilenir. Bu nedenle, küçük eğrilik yarıçapına sahip elektrotlar için sen Pozitif polariteye sahip pr, negatif polariteye göre daha düşüktür. Bunun nedeni, korona deşarjının gelişmesi sonucunda uçta pozitif bir uzay yükünün oluşmasıdır, bu da boşluğun geri kalan kısmında alan kuvvetinin artmasına neden olur.

Pirinç. 5.12. Arıza voltajının bağımlılığı senpr.max gaz basıncının ürününden hava (1) ve neon (2) R elektrotlar arasındaki mesafeye H

Yeterince yüksek frekanslarda serbest elektronların kayma zamanı vardır. uzun mesafeler ve elektrotlara ulaşın. Salınımların yarım döngüsü sırasında büyük kütleye sahip iyonların önemli mesafeler boyunca kayma zamanı yoktur ve elektrotlar arası boşluktaki pozitif iyonların konsantrasyonu artar, bu da "uzay yükü" olarak adlandırılan şeyin ortaya çıkmasına neden olur. Dolayısıyla onlarca kilohertz'i aşan frekanslardan başlayarak iyonların moleküllerle çarpışma olasılığı artar ve gazların elektriksel gücü azalır (Şekil 5.13). Daha fazla büyüme elektrik alanının frekansı, yarım döngü sırasında sadece pozitif iyonların önemli mesafeler boyunca hareket etmek için zamanının olmaması değil, aynı zamanda elektronların elektrotlar arası boşluktan uçmak için zamanlarının da olmaması gerçeğine yol açar. Yüklü parçacıkların rekombinasyon olasılığı artar ve konsantrasyonları azalır. Ek olarak, yarı döngü süresinin azaltılması, iyonlara etki eden kuvvetin arttırılmasını gerektirir; böylece kinetik enerji molekülleri iyonize etmek için yeterlidir. Bu nedenle bir megahertz'i aşan frekanslarda gazların elektriksel gücü artar.

Pirinç. 5.13. Gazın elektriksel gücünün elektrik alanının frekansına bağımlılığı

Gazın (hava) parçalanması düzgün olmayan bir alandaönceki ortakp iyon deşarjı veya eksik bir arıza olan korona. Corona stresliyken ortaya çıkıyor Sende, daha düşük olan U np (İngiltere< U np), küçük bir eğrilik yarıçapına sahip bir elektrotun yakınında, keskin metal kenarlarda vb.; aralıklı mavimsi bir parıltı şeklinde gözlenir ve ona karakteristik bir ses (uğultu veya çatırtı) eşlik eder. Gerilim arttıkça korona deşarjı kıvılcım ve daha sonra voltaj kaynağının yeterli gücüyle - yay deşarj.

Çubuk düzlemli elektrotlar durumunda keskin bir şekilde homojen olmayan bir alan yaratarak, U pr Gazlar, çubuğun pozitif polaritesine sahip en küçük, çubuğun negatif polaritesine sahip en büyük gaz olacaktır (Şekil 5.14). Bu şu şekilde açıklanmaktadır. Yukarıda belirtildiği gibi, hava boşluğunun bozulmasından önce bir korona deşarjı gerçekleşir. Bu durumda oluşan, pozitif iyonlardan daha büyük (~ 1000 kat) hareketliliğe sahip elektronlar, korona tabakasını hızla terk eder ve büyük bir hacim ortaya çıkar. pozitif yük. Elektrotun ucunun yakınında oluşan hacimsel pozitif yük, hava boşluğunun voltajı üzerinde farklı bir etkiye sahiptir. Çubuk şeklinde bir elektrot varsa pozitif potansiyel pozitif hacimsel yük, koronanın dış bölgesindeki alan kuvvetinin artmasına neden olacak ve daha düşük bir değerde arıza meydana gelecektir. U pr. Çubukta negatif bir potansiyel varsa, pozitif hacimsel yük koronanın dış bölgesindeki alan kuvvetini azaltacak ve hava boşluğunun kırılması daha yüksek bir değerde meydana gelecektir. Cad. Darbe süresinin azalmasıyla (voltaj frekansının artmasıyla) değerler arasındaki fark U prÇubuğun polaritesine bağlı olarak azalır. Büyüklük U pr Düzgün olmayan bir alanda yüksek frekanslarda gaz parçalanması sırasında (tekdüze bir alandaki parçalanmanın aksine), önemli ölçüde düşüktür. U pr en sabit voltaj veya güç frekansı voltajı.

