4. Prozkoumejte závislost průrazného napětí vzduchu na polaritě elektrod v nerovnoměrném elektrickém poli.
Teoretická ustanovení
Vnější izolací na elektrických vedeních, transformátorech a jiných elektrických zařízeních je vzduch, což je směs plynů: dusík (78,03 %), kyslík (20,93 %), inertní plyny (0,1 %), oxid uhličitý (0,03 %). Vzduch a jakékoli jiné dielektrikum, které je v elektrickém poli, ztrácí vlastnosti elektrického izolačního materiálu, pokud intenzita pole překročí určitou kritickou hodnotu. Tato náhlá ztráta elektroizolační schopnosti materiálu vlivem vnějšího elektrického pole se nazývá zhroutit se. Ztráta izolačních vlastností může být vratná: plynná a kapalná dielektrika obnovují své izolační vlastnosti po odstranění napětí díky pohyblivosti molekul.
Hodnota napětí, při které dochází k průrazu dielektrika, se nazývá průrazné napětí Uпр, kV. Průrazné napětí závisí na tloušťce dielektrika, a proto nemůže být charakteristikou elektroizolačních vlastností materiálu, ze kterého je izolační struktura vyrobena. Charakteristickým znakem schopnosti materiálu zachovat si elektrické izolační vlastnosti při vystavení zvýšenému napětí je dielektrická pevnost. Elektrická pevnost je určena průrazným napětím děleným tloušťkou dielektrika v místě průrazu:
kde h – tloušťka dielektrika.
V případě rovnoměrného elektrického pole má elektrická síla jasný fyzikální význam. Odpovídá intenzitě elektrického pole, které způsobilo rozpad elektroizolačního materiálu.
V případě nestejnoměrného elektrického pole je elektrická pevnost určená vzorcem (1) podmíněným parametrem, který slouží pro vzájemné porovnání různých materiálů, pokud byly zkoušeny za stejných podmínek. Plyny se vyznačují čistě elektrickým průrazem v silných elektrických polích, což vede k náhlému prudkému zvýšení hustoty elektrického proudu v okamžiku průrazu. Tento typ poruchy nastává ve velmi krátké době (asi 10 -8 s). Příkladem jevu čistě elektrického průrazu je blesk.
Plyny se skládají z neutrálních molekul a předpokladem pro vznik výboje v plynech je přítomnost volných nábojů – elektronů a iontů. Uvažujme proces vzniku a mizení nabitých částic v plynu.
Když jsou elektrony na drahách nejblíže k jádru, potenciální energie atomu je minimální. Tento stav atomu je stabilní a nazývá se normální. Přechod jednoho nebo více elektronů z normálních drah na ty vzdálenější od jádra se nazývá excitace atomu. Energii potřebnou k vybuzení může atom (molekula) získat srážkou s elektronem nebo pohlcením krátkovlnného záření. Energie excitace se rovná rozdílu energií elektronů na vzdálené a normální dráze.
Doba, po kterou atom zůstává v excitovaném stavu, je přibližně 10 -10 s. Návrat atomu do normálního stavu nastává spontánně a je doprovázen emisí fotonu. Čím více energie atom při srážce s elektronem nebo pohlcení fotonu přijme, tím vzdálenější se elektron přesune na oběžnou dráhu. Když se elektron vzdálí od jádra natolik, že jeho interakce s jádrem prakticky zmizí, elektron se uvolní. Dochází k ionizaci atomu, v důsledku čehož vznikají dvě nezávislé částice: elektron a kladný iont. Energie, která musí být předána atomu (molekule), aby došlo k ionizaci, se nazývá ionizační energie (Wи).
Energie excitace a ionizace se obvykle vyjadřují v elektronvoltech. 1 eV je energie, kterou elektron přijme z elektrického pole po průchodu rozdílem potenciálů 1 V. Minimální excitační a ionizační energie některých plynů jsou uvedeny v tabulce. 1.
V mnoha elektrických instalacích (elektrická vedení, kondenzátory, kabely, rozvaděče elektráren) je izolačním médiem na povrchu izolátorů a mezi exponovanými živými částmi vzduch. Elektrická síla vzduchu za normálních podmínek (t = 20 °C, P = 760 mm Hg. Art.) je malá ve srovnání s pevností většiny kapalných a pevných dielektrik a činí až Епр = 3 kV/mm.
V každém plynu, včetně vzduchu, se pod vlivem vnějších ionizátorů, kterými jsou rentgenové, kosmické a tepelné záření, objevuje malé množství volných nábojů – kladné a záporné ionty, stejně jako elektrony (nesamoionizace). Tyto volné náboje, stejně jako neutrální molekuly plynu, jsou v náhodném tepelném pohybu.
Pokud je na plynovou mezeru aplikováno elektrické pole, náboje se začnou pohybovat podél pole a na cestě se srazí s neutrálními molekulami. Při pohybu získává nabitá částice další energii:
W = qU(5.2)
kde q – náboj částice; U – pokles napětí na volné dráze (délka mezi dvěma kolizemi).
Pokud je pole dostatečně jednotné, pak U = EKde E – síla pole, – volná délka dráhy. Pak
W = qE. (5.3)
Dodatečná energie nabitých částic je předána molekulám, se kterými se srážejí. Pokud je tato energie dostatečně velká, stane se to excitace molekulspojené s přechodem elektronu na dráhu vzdálenější od jádra, nebo i jejich ionizace, tedy jejich štěpení na elektrony a kladné ionty (obr. 5.2). V důsledku ionizace se počet elektronů v plynové mezeře velmi rychle zvyšuje (“lavinovitě”) (elektronová lavina).
