Общая характеристика газовой изоляции
Фактическая электрическая прочность многих изоляционных конструкций определяется электрической прочностью воздуха, знание которой приобретает принципиальное значение. Основным недостатком газовой изоляции является её низкая электрическая прочность. Электрическая прочность возрастает с увеличением давления и при глубоком вакууме. С точки зрения изоляции газ должен удовлетворять следующим требованиям: - быть химически инертным и при ионизации не должен выделять химически активных элементов; - обладать низкой температурой сжижения; - обладать большой электрической прочностью и высокой теплопроводностью; - иметь низкую стоимость. В последнее время серьёзное внимание уделяется различным газам, имеющим электрическую прочность значительно большую, чем у воздуха. Относительная электрическая прочность некоторых из этих газов приведена в таблице 4.4.
Таблица 4.4 - Электрическая прочность газовой изоляции
Широкое применение в качестве изолирующей среды получили фреон и элегаз, недостатком которых является выделение при ионизации химических веществ, вызывающих коррозию металлических деталей конструкции, и большая стоимость. Идеальный газ абсолютно не проводит электрического тока, так как состоит из нейтральных молекул. В реальных газах за счёт внешних воздействий (космические лучи, ультрафиолетовое излучение солнца, радиоактивное излучение почвы и т.п.) имеется определённое количество ионов и электронов, сообщающих газу проводимость. При приложении к газовому промежутку с плоскими электродами постоянного напряжения обеспечивается направленное движение ионов вдоль силовых линий поля, создающих ток в цепи (рисунок 4.16). На участке 0–1 при повышении напряжения ток возрастает за счёт ионов, большая часть которых достигает электродов, не рекомбинировав в промежутке. При возрастании напряжения наступает режим насыщения (участок 1 – 2), когда ионы в промежутке не рекомбинируют. Участок 2–3 свидетельствует о начавшемся процессе ионизации в газе под действием электрического поля и характеризуется увеличением тока. Скачкообразное увеличение тока при некотором напряжении (U0), называемом разрядным напряжением, свидетельствует о качественном изменении состояния газа, и он из диэлектрика превращается в проводник.
Рисунок 4.16 – Зависимость тока в газе от приложенного напряжения Известно, что высокую проводимость газ может приобретать только в особом состоянии, называемом плазмой. Плазма – это квазинейтральный газ (четвёртое состояние вещества), когда значительная часть молекул газа ионизирована. Количество положительных и отрицательных зарядов в единице объёма плазмы практически одинаково, причём носителями положительных зарядов являются ионы, а носителями отрицательных зарядов – ионы и электроны. Таким образом, разряд в газе сопровождается переходом в состояние плазмы всего пространства между электродами или его части. Устанавливающийся при этом в промежутке режим может приобретать различные качества в зависимости от вида электродов, мощности источника и давления газа. Можно назвать следующие основные виды разряда: Тлеющий разряд возникает в промежутке при малых давлениях газа, когда плазма даже при высокой степени ионизации не может приобрести большую проводимость из-за недостаточного числа молекул газа в единице объёма. Тлеющий разряд обычно занимает всё пространство между электродами (газосветные трубки, лампы дневного света). Искровой разряд образуется в промежутке при достаточно больших давлениях газа (р.) и расстояниях между электродами (pS > 1000 см ×мм рт.ст.) в случае, если мощность источника питания невелика, или если напряжение приложено к промежутку на очень короткое время. Дуговой разряд является последующей стадией искрового разряда при большой мощности источника. Проходящий через промежуток большой ток способствует разогреву канала проводящей плазмы и дальнейшему возрастанию его проводимости. Процесс дугового разряда достаточно длительный и характеризуется высокой температурой и значительной степенью ионизации газа. Коронный разряд является своеобразной формой разряда, характерной для резко неоднородных полей, когда ионизация возникает только в небольшой области возле электродов. При этом между электродами промежутка не возникает сквозного проводящего канала, что исключает возможность прохождения большого тока независимо от давления газа и мощности источника. Таким образом, образование коронного разряда не означает полной потери газовым промежутком изолирующих свойств. Общие сведения об основных процессах ионизации в газах. Для ионизации молекулы газа, т.е. удаления из неё одного электрона, необходимо затратить определённую энергию, которая называется энергией ионизации Wu. Эту работу принято измерять с помощью разности потенциалов Uu, проходя которую в электрическом поле электрон приобретает энергию, равную энергии ионизации. Величина Uu называется потенциалом ионизации и численно равна энергии ионизации, выраженной в электрон-вольтах (эВ). Энергия в 1 эВ равна совершаемой электрическим полем работе по перемещению электрона между двумя точками, разность потенциалов между которыми равна 1 В. Так как заряд электрона q= 1,6 ×10-19 К, то 1 эВ = 1,6×10-19, 1Дж=1,6×10-12эрг. Чтобы помимо первого электрона удалить из молекулы газа еще один электрон, требуется совершить значительно большую работу, поэтому соответствующий второй потенциал ионизации больше первого. Процесс называется возбуждением, когда молекуле газа сообщается энергия, меньшая энергии ионизации, и внешний электрон, не покидая пределов молекулы, переходит на более высокий энергетический уровень. Образованные в процессе ионизации электроны могут присоединяться к нейтральным атомам с образованием отрицательных ионов или существуют в газе в свободном состоянии. В ряде газов (хлор, фтор, кислород и другие) отрицательные ионы легко образуются и представляют собой прочные соединения. Такие газы называются электроотрицательными. При столкновении положительного иона со свободным электроном или отрицательным ионом возможна их рекомбинация с выделением энергии в виде излучения с определённой длиной волны. Таким образом, ионизационные процессы в газе сопровождаются выделением большого числа фотонов, обладающих различными энергиями. Различают следующие виды процессов: ударная ионизация, фотоионизация, термическая ионизация, поверхностная ионизация. Ударная ионизация. Частица массой m, летящая со скоростью u, сталкивается с нейтральным атомом или молекулой. Кинетическая энергия этой частицы может быть затрачена на совершение акта ионизации, если выполнено условие (4.74) Кинетическая энергия электрона, пролетевшего путь х в поле напряжённости Е, будет равна Приравнивая эту энергию к потенциалу ионизации Uu, можно определить длину пробега, которую электрон должен пролететь свободно, чтобы ионизировать молекулу (4.75) Эти формулы отражают упрощенную картину ионизации и возбуждения. В действительности ионизация и возбуждение происходят при накоплении кинетической энергии на пути, в течение которого происходит несколько столкновений с молекулами (рисунок 4.17).