Pirinç. 5.14. Arıza voltajının bağımlılığı senvesaire uzaktan hava H

elektrotlar arasında (düzensiz alan)

Hava neminin arttığı homojen olmayan alanlarda arıza voltajı U pr artışlar. Bu, su moleküllerinin serbest elektronları yakalayıp hareketsiz elektronlara dönüşme yeteneğinin artmasıyla açıklanabilir. negatif iyonlar. Sonuç olarak, elektrotlar arası boşluktaki iyonlaştırıcı elektronların sayısı azalır, dolayısıyla deşarj voltajının arttığı varsayılabilir. Mutlak hava nemi iki katına çıktığında. U np 50 Hz frekansta %10 artar.

Yüzey deşarjı. Elektrotlar arası alandaki elektrik alanı düzgünse, o zaman herhangi bir yerde ve en yüksek voltajda arıza meydana gelebilir. Şekil 5.15.a'da gösterildiği gibi katı bir dielektrik düzgün bir alana yerleştirilirse, o zaman Elektrik boşalması katı bir dielektrik maddenin yüzeyi üzerindeki havada ve diğer koşullar eşit olmak üzere daha düşük bir voltajda meydana gelecektir. Bu durumda deşarj gerilimi Yukarı bir dizi faktöre ve her şeyden önce katı dielektrik maddenin fizikokimyasal özelliklerine, numune yüzeyinin durumuna ve alan çizgilerine göre konumuna, havanın nemine, uygulanan alanın şekline ve frekansına, elektrotların katı dielektrik ile sıkılığı ve aralarındaki mesafe.

Pirinç. 5.15 Vektör çizgilerinin dağılımı e katı bir dielektrik (1) ve havadan (2) oluşan bir elektrik yalıtım yapısında:

a - alan çizgileri paralel yönlendirilir,

b - dielektrik arayüze dik

Bağımlılık eğrileri Yukarı uzaktan L elektrotlar arasında homojen ve homojen olmayan elektrik alanları katı dielektrik maddenin doğasına bağlı olarak (değer dielektrik sabitiε ve spesifik yüzey elektrik iletkenliği gs) Şekil 5.16'da sunulmaktadır. Şekil, elektrotlar arasındaki mesafe arttıkça şunu göstermektedir: Yukarı farklı kimyasal yapıya sahip katı dielektrikler için eşit olmayan şekilde artar. En yüksek Yukarı polar olmayan katı dielektriklerin yüzeyi boyunca deşarj sırasında gözlemlendi moleküler yapı. Polar dielektrikler için Yukarı polar olmayanlardan daha düşük ve ne kadar düşük olursa, katı dielektrikin ε ve gs'si o kadar büyük ve temas açısı o kadar küçük olur. Dielektriklerde iyonik yapı(bkz. Şekil 5.16.a), eğri 3 ve 4), iyon içeren alkali metaller ve bu nedenle daha yüksek bir yüzey elektrik iletkenliğine sahiptir, Yukarı moleküler yapıya sahip polar dielektriklerden bile daha düşüktür. Özellikle önemli ölçüde Yukarı ile azalır elektrotların yüzeye zayıf yapışması katı dielektrik (eğri 5). Bu durumda elektrotlar arası boşluktaki elektrik alanı daha homojen hale gelir ve bunun sonucunda deşarj voltajı düşer.

Katı bir dielektrik yüzeyinde, alanın tekdüzeliğini ihlal eden, monomoleküler bir katman veya daha fazla kalınlıkta havadan yoğunlaşan sürekli veya süreksiz bir nem filminin oluştuğu ve dolayısıyla alanın tekdüzeliğini ihlal ettiği tespit edilmiştir. Yukarı azalır. Bu durumda elektrik boşalması aslında düzgün olmayan bir alanda meydana gelir. Ayrıca su filminin elektriksel iletkenliği ne kadar yüksek olursa, o kadar düşük olur. Yukarı.

Pirinç. 5.16. Deşarj voltajı bağımlılığı Yukarı belli bir mesafeden dielektriklerin yüzeyi boyunca havada L düzgün bir alandaki (a) ve düzgün olmayan bir alandaki (b) elektrotlar arasında ve dielektrik sabiti ε('nin değeri üzerinde) BEN) ve katı bir dielektrikin (c) spesifik yüzey elektrik iletkenliği γ s (II):

a, b - numune çapı 50 mm; 1 - parafin, 2 - bakalit, 3 - porselen, 4 - cam, 5 - elektrot teması zayıf olan porselen ve cam, 6 - hava boşluğu;

c - yuvarlatılmış kenarlı paralel düzlem elektrotlar, numune çapı 45 mm, yükseklik 30 mm, T=20°C; U - PTFE, 2- PE, 3- PS, 4- PMMA, 5- vinil plastik, b - ahşap, 7- getinax, 8- hava boşluğu