Podmínka určující možnost ionizace:
kde Wи – ionizační energie.
Procesu ionizace se účastní pouze elektrony. To je vysvětleno skutečností, že elektrony mají větší pohyblivost než ionty. V souladu s tím je střední volná dráha elektronů delší než dráha iontů.
Obrázek 5.2 Schéma ionizace molekuly neutrálního plynu:
před ionizací (a), po ionizaci (b).
1 – elektron, 2 – neutrální molekula, 3 – kladný iont.
V řadě případů elektron urychlený polem nemusí molekulu ionizovat, ale pouze ji do ní přivést vzrušený stav. V příštím okamžiku tato „vzrušená“ molekula odevzdává svou přebytečnou energii ve formě záření – emituje foton. Foton je absorbován nějakou jinou neutrální molekulou, která se může ionizovat. Taková vnitřní fotonová ionizace plynu v důsledku vysoké rychlosti šíření záření vede k obzvláště rychlému rozvoji kanálů se zvýšenou elektrickou vodivostí plynu ve výbojové mezeře.
Na Obr. Na obrázku 5.3 je schéma vývoje výboje v plynové mezeře. Z toho je zřejmé, proč růst vodicího kanálu (návazce) probíhá rychleji než postup elektronové laviny. Zde jsou laviny znázorněny jako šedé kužely a vlnovky představují dráhy fotonů.
Obrázek 5.3 Schematické znázornění šíření streameru během průniku plynu
Uvnitř každého kužele, který představuje rozvíjející se lavinu, je plyn ionizován dopady elektronů; nově rozštěpené elektrony, urychlené polem, ionizují částice plynu, se kterými se setkávají, a tak počet elektronů pohybujících se k anodě a počet kladných iontů pohybujících se ke katodě exponenciálně vzrůstá.
Původ vlnovek (fotonů) pochází z molekul, které byly „excitovány“ dopadem elektronu a následně emitovány foton. Pohybující se rychlostí 310 8 m/s, fotony předběhnou lavinu a na nějakém místě, které je znázorněno koncem vlnovky, ionizují částici neutrálního plynu a vytvoří novou lavinu.
Tedy, zatímco první lavina roste o množství AB, vznikající kanál se zvýšenou elektrickou vodivostí plynu, tzn stuha, rozšiřuje na hodnotu СD.
V další fázi se jednotlivé laviny ve streameru, které se navzájem dohánějí, spojují a vytvářejí souvislý kanál ionizovaného plynu – poruchový kanál. Proud v průrazném kanálu se prudce zvyšuje a plyn ztrácí své izolační vlastnosti (rozpadá se).
Průraz plynu závisí na stupni homogenity elektrického pole, ve kterém se vyskytuje. Podívejme se na fenomén rozpadu plynu v homogenní pole (mezi plochými elektrodami) v závislosti na různých faktorech.
Vstupenka číslo 13. Závislost elektrické síly plynu na vzdálenosti mezi elektrodami.
Elektrická pevnost Епр závisí na vzdálenosti mezi elektrodami h: při poklesu h roste Епр (Obr. 5.4).
Obr 5.4 Závislost elektrické síly vzduchu na vzdálenosti mezi elektrodami v rovnoměrném elektrickém poli f= 50 Hz, Т=20 o C, P ≈ 0,1 MPa.
S malou vzdáleností mezi elektrodami, růst Епр spojené s obtížností tvorby výboje (pravděpodobnost srážek elektronů s molekulami plynu v mezielektrodové mezeře je snížena, protože volné elektrony rychle dosáhnou kladné desky).
Vstupenka číslo 14. Jak závisí elektrická síla plynů na tlaku?
Elektrická síla plynu silně závisí na jeho hustotě (tj. na tlaku, pokud je teplota konstantní). Na Obr. Obrázek 5.5 ukazuje závislost elektrické pevnosti na tlaku.
Obr 5.5 Závislost elektrické pevnosti plynu na tlaku
Při tlacích nad atmosférickým (více než 0,1 MPa) a v důsledku toho zvýšené hustotě plynu se vzdálenost mezi jednotlivými molekulami zmenšuje; dráha bez elektronů se tedy zmenšuje a jak vyplývá ze vzorce (5.3), aby došlo k průrazu, musí se zvýšit intenzita pole.
Při poklesu tlaku pod 0,1 MPa je zpočátku pozorován pokles elektrické pevnosti; když tlak dosáhne určité hranice a vakuum dosáhne vysokých stupňů, začne elektrická pevnost opět narůstat. Tento nárůst je vysvětlen snížením počtu molekul plynu na jednotku objemu při vysokém zředění a snížením pravděpodobnosti srážek elektronů s molekulami.
Při vysokém vakuu lze poruchu vysvětlit jevem elektronů vymrštěných z povrchu elektrody (studené emise). V tomto případě dosahuje elektrická pevnost velmi vysokých hodnot a závisí na materiálu a stavu povrchu elektrod a již se nemění („police“ na obr. 5.5).
Větší elektrická síla vakua se využívá v technologii při konstrukci vakuových kondenzátorů a spínačů. Plyny o vysokém tlaku se používají jako izolace pro vysokonapěťová zařízení a také při výrobě vysokonapěťových kabelů a kondenzátorů.
