- Ионизация и пробой воздуха
- Случаи электрического пробоя воздушного промежутка
- Замечательный пример инженерной ошибки. О пользе знания физики и применения измерительных приборов.
- Ошибка в постановке задачи. Искровой воздушный разрядник для таких задач не подходит по многим причинам, которые здесь рассматривать не будем.
- Неправильно выбранная физическая модель. С этого момента становится уже интересно.
- Пробой газов
- Напряжение пробоя воздуха.
- Пробой воздушного промежутка
Ионизация и пробой воздуха
Газы при нормальных условиях в основном состоят из нейтральных молекул.
Если, например, газ (воздух), находящийся между пластинами конденсатора, нагревать , то будет наблюдаться ионизация воздуха.
Процесс ионизации газа обычно состоит в отрыве от атома электрона. Оторвавшийся электрон часто прилипает к нейтральному атому или молекуле, заряжая их отрицательно.
В присутствие электрического поля ионы двигаются к противоположно заряженным электродам, и в цепи возникает ток .
При небольших напряжениях между электродами, лишь часть ионов достигает электродов, остальные рекомбинируют.
Число ионов резко ( лавинообразно ) растёт, наступает пробой газа (или газовый разряд).
Газовый разряд — это и есть прохождение тока через газы.
Характер газового разряда зависит от многих факторов: от химической природы газа; от температуры и давления газа; от формы и взаимного расположения электродов; от напряжения, приложенного к электродам, и так далее.
Поэтому газовые разряды принимают разнообразные формы : искровой разряд, коронный разряд, дуговой, тлеющий разряды (см. Занятие 60).
Опыты показывают, что при напряжённости электростатического поля около 3 МВ/м (или 30 кВ/см) между электродами проскакивает электрическая искра (наблюдается искровой разряд или искровой пробой воздуха).
Напряжение, при котором происходит искровой разряд называется напряжением пробоя .
При этом напряжении воздух ( газ) скачком теряет свои диэлектрические свойства, становясь проводником.
Между электродами проходит электрический ток (возникает ионная лавина). Почему она возникает? Объясняется это следующим.
При большом напряжении между электродами (напряжении пробоя ) электроны и ионы получают такие энергии, что способны при ударе ионизовать нейтральные молекулы газа.
Происходит ударная ионизация , в результате которой количество электронов и ионов очень быстро (как ионная лавина) растёт — между электродами образуется кратковременный импульс тока большой силы — газ становится хорошим проводником.
Источник
Случаи электрического пробоя воздушного промежутка
Замечательный пример инженерной ошибки. О пользе знания физики и применения измерительных приборов.
Замечательный он потому, что, во-первых, от этой ошибки никто не пострадал. Во-вторых, пример очень простой, но показательный — в нем есть полный набор: ошибка в постановке задачи, неправильный выбор модели процесса, расчет и проведение измерений в соответствии с ней.
Выставка «Связь-Экпокомм», год примерно 2005 … Мы привезли с собой прибор «Искра» ( история разработки
техническое описание
). На соседнем стенде среди антенн, разветвителей и антенных фильтров – коаксиальный «грозоразрядник», напряжение срабатывания по паспорту — 400 Вольт. «А давайте проверим нашим прибором» — «да проверяйте, конечно». «Грозоразрядник» не пробивается ни на 400 Вольтах, ни на 800 (предел измерения). «Прибор у вас неправильный, у нас точно всё посчитано». Выясняется, что внутри «грозоразрядника» между центральным проводником и корпусом сделан искровой промежуток 0,2 мм и выставлен он «прецизионно».
Ошибка в постановке задачи. Искровой воздушный разрядник для таких задач не подходит по многим причинам, которые здесь рассматривать не будем.
Типовая конструкция устройства коаксиальной защиты с применением газонаполненных разрядников описана здесь
.
Для узкополосных сигналов может быть использовано соединение внутреннего и внешнего (заземленного корпуса устройства) проводников через проводник с длиной, равной четверти длины волны сигнала.
Неправильно выбранная физическая модель. С этого момента становится уже интересно.