Katı bir dielektrikin yüzeyi çok pürüzlüyse ve çatlaklar içeriyorsa, katı dielektrik ile seri olarak bağlanan bu yerlerde hava mikro boşlukları oluşur. Havanın dielektrik sabiti ve katı dielektrik değerlerinin farklı olması nedeniyle, mikro boşluklardaki alan kuvveti artar ve başlangıç ​​\u200b\u200bgücüne ulaşıldığında hava kalıntılarının iyonlaşmasına neden olur. İyonlaşma ise alan homojenliğini arttırmada ve alan homojenliğini azaltmada ek bir faktör haline gelir. Yukarı. Reddetmek Yukarı diğer faktörler de etkiler. Havada her zaman serbest pozitif ve negatif iyonların bulunduğu bilinmektedir. Bu nedenle, katı dielektriklerin yüzeyinde, çok kuru havada bile aynı işaretli bir iyon tabakası oluşur ve onun üstünde, havada zıt işaretli bir iyon tabakası oluşur. Uygulanan voltajın etkisi altında, bu iyonlar su iyonlarıyla birlikte zıt yüklü elektrotlara kaydırılarak uzay yüklerinin oluşumuna katılır. Elektrotlarda oluşan uzay yüklerinin büyüklüğü sadece yüzeyin elektrik iletkenliğinden değil aynı zamanda voltajın süresinden de etkilenir. Kısa darbeler ve yüksek frekanslarda (ƒ> 50 kHz), az sayıda iyonun kayma zamanı vardır, dolayısıyla elektrik alanı biraz bozulur ve sonuç olarak, Yukarı biraz azalır.

Şimdi iletkenlerin etrafındaki alanların bazı özelliklerine niteliksel olarak bakacağız. Bir iletkeni elektrikle yükleyelim, ancak bu sefer küresel değil, ucu veya kenarı olan bir iletken (örneğin, Şekil 6.14'te gösterilen şekilde). O zaman buradaki alan diğer yerlere göre çok daha güçlü olacak. Bunun nedeni, genel anlamda, yüklerin iletkenin yüzeyi üzerinde mümkün olduğu kadar geniş bir alana yayılma eğiliminde olması ve noktanın ucunun her zaman yüzeyin geri kalanından en uzakta olmasıdır. Bu nedenle plaka üzerindeki yüklerin bir kısmı uca doğru akar. Üzerindeki nispeten küçük miktardaki yük, yüksek bir yüzey yoğunluğu oluşturabilir ve yüksek yoğunluk, o konumdaki iletkenin yakınında güçlü bir alan anlamına gelir.

Şekil 6.14. İletkenin keskin kenarındaki elektrik alanı çok yüksektir.

Genel olarak iletkenin eğrilik yarıçapının daha küçük olduğu yerlerinde alan daha güçlüdür. Bunu görmek için, Şekil 2'de gösterildiği gibi bir tel ile birbirine bağlanmış büyük ve küçük bir kürenin birleşimini düşünün. 6.15. Telin kendisi dış alanları büyük ölçüde etkilemeyecektir; onun işi kürelerin potansiyellerini eşitlemektir. Saha hangi topun yakınında daha yoğun olacak? Sol topun yarıçapı ve yükü ise, potansiyeli yaklaşık olarak eşittir

(Tabii ki, bir topun varlığı diğerindeki yüklerin dağılımını etkileyecektir, dolayısıyla aslında hiçbirinin yükleri simetrik olarak dağılmayacaktır. Ancak alanın yalnızca yaklaşık büyüklüğüyle ilgileniyorsak o zaman şunu kullanabiliriz: küresel bir yükün potansiyeli formülü.) Yarıçapı olan bir topun yükü daha azsa, potansiyeli yaklaşık olarak eşittir

Ama yani

Öte yandan yüzeye yakın alan [bkz. denklem (5.8)] yüzey yük yoğunluğuyla orantılıdır, bu da toplam yükün yarıçapın karesine bölünmesiyle orantılıdır. Şekline dönüştü

(6.35)

Şekil 6.15. Sivri uçlu bir nesnenin alanı yaklaşık olarak eşit potansiyele sahip iki kürenin alanı olarak düşünülebilir.

Bu, daha küçük kürenin yüzeyinin daha büyük bir alana sahip olduğu anlamına gelir. Alanlar yarıçaplarla ters orantılıdır.

