Развитие разряда в неоднородном поле
Слабонеоднородные и резконеоднородные поля. Характерной особенностью неоднородного поля является неравномерное распределение напряжённости поля в пространстве. Наибольшая величина напряжённости имеет место у электрода с наименьшим радиусом кривизны. Если электроды одинаковой формы, то наибольшая напряжённость будет у электродов, а наименьшая – в середине между электродами.
Рисунок 4.25 – Примеры неоднородных полей Степень неоднородности электрического поля характеризуется отношением максимальной напряженности (Ем) к средней напряжённости поля . Для однородного поля , а в неоднородных полях он увеличивается при увеличении расстояния между электродами и уменьшении их радиуса кривизны. Неоднородность электрического поля может оказать существенное влияние на развитие разряда между электродами. В зависимости от степени неоднородности в промежутке возможны три случая возникновения самостоятельного разряда: - начальная лавина пересекает весь промежуток, и после этого образуется анодный стример; - начальная лавина пересекает часть промежутка, но после образования стримера напряжённость в остальной части пространства обеспечивает распространение этого стримера вплоть до противоположного электрода; - начальная лавина пересекает незначительную часть пространства, и образовавшиеся стримеры не могут распространиться до противоположного электрода. Самостоятельный разряд, охватывающий только часть пространства, прилегающую к электроду с малой кривизной, называется коронным разрядом. Для осуществления полного пробоя промежутка в этом случае необходимо напряжение поднять значительно выше напряжения зажигания самостоятельного разряда. Первые два случая принято называть слабонеоднородными полями. В них корона не возникает и выполнение условия самостоятельности разряда приводит всегда к полному пробою промежутка. Третий случай соответствует резконеоднородным полям, в которых напряжение пробоя значительно выше напряжения короны и сильно сказывается влияние полярности электродов. Четкой границы между ними нет. Однако можно принять для слабонеоднородных полей коэффициент неоднородности К < 2, а характерные особенности развития разряда в резконеоднородных полях начинают чётко проявляться при К > 4. В однородных полях при напряжении меньше разрядного ионизация в промежутке практически отсутствует. Поэтому начальная лавина в однородном поле развивается практически при отсутствии объёмного заряда. Приблизительно такие же условия имеют место и в слабонеоднородных полях. В резконеоднородных полях условия развития разряда совершенно иные. Так, например, в цилиндрическом конденсаторе r= 0,1 и R= 5 см напряжение пробоя U пр = 90 кВ, а напряжение короны U к = 30 кВ, что соответствует напряжённости на внутреннем электроде 230 и 77 кВ/см. Поэтому даже при напряжении в 2 раза меньше коронного и в 6 раз меньше разрядного напряжённость превышает 30 кВ/см. Если напряжение увеличивается медленно, то ещё задолго до появления короны в непосредственной близости от внутреннего электрода будет происходить довольно интенсивная ионизация (несамостоятельный разряд) Объёмные разряды, создаваемые предварительной ионизацией, оказывают существенное влияние на дальнейший процесс, и с ними необходимо считаться. Пересечение стримером при любой полярности всего межэлектродного промежутка обеспечивает полный пробой, но не является последней стадией разряда. Канал стримера является проводящим и напряжённость поля в канале невелика. Поэтому стример является как бы продолжением стержня, и его головка имеет потенциал, близкий к потенциалу стержня. Когда стример приблизится к противоположному электроду достаточно близко, напряжённость поля в непробитой части сильно возрастает и возникает весьма интенсивная ионизация, превращая этот промежуток в плазму с высокой проводимостью (плотность ионов больше чем в канале стримера). Напряжённость поля на границе вновь образованного канала возрастает и приводит к распространению зоны интенсивной ионизации по направлению к стержню (рисунок 4.26). Этот процесс называют обратным или главным разрядом. Обратный разряд развивается в направлении к стержню с очень большой скоростью ~ 109 см/с. Он обеспечивает создание канала высокой проводимости, через который начинает проходить ток короткого замыкания источника. Переход стримера в искровой разряд в длинных воздушных промежутках. Лидерная стадия заряда. В воздушных промежутках (единицы и десятки метров) разряд приобретает новые качественные особенности. Проводимость стримеров уже недостаточна для создания хорошего проводящего канала между электродами, и по следу одного из стримеров возникает разряд в новой, так называемой лидерной форме. Схема развития положительного лидера (по Стекольникову) представлена на рисунке 4.27.
Рисунок 4.26 – Стадии развития обратного разряда и распределение продольной напряженности электрического поля в канале
Рисунок 4.27 – Схема развития положительного лидера (по Стекольникову): а – распространение лидера по каналу стримера m к; у головки стримера происходит образование новых лавин; б – завершение переработки канала стримера в лидер; в – образование нового стримера к1 и новых лавин
Рисунок 4.28 – Последовательность стадий разряда в однородном и резконеоднородном полях Когда лидерный канал достигает конца стримера, наступает пауза. Высокие напряженности на конце лидера приводят к образованию нового стримера, продолжающего разрядный канал. В длинных воздушных промежутках разряд происходит при пониженных напряжённостях поля, порядка Ер = (1–2) кВ/см. Это свойство лидерного разряда создаёт трудности в построении ЛЭП сверхвысокого напряжения. В длинных воздушных промежутках (сотни и тысячи метров) между облаком и землёй возникает молния. Гипотеза М. В. Ломоносова (1753 г.), считавшего молнию как разряд атмосферного электричества на землю или между облаками, лежит в основе современных теорий развития грозы. Различают три типа гроз: фронтальные, тепловые и зимние. Последние являются редким явлением, причина которых заключается в фотоионизации кристалликов льда в верхних слоях атмосферы. Электрический разряд между заряженными областями грозового облака и землёй может происходить в виде линейной, шаровой молний и тихого разряда (рисунки 4.29, 4,30).
