Лабораторная работа по электронике, электротехнике, радиотехнике (Вариант 3)

Цель работы: 1. Знакомство с основными понятиями и теоретическими сведениями о разрядах в воздухе, методом определения пробивного напряжения. 2. Получение навыков самостоятельного определения разрядного напряжения для различных промежутков в зависимости от расстояния между электродами с построением графиков. 3. Приобретение практического навыка определения разрядных напряжений различных промежутков в воздухе. Теоретические положения Корона – это характерная форма самостоятельного газового разряда, возникающего в резко неоднородных полях. Главной особенностью этого разряда является то, что ионизационные процессы электронами происходят не по всей длине промежутка, а только в небольшой его части вблизи электрода с малым радиусом кривизны (так называемого коронирующего электрода). Эта зона характеризуется значительно более высокими значениями напряженности поля по сравнению со средними значениями для всего промежутка. Само название «коронный» разряд получил из-за своего свечения, наблюдаемого на тонких проводах и напоминающего солнечную корону. Лавинная форма разряда – это такая форма коронного разряда, при которой в промежутке развиваются только электронные лавины. Особенности: — напряженность создаваемая лавиной электронов меньше напряженности внешнего электрического поля; — характерна для малых радиусов кривизны электродов (1-2 мм); — зона ионизации имеет более или менее однородную структуру Стримерная форма разряда – это такая форма коронного разряда, при которой в промежутке кроме электронных лавин развиваются стримерные каналы. Особенности: — возникает если напряженность, создаваемая лавиной электронов, сопоставима с напряженностью поля до появления лавины; — характерна для радиусов кривизны электродов порядка 1см и более; — на коронирующий электрод оказываются как бы насажанными тоненькие проводники – каналы стримеров, на концах которых напряженность электрического поля может достигать очень больших значений. Пробивное напряжение – это минимальное напряжение Uпр, приложенное к диэлектрику, и приводящее к образованию в нем проводящего канала АТ –автотрансформатор Т –трансформатор Rзащ –защитное сопротивление R1, R2 –высоковольтный омический делитель Rд –добавочное сопротивление V –вольтметр A –микроамерметр 1–4 – испытуемые электроды Произведем расчет Uр и Еср при S=1.1 см: δ= (P·T_0)/(P_0·T)=(760·293)/(760·295)=0.993 Для электродной системы «шар – шар»: U_р=(27,2∙δ∙S(1+0,54/√(R∙δ))/0,25[S/R+1+√((S/R+1)^2+8)] =(27,2∙0.993∙1.1(1+0,54/√(6.25∙0.993))/0,25[1.1/6.25+1+√((1.1/6.25+1)^2+8)] =34,1 Е_ср=U_р/S=34.1/1.1=31 Для электродной системы «острие — плоскость»: U_р=(7+3,36∙S)δ=(7+3,36∙1.1)0.993=10.9 Е_ср=U_р/S=10.9/1.1=9.9 Для электродной системы «острие — острие»: U_р=(14+3,16∙S)δ=(14+3,16∙1.1)0.993=17.4 Е_ср=U_р/S=17.4/1.1=15.8

1. Построить зависимость разрядного напряжения Up = f(S) от расстояния между электродами.

Расхождение между опытными и расчетными данными можно объяснить погрешностями при измерениях, а также тем, что расчет пробивного напряжения по формуле дает неточную величину, к тому же во время эксперимента на величину пробивного напряжения влияет множество случайных факторов, учесть которые практически невозможно.

2. Объяснить полученные результаты.

1.При какой форме электродов пробивное напряжение между электродами минимально? Минимальное пробивное напряжение наблюдается при форме электродов острие-плоскость, т.к. электроны, двигаясь к острию в область сильного поля, совершают ударную ионизацию и образуют лавину электронов. Когда лавина доходит до острия, электроны лавины нейтрализуются на аноде, а положительные ионы вследствие малой скорости движения остаются у острия и создают положительный объемный заряд, который обладает собственным электрическим полем. Взаимодействуя с внешним полем в промежутке, положительный объемный заряд ослабляет поле вблизи острия и усиливает его в остальной части промежутка. Если напряжение между электродами достаточно велико, то возникает лавина электронов справа от объемного заряда, электроны которой, смешиваясь сположительными ионами объемного заряда, создают зародыш канала анодного стримера, заполненный плазмой. Зажигается стримерный коронный разряд. Положительные заряды этой лавины будут располагаться на головке стримера и создавать область повышенной напряженности во внешнем пространстве. Наличие области сильного поля обеспечивает образование новых лавин, электроны которых втягиваются в канал стримера, постепенно удлинняя его. Стример прорастает к катоду, вызывая пробой промежутка, при сравнительно малом значении разрядного напряжения.