Bu sonuç teknik açıdan oldukça önemlidir çünkü alanın çok büyük olması durumunda havada arıza meydana gelir. Havadaki herhangi bir serbest yük (bir elektron veya bir iyon) bu alan tarafından hızlandırılır ve eğer çok güçlüyse, o zaman yük bir atomla çarpışmadan önce öyle bir hız kazanabilir ki, atomdan yeni bir elektronu dışarı atabilir. . Sonuç olarak, giderek daha fazla iyon ortaya çıkar. Hareketleri bir kıvılcım veya deşarj oluşturur. Bir cismi havaya deşarj etmeden yüksek potansiyele kadar şarj etmek istiyorsanız cismin yüzeyinin düzgün olduğundan ve alanın çok yüksek olduğu yerlerin olmadığından emin olmalısınız.

Şimdi iletkenlerin etrafındaki alanların bazı özelliklerine niteliksel olarak bakacağız. Bir iletkeni elektrikle yükleyelim, ancak bu sefer küresel değil, ucu veya kenarı olan bir iletken (örneğin, Şekil 6.14'te gösterilen şekilde). O zaman buradaki alan diğer yerlere göre çok daha güçlü olacak. Bunun nedeni, genel anlamda, yüklerin iletkenin yüzeyi üzerinde mümkün olduğu kadar geniş bir şekilde yayılma eğiliminde olması ve noktanın ucunun her zaman yüzeyin geri kalanından en uzakta olmasıdır. Bu nedenle plaka üzerindeki yüklerin bir kısmı uca doğru akar. Nispeten küçük miktarüzerine yük geniş bir yüzey oluşturabilir yoğunluk, ve yüksek yoğunluk, buradaki iletkenin yakınında güçlü bir alan anlamına gelir.

İncir. 6.14. İletkenin keskin kenarındaki elektrik alanı çok yüksektir.

İÇİNDE Genel olarak iletkenin eğrilik yarıçapının daha küçük olduğu yerlerinde alan daha güçlüdür. Bunu görmek için, Şekil 2'de gösterildiği gibi bir tel ile birbirine bağlanmış büyük ve küçük bir kürenin birleşimini düşünün. 6.15. Telin kendisi dış alanları büyük ölçüde etkilemeyecektir; onun işi kürelerin potansiyellerini eşitlemektir. Saha hangi topun yakınında daha yoğun olacak? Sol topun yarıçapı a ve yükü Q ise potansiyeli yaklaşık olarak eşittir

(Tabii ki, bir topun varlığı diğerindeki yüklerin dağılımını etkileyecektir, dolayısıyla aslında hiçbirinin yükleri simetrik olarak dağılmayacaktır. Ancak alanın yalnızca yaklaşık büyüklüğüyle ilgileniyorsak o zaman şunu kullanabiliriz: küresel bir yükün potansiyeli formülü.) Yarıçapı b olan top daha azsa bir ücreti var Q, o zaman potansiyeli yaklaşık olarak eşittir

Ama  1 = 2, yani

İLE diğer taraftan yüzeye yakın alan [bkz. denklem (5.8)] yüzey yük yoğunluğuyla orantılıdır, bu da toplam yükün yarıçapın karesine bölünmesiyle orantılıdır. Şekline dönüştü

İncir. 6.15. Sivri uçlu bir nesnenin alanı yaklaşık olarak eşit potansiyele sahip iki kürenin alanı olarak düşünülebilir.

Bu, daha küçük kürenin yüzeyinin daha büyük bir alana sahip olduğu anlamına gelir. Alanlar yarıçaplarla ters orantılıdır.

Bu sonuç teknik açıdan oldukça önemlidir çünkü alanın çok büyük olması durumunda havada arıza meydana gelir. Havadaki herhangi bir serbest yük (bir elektron veya bir iyon) bu alan tarafından hızlandırılır ve eğer çok güçlüyse, o zaman yük bir atomla çarpışmadan önce öyle bir hız kazanabilir ki, atomdan yeni bir elektronu dışarı atabilir. . Sonuç olarak, giderek daha fazla iyon ortaya çıkar. Hareketleri bir kıvılcım veya deşarj oluşturur. Bir cismi havaya deşarj etmeden yüksek potansiyele kadar şarj etmek istiyorsanız cismin yüzeyinin düzgün olduğundan ve alanın çok yüksek olduğu yerlerin olmadığından emin olmalısınız.

