Лабораторно упражнение №4

1 Цел на упражнението

  Да се запознаят студентите с методите за определяна на електрическата якост на въздуха при променливо напрежение с промишлена честота, както и с влиянието на конфигурацията на електрическото поле върху разряда.

2 Теоретична обосновка

   При нормални условия газовете са изолатори. В тях практически няма свободни заредени частици, които биха се движили под действието на електрическо поле. Затова, ако в газ се създаде електрическо поле, през него не протича електрически ток.

   Ако се свърже електрическа верига в която са включени въздушен кондензатор, източник на ЕДН и галванометър, то тогава електрически ток през веригата няма да протича.

фиг.1.

2.1 Ударна йонизация

  Разрядът в газове се дължи на ударна йонизация за която е необходимо кинетичната енергия на електроните, ускорени от електрическото поле, да бъде по-голяма от енергията на йонизация на газа.

   Кинетичната енергия на електрона W_e e:

W_e=E.e.λ

Е - интензитет на електрическото поле;

е - заряд на електрона;

λ - среден свободен пробег на електрона;

  Енергията на йонизация на газовете W_йон е:

W_йон=U_йон.е

U_йон - йонизационен потенциал на газа, който за различните газове е от 4 до 25 eV.

От двете уравнения се получава условието за ударна йонизация:

E.λ≥U_йон

2.2 Механизъм на протичане на ударна йонизация

  При високи напрежения между електроди, токът в газа който се намира между тях рязко нараства. Това е вследствие, че възникналите под действието на външни йонизатори електрони, силно ускорени под действието на електрическо поле се сблъскват с неутралните молекули на газа и ги йонизират. В резултат на това се образуват вторични електрони и положителни йони (процес 1, фиг.2.). Положителните йони се движат към катода, а електроните към анода.

Фиг.2.

   Вторичните електрони отново йонизират молекулата на газа, и следователно общото количество на електроните и йоните нараство, като електроните се придвижат към анода лавинообразно. Това се явява причина за увеличаване на електрическият ток в газа.

   Описаното явление са нарича ударна йонизация.

  Обаче, ударната йонизация под действието на електроните не е достатъчна за поддържане на разряда в газа при премахване на външният йонизатор. За това е необходимо в газа под действието на каквито и да е процеси да се възпроизвежда възникването на свободни електрони. Тези процеси са следните:

- ускорени от електрическото поле положителни йони се удрят в катода и избиват от него нови електрони (процес 2);

- положителни йони,сблъсквайки се с неутрални молекули нагаза ги довеждат до възбудено състояние. Прехода на тази молекула от възбудено в основно състояние е съпроводено с отделянето на фотони (процес 3);

- неутрална молекула поглъща фотон, в резултат на което протича процеса фотойонизация на молекула (процес 4).

- избиването на електрони от катода под действието на фотони (процес 5);

- при значителни напрежения между електродите, във вуздушната междина настъпва момент когато положителните йони имат значително по-малък свободен пробег, в резултат на което електроните придобиват  енергия, достатъчна за йонизация на молекулата на газа. (процес 6). 

2.3 Разрядно напрежение и електрическа якост

  Когато в междуелектродното пространтство се получава напълно проводяща газоразрядна плазма настъпва пробив (разряд).

   Стойността на напрежението, при което настъпва разряд в газовете се нарича разрядна напрежение U_p, а съответният интензитет на електрическото поле Е_р се нарича електрическа якост и се определя с израза:

h - разстояние между електродите;

   При синусоидално напрежение с честота 50 Hz в равномерно поле, разстояние между електродите 1 сm и нормални атмосферни условия електрическата якост на въздуха изчислена в максимална стойност на напрежението е 3,17 MV/m.

2.4 Зависимост на разрядното напрежение и електрическата якост от конфигурацията на електродите.

  За оценка на електрическата якост е необходимо да се извърши пробив в еднородно електрическо поле. В този случай разрядното напрежение U_p е пропроционално на електрическата якост Е_р.

фиг.3.

а) цилиндричен; б) полусферичен; в) плосък;

  За получаване на електрическо поле близко до еднородното се използват електроди "плоскост - плоскост" или "сфера - сфера".

  За получаване на нееднородно електрическо поле се използват електроди "острие - острие" и "острие плоскост".

3 Опитна постановка

За определяна на електрическата якост на въздуха се използва уредба АИИ - 70, с принципна схема, показана на фиг.1.

фиг.1.

   Схемата се състои от два блока: нисковолтов и високоволтов. Нисковолтовия блок обхваща главен прекъсвач (ГП), автотрансформатор (АТ), автоматичен прекъсвач с максималнотокова и термична защита. Чувствителността на защитата се избира с превключвател. Напрежението се измерва с волтметър с две скали, съответна ефективна и максимална.

   Високоволтовия блок се състои от повишаващ трансформатор (Т) с коефициент на трансформаци к_v =500, токоограничаващо съпротивление R_защ =50 кΩ и искрова междина ( ИМ - обект на изпитване).

   При разряд автоматичният прекъсвач изключва изключва захранването на високоволтовия трансформатор, но показанията на волтметъра се запазват. Вратата на предпазното съоражение е снабдена с електромеханична блокировка, контактите на която прекъсват веригата на захранващото напрежение.

  Повишаването на напрежението с АТ трябва да се извършва плавно със скорост 1-2 kV/s. При разряд в диелектрика, уредбата се изключва автоматично, което се сигнализира от сигналните лампи на пулта за управление.

  Електродите, които са сменяеми, са монтирани на стойка, като разстоянието между тях се променя дистанционно и се отчета по скала, поставена на стойката. Скалата е в сантиметри.

4 Задание за работа

I.Да се снемат зависимостите на разрядното напрежение при 50 Hz за въздух във функция от разстоянието между електродите U_p=f(h) при:

- слабо неравномерно поле създадено от електроди плоскост - плоскост иили сфера - сфера;

- силно неравномерно поле при електроди острие - острие или острие - плоскост;

За всяко разстояние между електродите да се направят по 5 измервания и да се пресметнат средноаритметичните стойности от тях, като получените резултати да се нанесат в таблица.

II. Да се изчисли електрическата якост Е_р за всяко разстояние между електродите и при различна конфигурация на полето. Рузултатите да са нанесат в таблица.

III. Да се построят в отделни координатни системи зависимостите U_p=f(h) и E_p=f(h).