Рисунок 4.17 – Схема ударной ионизации Фотоионизация – это так называемая ионизация в результате поглощения молекулой квантов лучистой энергии - фотонов [коротковолновое излучение (рисунок 4.18)].
Рисунок 4.18 – Схема фотоионизации
Энергия фотона выражается как W = hv. Условие ионизации и возбуждения и (4.76) где h = 6,6×10-27 эрг×с; n – частота электромагнитной волны. В газовом разряде источником фотонов, способных к ионизации, служит не только внешнее излучение, но и сами молекулы, участвующие в газовом разряде (рисунок 4.19). Процесс ионизации вторичными фотонами играет решающую роль в формировании искрового разряда. Термическая ионизация. Как известно, температура есть мера кинетической энергии хаотического движения (теплового) молекул и свободных электронов. Величина кинетической энергии для молекул определяется (4.77) где k =1,37×10-16эрг/ К.
Рисунок 4.19 – Схема фотоионизации вторичными фотонами Очевидно, что при достаточно высокой температуре становится возможной ионизация в результате столкновения молекул с электронами. Степень ионизации может быть вычислена по формуле Саха (4.78) где – степень ионизации; р – давление, мм.рт.ст. В воздухе уже при Т = (2 -104)К практически все молекулы ионизированы. Если интенсивность ионизации определяется только температурой газа, то рекомбинация происходит тем более энергично, чем больше ионизированных частиц. Поэтому для каждой температуры существует определённое состояние равновесия, при котором число возникающих и рекомбинирующих частиц в единицу времени равно друг другу. Поверхностная ионизация. Ранее появление в газе свободных электронов и ионов связывалось с процессами объёмной ионизации, то есть с ионизацией газа, находящегося в пространстве между электродами. Электроны в газе могут появляться и путём эмиссии с катода. В металле свободные электроны находятся в электрическом поле положительных ионов, образующих кристаллическую решётку. Поверхность металла создает потенциальный барьер, который удерживает свободные электроны внутри металла. Для выхода электроны должны получить энергию, достаточную для преодоления поверхностного потенциального барьера (энергия выхода). Потенциалы поверхностной ионизации меньше потенциалов объёемной ионизации газов. Для развития газового разряда основное значение имеет поверхностная ионизация с катода, так как электроны с анода вновь притягиваются к аноду и поглощаются им, а с катода удаляются силами электрического поля. Энергия, необходимая электрону для выхода из металла, может сообщаться ему различными способами: Поверхностная ударная ионизация – бомбардировка поверхности катода положительными ионами. Чтобы освободить электрон, ион должен пролететь путь (4.79) Поверхностная фотоионизация (фотоэлектронная эмиссия). Для однократной поверхностной ионизации необходимо выполнение условия (4.80) Термическая эмиссия – за счёт нагрева катода. Широко применяется в радиолампах. Автоэлектронная эмиссия (холодная эмиссия) – электроны образуются под действием сил электрического поля, т.е. вырываются из катода при напряжённости вблизи катода Е » 106 В/см. Коэффициент ударной ионизации электронами. Накопление энергии электронами и ионами происходит главным образом на пути между двумя последними столкновениями, то есть на пути свободного пробега данной частицы. Из кинетической теории газов известно, что средняя длина свободного пробега l обратно пропорциональна давлению газа и прямо пропорциональна его температуре. Поскольку температура в нормальных условиях изменяется в довольно узких пределах, положим её постоянной, а в дальнейшем будем вводить поправку, учитывающую изменение температуры. При неизменной температуре (4.81) где А – коэффициент, зависящий от вида газа и величины температуры, принятой неизменной; р – давление газа. Действительная длина свободного пробега может сильно отличаться от средней при хаотическом движении. Однако, если средняя длина свободного пробега недостаточна для накопления энергии для ионизации, это не означает, что ионизация в газе будет отсутствовать вовсе. Предположим, что из точки х = 0 вдоль оси х вылетело n 0 частиц. Число частиц, по мере движения не испытывающих ни одного столкновения n, будет уменьшаться. Общее число столкновений на пути dx равно убыли числа нестолкнувшихся частиц dn (4.82) где – число столкновений, испытанных каждой частицей. Разделяя переменные и интегрируя в пределах от n 0 до n и от 0 до х, получаем (4.83) где – доля частиц, пролетевших без столкновения путь х или больше, для которых, следовательно, фактическая длина свободного пробега равна или больше х; – вероятность того, что действительная длина