2.Как изменяется разрядное напряжение от расстояния между электродами в однородном и резко неоднородном полях?

Исходя из полученных данных в ходе эксперимента, разрядное напряжение увеличивается с расстоянием по линейному закону.

Контрольные вопросы

1.Для каких целей вводится поправка на относительную плотность воздуха? 2.Почему в однородном поле отсутствует коронная форма разряда? 3.Какие параметры электродной системы влияют на максимальную и среднюю напряженность электрического поля? 4.Как классифицируется степень неоднородности электрического поля? 5.Почему значения пробивных напряжений, полученных экспериментально и расчётным путем, отличаются больше, чем разброс полученных пробивных напряжений? Ответы на вопросы 1.Для точного сопоставления результатов измерений, проведенных при различных значениях атмосферного давления. 2.Т.к. ионизация атомов и молекул воздуха происходит «равномерно» по объему промежутка, коронный разряд неустойчив и быстро переходит в полный пробой промежутка. 3.Форма электродов, способ их подключения, расстояние между ними и напряжение. 4.Степень неоднородности электрического поля между электродами характеризуется коэффициентом неоднородности Кн, который равен отношению максимальной напряженности Емакс к средней напряженности Еср поля между электродами. Средняя напряженность есть отношение напряжения U, приложенного к электродам, к расстоянию между электродами S. Максимальная напряженность зависит от формы, размеров электродов, способа их подключения и расстояния между ними. 5.Расхождение между опытными и расчетными данными можно объяснить погрешностями при измерениях, а также тем, что расчет пробивного напряжения по формуле дает неточную величину, однако во время эксперимента на величину пробивного напряжения влияет множество случайных факторов, учесть которые практически невозможно, но при проведении серии экспериментов можно «усреднить» значение. Выводы: В ходе выполнения лабораторной работы были изучены основные понятия и теоретические сведения о разрядах в воздухе, получены навыки определения разрядного напряжения для различных электродов промежутков в зависимости от расстояния между электродами с построением графиков. Бланк выполнения лабораторной работы № 2 «Электрические разряды по поверхности твердого диэлектрика» Цель работы: 1. Знакомство с основными понятиями и теоретическими сведениями об электрических разрядах по поверхности твердого диэлектрика. 2. Экспериментальное изучение разряда по поверхности твердого диэлектрика в зависимости от конфигурации электрического поля, расстояния между электродами и толщины диэлектрика. 3. Приобретение практического навыка определения разрядных напряжений различных промежутков по поверхности диэлектрика. Теоретические положения Корона – это характерная форма самостоятельного газового разряда, возникающего в резко неоднородных полях. Главной особенностью этого разряда является то, что ионизационные процессы электронами происходят не по всей длине промежутка, а только в небольшой его части вблизи электрода с малым радиусом кривизны (так называемого коронирующего электрода). Эта зона характеризуется значительно более высокими значениями напряженности поля по сравнению со средними значениями для всего промежутка. Само название «коронный» разряд получил из-за своего свечения, наблюдаемого на тонких проводах и напоминающего солнечную корону. Лавинная форма разряда – это такая форма коронного разряда, при которой в промежутке развиваются только электронные лавины. Особенности: — напряженность создаваемая лавиной электронов меньше напряженности внешнего электрического поля; — характерна для малых радиусов кривизны электродов (1-2 мм); — зона ионизации имеет более или менее однородную структуру Стримерная форма разряда – это такая форма коронного разряда, при которой в промежутке кроме электронных лавин развиваются стримерные каналы. Особенности: — возникает если напряженность, создаваемая лавиной электронов, сопоставима с напряженностью поля до появления лавины; — характерна для радиусов кривизны электродов порядка 1см и более; — на коронирующий электрод оказываются как бы насажанными тоненькие проводники – каналы стримеров, на концах которых напряженность электрического поля может достигать очень больших значений. Скользящий разряд – это форма стримерного разряда, характеризуется интенсивным свечением канала, резким уменьшением сопротивления канала и, следовательно, выносом потенциала в глубь промежутка. Поверхностный пробой – это пробой (потеря изоляционных свойств) твердого диэлектрика по его поверхности (в газе или в жидкости) 2. Объяснить полученные результаты. 