Коллеги исходили из значения электрической прочности (напряжения пробоя) сухого воздуха, которая составляет примерно 2 кВ/мм (см. например, инженерный справочник DVPA
). Следовательно, для того, чтобы получить напряжение пробоя 0,4 кВ, расстояние между электродами должно быть 0,2 мм.
Давайте посмотрим, что есть на эту тему в сети. На первой же странице поиска нашёл два подходящих графика.
Как видим шкала в обеих измерениях линейная и порядок напряжения пробоя действительно составляет порядка 2 кВ/мм, обратите внимание на зависимость его значения от частоты. Понятно, что эти графики относятся к технике высоких напряжениях и высоковольтным электроустановкам (электрические машины, трансформаторы, высоковольтные ЛЭП). Нас же интересуют гораздо меньшие напряжения и масштабы.
Пробой газов
Для газов характерен чисто электрический пробой в сильных электрических полях, приводящий к внезапному резкому возрастанию плотности электрического тока к моменту пробоя. Данный вид пробоя происходит за очень короткое время (порядка 10–8 с). Примером явления чисто электрического пробоя является молния.
Газы состоят из нейтральных молекул, а обязательным условием возникновения разряда в газах является наличие в них свободных зарядов – электронов и ионов. Рассмотрим процесс возникновения и исчезновения заряженных частиц в газе.
Когда электроны находятся на орбитах, ближайших к ядру, то потенциальная энергия атома минимальна. Такое состояние атома является устойчивым и называется нормальным. Переход одного или нескольких электронов с нормальных орбит на более удаленные от ядра называется возбуждением
атома. Энергию, необходимую для возбуждения, атом (молекула) может получить при столкновении с электроном или при поглощении коротковолнового излучения. Энергия возбуждения (
Wв
) равна разнице энергий электрона на удаленной и нормальной орбитах.
Время пребывания атома в возбужденном состоянии составляет примерно 10–10 с. Возвращение атома в нормальное состояние происходит самопроизвольно и сопровождается излучением фотона. Чем большую энергию получает атом при столкновении с электроном или при поглощении фотона, тем на более удаленную орбиту переходит электрон. Когда электрон удаляется от ядра настолько, что взаимодействие его с ядром практически исчезает, то электрон становится свободным. Происходит ионизация
атома, в результате которой образуются две независимые частицы: электрон и положительно заряженный ион. Энергия, которую необходимо сообщить атому (молекуле) для осуществления ионизации, называется
энергией ионизации
(
Wи
).
Энергии возбуждения и ионизации принято выражать в электрон-вольтах. 1 эВ – это энергия, которую электрон получает от электрического поля, пройдя разность потенциалов в 1 В. Минимальные энергии возбуждения и ионизации некоторых газов приведены в табл. 3.
Минимальные энергии возбужденияи ионизации некоторых газов
| Газ | Минимальная энергия, эВ | |
| возбуждения (Wв ) | ионизации (Wи ) | |
| N2 N O2 O H2O He | 6,1 6,3 7,9 9,1 7,6 19,8 | 15,5 14,5 12,5 13,6 12,7 24,6 |
Одновременно с ионизацией атомов и молекул газа происходит процесс взаимной нейтрализации заряженных частиц – рекомбинация
С увеличением количества заряженных частиц возрастает частота встреч частиц с противоположными знаками и скорость рекомбинации возрастает. Вследствие действия двух противоположных факторов – ионизации и рекомбинации – устанавливается равновесное состояние, при котором в единицу времени возникает и рекомбинирует одинаковое количество заряженных частиц.
При воздействии естественных ионизаторов (ультрафиолетовое излучение, радиоактивное излучение, тепло) в воздухе ежесекундно образуется около одной пары зарядов в кубическом сантиметре. Небольшое количество в газе положительных ионов и электронов, как и нейтральные молекулы газа, находится в беспорядочном (хаотичном) тепловом движении.
Если к промежутку между электродами в газе приложено напряжение, то заряженные частицы кроме тепловой энергии, приобретают под действием электрического поля направленную скорость. При этом заряженная частица газа приобретает дополнительную (кинетическую) энергию:
– заряд частицы,
Ul
– падение напряжения на длине свободного пробега (
l
).