свободного пробега равна или больше х. Зная вероятность различных длин свободного пробега, нетрудно количественно оценить ионизацию, осуществляемую электронами или ионами. Назовём коэффициентом ударной ионизации электронами a число ионизаций, осуществляемых электроном на единичном пути вдоль силовых линий электрического поля. При определении коэффициента ударной ионизации обычно делают следующие допущения: - электрон не производит ионизации, если его энергия меньше энергии ионизации Wu , и ионизирует, если его энергия больше Wu; - при столкновении отдаёт полную энергию и начинает движение с нуля; - траектория движения электрона совпадает с направлением поля. Эти допущения грубые, однако с их помощью удаётся наглядно получить аналитическую формулу для определения коэффициента a, которая при правильном подборе коэффициентов даёт удовлетворительное совпадение с экспериментом. Энергия к концу свободного пути электрона равна Eqx. Чтобы прошла ионизация Eqx³ Wu , электрон должен перед ионизацией пролететь путь При средней длине свободного пробега l вероятность того, что электрон пролетит перед столкновением путь х uили больше, равна . Общее число столкновений на единице пути равно . Тогда число ионизирующих столкновений на единице пути Учитывая, что и и, обозначая можно получить , или в общем виде . Это подтверждается экспериментально и свидетельствует о том, что при неизменном отношении (4.84) Электронная лавина. Рассмотрим ионизационные процессы в газовом промежутке между двумя электродами. Если напряжённость электрического поля достигает значения, при котором возможна ударная ионизация, то в поле возникают лавинные процессы, в которых происходит размножение заряженных частиц – электронов и ионов. Предположим, что в некоторой точке поля с напряжённостью Е возник свободный электрон с энергией, достаточной для ионизации газа. Электрон может возникнуть, например, в результате фотоионизации молекул каким-либо внешним ионизатором. Первое ионизирующее столкновение с молекулой приведёт к образованию одного положительного иона и двух электронов. Разгоняясь в электрическом поле, каждый из электронов может ионизировать молекулу, что приводит к образованию уже 3 ионов и 4 электронов и т.д. Такой постепенно усиливающийся поток электронов получил название лавины (рисунок 4.20). Выведем соотношение, которое количественно характеризует лавину электронов в равномерном поле. Число электронов в головке лавины нетрудно определить, если неизвестны коэффициент ударной ионизации a и закон изменения электрического поля вдоль траектории движения лавины. Допустим, что на расстоянии х образовалось nэлектронов. Каждый из них на пути dx производит a dx ионизации. Все электроны произведут n a dx ионизации. Следовательно, увеличение электронов на пути dx будет равно или Тогда (4.85)
Для однородного поля, в котором напряжённости в любой точке одинаковы, получим (4.86)
Рисунок 4.20 – Схема образования лавин В результате лавинообразования электронов распределение зарядов в лавине должно быть резко неравномерным. При достаточно большом пробеге лавины заряды приобретают значительную величину и в сильной степени могут искажать электрическое поле между электродами. На рисунке 4.21 показано равномерное поле с лавиной, распределение зарядов в лавине, их продольные составляющие напряжённости поля, создаваемые этими зарядами и результирующая напряжённость электрического поля.
Рисунок 4.21 – Искажение поля между плоскими электродами объёмными зарядами начальных лавин Характерным является резкое увеличение напряжённости поля перед головкой лавины и спад позади головки. Это искажение поля способствует излучению лавиной фотонов, обладающих большой энергией. Известно, что рекомбинация ионов происходит наиболее интенсивно при незначительной скорости заряженных частиц противоположных знаков, т.е. в слабых электрических полях. Такие условия соблюдаются в области пониженной напряжённости, где, следовательно, будут образовываться фотоны с энергией, равной энергии ионизации газа.
Популярное: Почему стероиды повышают давление?: Основных причин три... Личность ребенка как объект и субъект в образовательной технологии: В настоящее время в России идет становление новой системы образования, ориентированного на вхождение... Почему человек чувствует себя несчастным?: Для начала определим, что такое несчастье. Несчастьем мы будем считать психологическое состояние... ©2015-2024 megaobuchalka.ru Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. (428)
|
Почему 1285321 студент выбрали МегаОбучалку... Система поиска информации Мобильная версия сайта Удобная навигация Нет шокирующей рекламы |