1. В каких полях существует скользящая форма разряда и почему? В неоднородных, т.к. При относительно низких напряжениях на электродах возникает коронный разряд в виде полоски ровного неяркого свечения. Увеличение напряжения приводит к расширению области коронирования и образованию на твердом диэлектрике многочисленных слабо светящихся каналов (стримеров), направленных к противоположному электроду. При дальнейшем увеличении напряжения ток возрастает настолько, что становится возможной термическая ионизация в стримерных каналах. Эта форма стримерного разряда, называемая скользящим разрядом, характеризуется интенсивным свечением канала, резким уменьшением сопротивления канала и, следовательно, выносом потенциала в глубь промежутка 2. Как изменяется разрядное напряжение от толщины диэлектрика и почему? Величина тока в любом разрядном канале в основном определяется емкостью канала по отношению к противоположному электроду. В качестве величины, характеризующей емкость канала, принимается удельная поверхностная емкость, т.е. емкость единицы поверхности, по которой развивается разряд, по отношению к противоположному электроду. Очевидно, что чем выше удельная поверхностная емкость С, тем больше ток, протекающий по каналу на зарядку этой емкости, поэтому выше проводимость стримерного канала и потенциал на его конце, тем быстрее растет длина скользящего разряда и ниже напряжение разряда по поверхности Контрольные вопросы 1.С чем связано искажение электрического поля при помещении диэлектрика в равномерное поле? 2.Какое влияние оказывает неплотное прилегание электродов на разрядное напряжение вдоль поверхности диэлектриков? 3.Для каких изоляционных конструкций характерно электрическое поле с преобладающей тангенциальной составляющей, для каких конструкций с нормальной? 4.Что делается в реальных условиях работы электроэнергетических систем для увеличения разрядных напряжений по поверхности изоляторов? Ответы на вопросы 1.Диэлектрик, помещенный в равномерное поле, нарушает его однородность. Значительную роль в снижении разрядных напряжений играет адсорбция диэлектриком влаги. Материалы, обладающие большой поверхностной гигроскопичностью (стекло, эбонит, оргстекло, бакелизированная бумага), дают большее снижение разрядных напряжений, чем малогигроскопичные материалы (парафин, винипласт). Под действием приложенного к электродам напряжения диссоциированные ионы, содержащиеся в адсорбированной диэлектриком влаге, перераспределяются по поверхности диэлектрика, искажая градиент потенциала вдоль его поверхности. 2.На величину разрядного напряжения существенное влияние оказывают воздушные прослойки между диэлектриком и электродами. В этих прослойках из-за отличия диэлектрических проницаемостей воздуха и твердого диэлектрика создается локальное увеличение напряженности поля и, возможно, возникновение ионизационных процессов. 3.Неоднородное поле с преобладанием тангенциальной составляющей характерно для опорных изоляторов. Конфигурация электрического поля с преобладанием нормальной составляющей напряженности характерна для конструкции проходного изолятора 4.Для увеличения длины пути утечки тока по поверхности твердого диэлектрика и увеличения разрядного напряжения применяют ребристую поверхность, а также своевременную чистку поверхности изолятор аот загрязнений. Выводы: В ходе выполнения лабораторной работы были изучены основные понятияя и теоретические сведения об электрических разрядах по поверхности твердого диэлектрика, получены экспериментальные данные разряда по поверхности твердого диэлектрика в зависимости от конфигурации электрического поля, расстояния между электродами и толлщины диэлектрика, а также построены графики.