Длина свободного пробега – это расстояние, которое преодолевает заряженная частица под действием внешнего электрического поля от одного до другого столкновения с нейтральными молекулами. Ионизация молекул в результате столкновения с разогнанными электрическим полем заряженными частицами называется ударной
ионизацией, а за счет захвата фотонов –
фотонной
.
Так как скорость электронов значительно больше скорости ионов, то ударная ионизация ионами малоэффективна и определяющей является ударная ионизация электронами.
Случайно появившийся в промежутке электрон при достаточной напряженности электрического поля может при столкновении ионизировать молекулу газа. Образовавшийся при этом свободный электрон вместе с начальным ионизирует новые молекулы и т.д. Такой процесс нарастания числа электронов, движущихся в электрическом поле по направлению к аноду, получил название лавины электронов.
Подвижность ионов значительно меньше, чем электронов, и за время развития лавины они практически не успевают переместиться в промежутке. Таким образом, после прохождения лавины электронов в газе остаются положительные, а в электроотрицательных газах и отрицательные ионы, которые искажают (уменьшают или увеличивают) внешнее электрическое поле в промежутке. Под действием электрического поля ионы сравнительно медленно движутся к электродам.
Помимо ионизации электроны лавины производят возбуждение атомов и молекул газа. Поскольку энергия возбуждения существенно меньше энергии ионизации, то число возбужденных частиц значительно больше, чем ионизированных. Переход возбужденных частиц в нормальное состояние сопровождается излучением фотонов, что наблюдается в виде свечения газа. Часть излученных фотонов имеет достаточно высокую энергию и принадлежит ультрафиолетовой области спектра.
При столкновении электрона с нейтральным атомом или молекулой возможен захват ими электрона и образование отрицательного иона. Газы, в которых возможно образование отрицательных ионов, называются электроотрицательными (кислород, фтор, хлор).
Для возникновения ударной ионизации необходимо, чтобы энергия электрона была больше энергии ионизации или равнялась ей (условие ионизации):
– энергия теплового движения частиц или собственная энергия молекулы или атома (обычно небольшая при нормальной температуре);
Wдоп
– дополнительная энергия, приобретенная электроном под действием внешнего электрического поля, определяемая по формуле (31).
Энергия ионизации для различных газов составляет 4÷25 эВ.
Падение напряжения на длине свободного пробега в однородном электрическом поле определяется по выражению:
– напряженность электрического поля, кВ/мм;
l
– длина свободного пробега электрона.
Тогда условие ионизации приобретает следующий вид:
– электрическая прочность газа, соответствующая напряженности электрического поля, при которой произошел пробой.
Пробой газа происходит практически мгновенно (при расстоянии между электродами 1 см время пробоя составляет порядка 10–8 с).
Электрическая прочность воздуха при нормальных атмосферных условиях (t
= 20 º
С
, относительная влажность
φ
= 60 %, давление
р
= 760 мм рт.ст.= 0,1 МПа) при расстоянии между электродами 10 мм в однородном электрическом поле составляет 3 кВ/мм. Следовательно, электрическая прочность воздуха не остается постоянной, т.к. зависит от температуры, влажности, давления, неоднородности электрического поля и расстояния между электродами.
С увеличением температуры энергия теплового движения молекул увеличивается и для их ионизации требуется меньшая дополнительная энергия. И хотя длина свободного пробега электронов уменьшается с возрастанием температуры вследствие увеличения скорости движения молекул, электрическая прочность воздуха снижается. Увеличение температуры на 3°С
приводит к уменьшению пробивного напряжения на 1 %.
Повышение влажности воздуха также приводит к уменьшению его электрической прочности. Увеличение абсолютной влажности воздуха в 1,5 раза приводит к уменьшению Uпрна 5 %.
Подъем на каждые 100 м над уровнем моря (уменьшение атмосферного давления) приводит к снижению пробивного напряжения на 1 %.
Следует отметить, что указанное влияние атмосферных условий на Uпр воздуха относится к межэлектродным расстояниям до одного метра. При расстоянии между электродами более 1 м влияние атмосферных условий снижается по мере увеличения расстояний.
