7.5 Електрофізичні методи вимірювань великих струмів і високих напруг

Електрофізичні методи засновано на використанні стабільних фізичних ефектів і явищ, що мають місце при взаємодії електромагнітних полів з частинками речовини (молекули, іони, електрони, атомні ядра). Такі методи забезпечують високоточне абсолютне вимірювання струмів і напруг, результати якого не залежать від зовнішніх факторів, якщо взаємодії відбуваються на атомному або ядерному рівнях. Безпосередньо вимірюваною величиною при використанні електрофізичних методів є час, частота або довжина, відтворення і вимірювання яких проводяться з найбільшою точністю.

7.5.1 Газорозрядний метод

Газорозрядний метод вимірювань максимальних значень постійних, змінних і імпульсних напруг засновано на виникненні самостійного газового розряду (пробою) в електричному полі.

Рисунок 7.12 - Кульовий розрядник зі сферичними

Електродами

При дотриманні нормованих зовнішніх умов, а також заданих розмірів та форми електродів, існує стабільна залежність між напругою пробою і відстанню між електродами. Для повітря при атмосферному тиску напруженість електричного поля, при якій настає пробій, складає 30 кВ/см. Найбільшого розповсюдження для таких вимірювань набули кульові розрядники зі сферичними електродами (рис.7.12), для яких складено таблиці розрядних напруг в залежності від діаметрів куль і відстаней між ними. Для обмеження струму при пробої розрядника використовується обмежувальний резистор з опором R=10⁴…10⁶ Ом. Опір і ємність розрядника утворюють дільник напруги з коефіцієнтом ділення, що залежить від частоти. Необхідно, щоб у всіх випадках коефіцієнт ділення відрізнявся від одиниці, тобто щоб справджувалась рівність R << 1/(ωC), де ємність С кульового розрядника знаходиться за формулою

, (7.20)

де l – відстань між електродами, м; k – поправочний множник, що залежить від відношення l до радіуса кулі.

Для врахування відмінності зовнішніх умов від нормальних вимірювана напруга визначається за формулою

, (7.21)

де U_Т – табличне значення вимірюваної напруги (за нормальних умов); р – тиск повітря, Па; t – температура, ˚С.

Вимірювання високих і надвисоких напруг за допомогою кулькових розрядників є одним з найстаріших і не надто точних методів (похибка 2…10%), однак, тим не менше, найбільш розповсюдженим методом вимірювання в лабораторних умовах, що пояснюється його відносною простотою і практично необмеженою верхньою межею вимірювань.

7.5.2 Метод прискоення заряджених частинок

Цей метод засновано на вимірюванні кінетичної енергії частинок, що прискорюються вимірюваною напругою. Пристрої, що базуються на цьому методі, зазвичай складаються з прискорювача заряджених частинок та аналізатора енергії з вимірювальним пристроєм.

Якщо електрон прискорюється напругою U_x, то він набуває кінетичної енергії

, (7.22)

де m₀ – маса спокою електрона; v – його швидкість; е – заряд електрона.

Значення вимірюваної напруги шукаємо з виразу

. (7.23)

Таким чином, для визначення напруги потрібно виміряти енергію або швидкість заряджених частинок. Для цього використовують різні способи та прилади: часопролітний, гальмівного випромінювання, дифракція електронів на кристалічній гратці, а також магнітні й електростатичні аналізатори тощо. Як прискорені частинки найкраще використовувати електрони, оскільки електронні пучки можна отримати з вузьким енергетичним спектром. Замість швидкості електрона можна також вимірювати довжину хвилі електрона, яка пов’язана з його швидкістю нескладною залежністю

, (7.24)

де h – стала Планка.

Довжину хвилі електрона з високою точністю можемо визначити за дифракцією електронів на кристалічній гратці

, (7.25)

де d – відстань між площинами кристалічної гратки у визначеному напрямку; α – кут між площиною гратки та напрямом руху електронів.

Такий метод дозволяє вимірювати високу напругу з похибкою 0,1%, однак придатний він в основному для лабораторного використання через дороговизну та громіздкість обладнання.