Лабораторна робота № 3 Дослідження розрядів у повітряних проміжках з електродами різної форми
Мета роботи
вивчення фізичних процесів при пробої повітряного проміжку змінною напругою і дослідження залежності величини розрядних напруг від форми електродів й відстані між ними.
Теоретичні відомості
Роботу виконують на лабораторній установці № 3 (рисунок 3.1). Оскільки процес розвитку і формування розряду відбувається на декілька порядків швидше, ніж півперіод змінної напруги частотою 50 Гц, то величина розрядної напруги повітряних проміжків при змінній і постійній напрузі для однорідного поля практично однакова. При неоднорідному полі в міжелектродному проміжку, згідно з принципом найменшої дії, розряд відбувається (відповідно до ефекту полярності) в момент, коли на стержні ''плюс", а на площині - "мінус".
Електричні розряди, які можуть існувати тільки при наявності зовнішнього іонізатора, називають несамостійними газовими розрядами. Якщо вільні заряди, які потрібні для існування розряду, створюються самим розрядом у процесі його розвитку без впливу зовнішнього іонізатора, то такий газовий розряд є самостійним. Напруга, при якій виникає самостійний розряд, називається початковою напругою газового розряду.
У роботі слід вибрати форму електродів, які створюють однорідне при (КН≤4), або різко неоднорідне при (КН>4) поля.
, (3.1)
де КН – коефіцієнт неоднорідності електричного поля; Еmax, Еср – максимальне й середнє значення напруженості електричного поля у повітряному проміжку.
В однорідному полі залежність величини розрядних напруг від довжини проміжку L, тиску р і температури Т може бути отримана з умови існування самостійного розряду у вигляді
,
(3.2)
де α – число іонізаційних зіткнень; γ - коефіцієнт вторинної іонізації.
Якщо
визначити α у вигляді і
врахувати
, що в однорідному полі Е=U/L,
то для величини розрядної напруги
отримаємо формулу
, (3.3)
де
А, В – коефіцієнти, що визначаються
властивостями газу; δ
– густина газу: 
; р
– тиск газу в кПа.
Формула (3.3) є аналітичним виразом закону Пашена, знайденого експериментально. Закон Пашена наголошує: при незмінній температурі розрядна напруга газу в проміжку з однорідним полем є функцією добутку величини тиску р на відстань між електродами L. Якщо в n раз збільшити відстань між електродами L і в стільки ж разів зменшити тиск газу p, то розрядна напруга залишиться незмінною.
Рисунок 3.1 – Схема лабораторної установки №3
Якщо провести апроксимацію виразу (3.3), можна отримати більш зручну формулу для розрахунку величини розрядних напруг:
(3.4)
різко неоднорідних полях при виконанні умов самостійного розряду поблизу стержневого електрода виникає корона. При цьому величина розрядної напруги може значно перевищувати початкову напругу. Оскільки аналітичне визначення величини початкової і розрядної напруги в різко неоднорідних полях досить складне, його слід встановити експериментально, аналітично проаналізувати результати й зробити відповідні висновки.
Порядок виконання роботи.
1 Для кожної пари електродів вибрати графік залежності величини електричної міцності проміжку від відстані між ними.
2 Визначити за коефіцієнтом трансформації електричну міцність повітряного проміжку для електродів різної конфігурації.
3 Отримані дані занести в таблицю 3.1.
Таблиця 3.1 – Величини електричної міцності проміжку
№ |
Форми електродів
|
Вид напруги
|
Відстань між електродів, см |
||
1 |
2 |
3 |
|||
1. |
Куля-Куля
|
U1, В |
|
|
|
2. |
Диск - Диск
|
U2max, кВ |
|
|
|
3. |
Диск - Стержень
|
U1, В |
|
|
|
4. |
Стержень- Стержень
|
U2max, кВ |
|
|
|
5. |
Диск - Стержень із кільцем
|
U2max, В |
|
|
|
6. |
Куля - диск
|
U2max, кВ |
|
|
|
Оформлення звіту
Заповнити таблицю результатів дослідження залежності електричної міцності проміжку від відстані між електродами різної форми (3 графіка).
Сформулювати висновки по роботі.
Контрольні запитання
1 Знайдіть аналітичні величини розрядних напруг для електродів "куля-куля", "куля-площина", дайте пояснення щодо розбіжності з експериментальними результатами.
2 У чому полягає механізм ударної іонізації?
3 Що таке лавинний і стримерний розряд?
4 Як впливає зовнішній іонізатор на величину розрядної напруги?
5 Дайте визначення і поясніть закон Пашена.
6 У чому полягає механізм автоелектронної і вторинної електронної емісії ?
7 Поясніть особливості виникнення самостійного розряду в однорідних і неоднорідних електричних полях.
8 У чому полягає явище рекомбінації та його роль у процесі розвитку розряду?
9 Лавинна теорія розвитку розряду Таунсенда і стримерна теорія розряду.
10 Дайте визначення рухливості електронів і іонів та їх аналітичний вираз.
11 Наведіть приклади застосування положень закону Пашена в ТВН.
12 Поясніть, чому із збільшенням тиску розрядна напруга зростає?
13 Поясніть, чому у вакуумі розрядна напруга вища, ніж при нормальному тиску?
14 Який механізм виникнення розряду в абсолютному вакуумі?
15 Що таке термоелектронна емісія та механізм її виникнення ?
16 Що таке критерій однорідності електричного поля?
17 Що таке крайовий ефект? Які поля є симетричними та несиметричними?
18 Наведіть аналітичний вираз та поясніть механізм розвитку лавини.
19 Що таке коефіцієнт ударної іонізації? Який його аналітичний вираз?
20 Що таке ефективний коефіцієнт ударної іонізації, від чого він залежить?