Зависимость электрической прочности воздуха от давления приведена на рис. 29.
Рис.29. Зависимость электрической прочности воздуха от давления
Точкой отсчета для приведенной характеристики является нормальное атмосферное давление, равное 0,1 МПа (1 атм).
При давлениях, больших атмосферного, увеличивается плотность воздуха, следовательно, расстояние между молекулами становится меньше, что приводит к уменьшению длины свободного пробега электрона и дополнительной энергии, которую он приобретает до столкновения с молекулой. Поэтому электрическая прочность газов увеличивается при повышении давления, что делает эффективным использование сжатых газов в качестве изоляции в электрооборудовании (например, элегаза в высоковольтных выключателях).
При уменьшении давления вначале происходит уменьшение электрической прочности, что связано с увеличением длины свободного пробега электронов и, следовательно, увеличением их кинетической энергии, т.е. улучшаются условия возникновения ударной ионизации, а тем самым и условия пробоя.
При дальнейшем снижении давления и высокой степени разряжения Епр начинает возрастать. Это увеличение электрической прочности объясняется уменьшением числа молекул газа в единице объема и снижением вероятности столкновений электронов с молекулами.
«Полочка» в зависимости Епрот давления характеризует электрическую прочность вакуума. На первый взгляд кажется, что пробой вакуума не возможен, так как вакуум не содержит свободных носителей заряда, то есть является идеальным изоляционным материалом. В действительности, при достаточно большой напряженности электрического поля происходит пробой вакуума, что объясняется тем, что электрическое поле может вызвать холодную эмиссию электронов с поверхности металлических электродов. Поэтому электрическая прочность вакуума зависит от материала, из которого изготовлены электроды, и от состояния их поверхности. Высокие электроизоляционные свойства вакуума используются в вакуумных конденсаторах и вакуумных выключателях.
Явление пробоя воздуха зависит и от степени однородности электрического поля, в котором осуществляется пробой. Однородное электрическое поле можно получить между плоскими электродами с закругленными краями, а также между сферами при расстоянии между ними, соизмеримом с диаметром сферы.
В таком поле пробой наступает практически мгновенно при достижении напряжения строго определенной величины, зависящей от температуры и давления газа. Между электродами возникает искра, которая затем переходит в дугу, если источник напряжения имеет достаточную мощность.
Электрическая прочность также зависит от расстояния между электродами.
Электрическая прочность Епр увеличивается при уменьшении расстояния между электродами (h
= 0,1 мм и менее) (рис. 30). Это связано с тем, что при таких малых расстояниях свободные электроны и ионы не успевают приобрести энергию, достаточную для ударной ионизации молекул, и разряжаются, достигнув электродов.
Рис. 30. Зависимость электрической прочности воздуха при нормальном давлении в однородном электрическом поле от расстояния между электродами
Пробой газа в неоднородном электрическом поле отличается от пробоя в однородном электрическом поле как по величине пробивного напряжения Uпр, так, и по характеру развития самого процесса пробоя. Пробой газа в неоднородном поле, как правило, происходит при меньшем пробивном напряжении по сравнению с пробоем того же слоя газа в однородном электрическом поле. Неоднородное поле образуется между электродами, хоты бы один из которых имеет малую площадь, например, между острием и плоскостью, между проводами воздушных линий электропередач, между двумя остриями, между сферическими электродами при расстоянии между ними, превышающем диаметр сферы.
Особенностью пробоя газа в неоднородном электрическом поле является возникновение частичного разряда в виде короны в местах, где напряженность поля достигает критических значений, с дальнейшим переходом короны в искровой разряд и дугу при возрастании напряжения.
В газообразных электроизоляционных материалах в неоднородном постоянном электрическом поле проявляется эффект полярности. Это явление иллюстрирует рис. 31, на котором показана зависимость пробивного напряжения газа от расстояния между электродами типа «острие-плоскость». При прочих равных условиях, пробивное напряжение при положительной полярности острия существенно ниже, чем при отрицательной.
Рис. 31. Эффект полярности в газообразных диэлектриках: 1 – положительная полярность иглы; 2 – отрицательная полярность иглы.