Рисунок 4.29 – Типичное распределение зарядов внутри грозового облака Линейная молния в основных чертах подобна электрическому разряду между электродами генератора импульсных напряжений (ГИН). Она отмечается наиболее часто и является источником возникновения атмосферных перенапряжений. Шаровая молния изучена в настоящее время недостаточно. Тихий разряд (огни Святого Эльма) возникает на острых возвышающихся предметах во время грозы при высокой напряженности электрического поля над поверхностью земли или над мачтами судов в открытом море. Схема развития лидера линейной молнии приведена на рисунке 4.31. Прорастание канала нисходящего лидера до поверхности земли является завершением начальной стадии развития молнии – создания непрерывного проводящего канала от заряженной части облака к земле. В ряде случаев объёмный заряд начинает стекать по каналу в землю, приводя к новому этапу – главной стадии разряда. Процесс превращения канала лидера в канал главной стадии распространяется от земли к облаку с большой скоростью. Яркое свечение канала главной стадии и воспринимается глазом как вспышка молнии, а быстрое расширение газа при нагреве током главной стадии, его последующее охлаждение и сжатие порождает акустическую волну – гром молнии. Рисунок 4.30 – Схема образования шаровой молнии
Рисунок 4.31 – Схема развития лидера молнии Барьеры в резконеоднородном поле. В резконеоднородном поле прочность промежутка может быть повышена введением в разрядный промежуток барьера. Барьером называется тонкая пластинка из изолирующего материала, которая устанавливается в газовом промежутке (или масляном). В газовом промежутке, о котором шла речь раньше, электрическая прочность барьера не играет существенной роли. Поэтому с успехом может быть использована в качестве барьера плотная бумага. Значительное влияние барьера в газовой среде на электрическую прочность промежутка связано с изменением пространственного объёемного заряда, создающегося в процессе развития ионизации. Рассмотрим вначале промежуток остриё - плоскость при положительной полярности острия. При установке барьера положительные ионы задерживаются барьером и растекаются по его поверхности. Распределение ионов по барьеру оказывается тем равномернее, чем дальше от стержня расположен барьер. Напряжённость поля во внешней области, как и прежде, будет увеличиваться, но теперь это повышение напряжённости распространяется по всему внешнему пространству более равномерно и сильного повышения напряжённости на барьере не происходит. Поэтому при положительной полярности стержня барьер, установленный вблизи у стержня, но не в непосредственной близости от него, приводит к значительному увеличению напряжения. Иначе дело обстоит при отрицательной полярности острия. Электроны тормозятся барьером и большинство из них вместе с атомами кислорода образуют отрицательные ионы, распространяющиеся по поверхности барьера. Таким образом, барьер способствует созданию концентрированного отрицательного объёмного заряда, который при отсутствии барьера, как мы отмечали ранее, имел меньшую величину (часть доходила до плоскости) и был рассеян в пространстве. Поэтому, если раньше играл основную роль положительный объёмный заряд, который ослаблял напряжённость во внешнем поле, теперь эту роль играет отрицательный сконцентрированный заряд, который увеличивает напряжённость во внешнем поле. Следовательно, при отрицательной полярности острия установленный барьер в середине промежутка должен уменьшать разрядное напряжение. Эксперименты показывают, что при расположении барьера в середине промежутка разрядные напряжения при положительной и отрицательной полярности приблизительно одинаковы. Можно считать, что в этом случае прочность всего промежутка в значительной мере определяется прочностью промежутка между барьером и плоскостью, обладающей относительно однородным полем.
Рисунок 4.32 – Распределение напряжённости поля в промежутке «положительный стержень – отрицательная плоскость» при наличии барьера При расположении барьера вблизи острия при положительной полярности объёмный заряд распределяется неравномерно, напряжённость поля на барьере оказывается довольно большой и достаточной для ионизации по другую сторону. Положительные ионы, образующиеся там, не задерживаются барьером и способствуют развитию разряда в глубь промежутка. При отрицательной полярности барьер не может задерживать электроны, летящие с большой скоростью, и значительного отрицательного заряда на барьере не возникает. Положительные ионы, созданные при ионизации по другую сторону, заряжают барьер положительно и приводят к большему уменьшению поля во внешней среде. Поэтому при отрицательной полярности расположение барьера вблизи к острию может привести к незначительному возрастанию разрядного напряжения. Наличие пор в результате пробоя может полностью уничтожить его положительное действие. При переменном напряжении пробой происходит во время полупериода той полярности, при которой разрядное напряжение ниже. Поэтому при промышленной частоте влияние барьеров такое же, как и при постоянном напряжении положительной полярности.
Популярное: Генезис конфликтологии как науки в древней Греции: Для уяснения предыстории конфликтологии существенное значение имеет обращение к античной... Как распознать напряжение: Говоря о мышечном напряжении, мы в первую очередь имеем в виду мускулы, прикрепленные к костям ... Почему человек чувствует себя несчастным?: Для начала определим, что такое несчастье. Несчастьем мы будем считать психологическое состояние... Почему стероиды повышают давление?: Основных причин три... ©2015-2024 megaobuchalka.ru Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. (1029)
|
Почему 1285321 студент выбрали МегаОбучалку... Система поиска информации Мобильная версия сайта Удобная навигация Нет шокирующей рекламы |