§ 12. İyon mikroskobu

Yüklü bir iletkenin herhangi bir keskin çıkıntısını çevreleyen ultra yüksek elektrik alanı, ilginç uygulama tek bir cihazda. İş iyon mikroskobu etrafında ortaya çıkan güçlü alanların neden olduğu metal uç. Bu cihaz bu şekilde tasarlanmıştır. Havanın dışarı pompalandığı bir cam kürenin ortasına, uç çapı 1000 Å'u geçmeyen çok ince bir iğne yerleştirilir (Şekil 6.16). Kürenin iç yüzeyi ince iletken bir floresan malzeme tabakası ile kaplanır ve iğne ile floresan kaplama arasında çok yüksek bir potansiyel farkı oluşturulur.

Öncelikle iğnenin floresan ekrana göre negatif yüklü olması durumunda ne olacağını görelim. İğnenin ucundaki alan çizgileri oldukça yoğundur. Elektrik alanı 1 başına 40 10 6 V'a ulaşabilir santimetre. Bu tür güçlü alanlarda potansiyel farkından dolayı elektronlar iğne yüzeyinden ayrılarak iğneden ekrana kadar olan bölgede hızlanır. Ekrana ulaştıklarında bu yerde bir parıltıya neden olurlar (tıpkı bir televizyon tüpünün ekranındaki gibi).

İncir. 6.16. İyon mikroskobu.

Gelen elektronlar bu nokta floresan yüzey, çok iyi bir yaklaşımla, radyal alan çizgisinin diğer ucunu terk eden elektronlarla aynıdır, çünkü elektronlar, iğnenin ucunu kürenin yüzeyine bağlayan alan çizgileri boyunca hareket eder. Yani yüzeyde bir tür iğne ucunun görüntüsünü görüyoruz. Daha doğrusu resmi görüyoruz emisyon uç yüzeyi, yani elektronların metal ucun yüzeyinden ayrılma kolaylığı. Çözünürlük gücü yeterince yüksekse, hükümlerin çözülmesi beklenebilir bireysel atomlar iğnenin ucunda. Ancak elektronlarla böyle bir çözünürlük aşağıdaki nedenlerden dolayı elde edilemez. İlk olarak kuantum mekaniksel kırınım meydana gelir elektron dalgaları ve görüntü bulanıklaşacaktır. İkincisi, metaldeki iç hareketin bir sonucu olarak elektronlar iğneden kaçtıkları anda küçük bir enine başlangıç ​​hızına sahiptirler ve hızın bu rastgele enine bileşeni görüntünün lekelenmesine yol açacaktır. Toplamda bu etkiler ayrıntıların çözünürlüğünü yaklaşık 25A ile sınırlandırır.

Ancak voltajın işaretini değiştirirsek ve şişeye biraz helyum bırakırsak ayrıntılar daha iyi çözülecektir. Bir helyum atomu ucun ucuyla çarpıştığında, güçlü bir alan atomdan bir elektronu soyar ve atom pozitif yüklü hale gelir.

Ahh.6 .17. İyon mikroskobu ile elde edilen görüntü.

Helyum iyonu daha sonra hızlanır güç hattı ekrana gelene kadar. Helyum iyonu elektronla kıyaslanamayacak kadar ağır olduğundan kuantum mekaniksel dalga boyları çok daha kısadır. Üstelik sıcaklık çok yüksek değilse, termal hızların etkisi de elektronun etkisinden çok daha zayıf olur. Görüntü daha az bulanıklaşır ve iğne ucunun çok daha keskin bir görüntüsü elde edilir. İyon emisyonu prensibiyle çalışan bir mikroskopla, 2.000.000 kata kadar, yani en iyi elektron mikroskoplarından on kat daha iyi büyütme elde etmek mümkündü.

İncirde. Şekil 6.17 böyle bir mikroskopta tungsten iğnesi kullanılarak elde edilenleri göstermektedir. Tungsten atomlarının merkezleri, helyum atomlarını tungsten atomları arasındaki boşluklardan biraz farklı şekilde iyonize eder. Floresan ekrandaki noktaların konumu düzenlemeyi göstermektedir bireysel atomlar bir tungsten ucunda. Dikdörtgen bir ızgara içine dizilmiş ve böylece kübik bir kafes oluşturan toplarla dolu büyük bir kutu hayal ederseniz, noktaların neden halkalara benzediği anlaşılabilir. Bu toplar metaldeki atomlara benzer. Bu kutunun kabaca küresel bir kısmını keserseniz, atomik yapıya özgü halkalardan oluşan bir desen göreceksiniz. İyon mikroskobu insanlığa atomları görmenin ilk yolunu sağladı. Olağanüstü bir başarı, hatta bu kadar basit bir cihazla bile başarıldı.

*Santimetre. Muller'in makalesi [E. W. Mueller , Alan iyon mikroskobu, Elektronik ve Elektron Fiziğindeki Gelişmeler, 13, 83 (1960)].