Этот эффект вызван тем, что в неоднородном электрическом поле в месте наибольшей неоднородности, т.е. вблизи острия, возникают положительные объемные заряды. Эти заряды создают электрическое поле, напряженность которого при положительной полярности острия направлена согласно с напряженностью внешнего электрического поля (объемный положительный заряд является как бы продолжением острия) и пробой наступает при меньшем напряжении.
Напряжение пробоя воздуха.
| Страница 1 из 2 | [ Сообщений: 25 ] | На страницу 1 , 2 След. |
| JLCPCB, всего $2 за прототип печатной платы! Цвет — любой! Зарегистрируйтесь и получите два купона по 5$ каждый:https://jlcpcb.com/cwc Сборка печатных плат от $30 + БЕСПЛАТНАЯ доставка по всему миру + трафарет Обобщив богатый опыт и ноу-хау в сфере силовой электроники, компания Infineon представляет CoolSiC™ MOSFET. Мы сделали подборку статей о технологии CoolSiC™, которая поможет вам вывести КПД и надёжность ваших устройств силовой электроники на высочайший уровень! SoC BlueNRG-LP — новая микросхема от STMicroelectronics со встроенным микроконтроллером Cortex®-M0+ и приемопередатчиком BLE. В данной статье мы рассмотрели режимы пониженного потребления и программную поддержку пониженного энергопотребления в программном пакете BlueNRG-LP DK, процедуру обновления прошивки по эфиру с помощью специального BLE-сервиса, особенности работы UART-загрузчика с функцией защиты памяти, и другое. Последний раз редактировалось Yarik9610 Пн фев 20, 2012 18:34:12, всего редактировалось 1 раз. Вообще, пробой воздуха довольно сложное явление, какие-либо количественные измерения ещё более сложны. Почитайте о том, какие бывают разновидности электрических разрядов в газах. Это довольно увлекательно и познавательно. И ты врёшь. © между острыми электродами напряжение нужно гораздо меньше. И ты врёшь. © Пробой воздушного промежуткаПробой воздушного промежутка является следствием ударной ионизации. Напряженность электрического поля, при которой возникает ударная ионизация, приводящая к образованию электронных лавин, называется начальной напряженностью. Вследствие различной подвижности электронов и положительных ионов, образующихся под действием ударной ионизации, в промежутке возникает объемный заряд, который искажает электрическое поле. При дальнейшем повышении напряжения, приложенного к промежутку, происходит пробой, причем на пробивное напряжение существенное влияние оказывает степень неоднородности электрического поля. В случае электродов, образующих близкое к однородному электрическое поле при небольших разрядных промежутках, возникновение ударной ионизации мгновенно приводит к пробою промежутка, то есть пробой воздуха происходит без развития дополняющих пробой процессов. В таких условиях пробивное напряжение совпадает с начальной напряженностью поля. Для неоднородного электрического поля характерным является наличие трех стадий развития пробоя воздуха. По сравнению с однородным полем начальное напряжение здесь значительно ниже. В результате ударной ионизации в местах с максимальной напряженностью поля возникает коронный разряд (локальная ионизация), сопровождающийся свечением. С повышением напряжения коронный разряд переходит в кистевой, при котором свечение не концентрируется вокруг электрода, а распространяется в виде отдельных пучков, исходящих из одного электрода, но не доходящих до другого. При дальнейшем увеличении напряжения кистевой разряд замыкает оба электрода. Между электродами образуется искра, свидетельствующая о полном пробое воздушного промежутка. Если мощность источника напряжения достаточна, то искра переходит в электрическую дугу. Развитие указанных выше процессов приводит к заметному снижению пробивного напряжения воздушного промежутка по сравнению с однородным электрическим полем при прочих равных условиях. Электрическая прочность воздушных промежутков зависит не только от степени неоднородности электрического поля, но и от температуры, давления и влажности воздуха. Например, амплитудное значение пробивного напряжения Uпр воздуха при частоте 50 Гц в однородном поле, МВ, определяется по эмпирической формуле:
Наибольшая степень неоднородности электрического поля присуща системам стержень – плоскость и стержень – стержень. Источник Adblockdetector |