МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Тольяттинский государственный университет

Кафедра “Промышленная электроника”

И. М. Чуркин

Электротехническое и конструкционное материаловедение.

Материалы электронной техники.

Методические указания к лабораторным работам №4,5,6

По дисциплинам «Электротехническое и конструкционное материаловедение.»

«Материалы электронной техники.»

Тольятти 2011

УДК 621.3.002.3 (076.5)

ББК 31.23

Э455

Э 455 Электротехническое и конструкционное материаловедение. Материалы электронной техники: Метод, указания к лабораторным работам № 4,5,6/Сост. И.М.Чуркин. Тольятти: ТГУ, 2011. 28 с.

Изложены описания трех лабораторных работ по испытаниям электро­изоляционных материалов. Приведены краткие методические рекомендации по проведению работ и обработке опытных данных, даны указания по вы­полнению отчета.

Предназначены для студентов электротехнических специальностей ТГУ.

Ил. 10. Табл.4. Библиогр.: 7 назв.

Составитель И.М.Чуркин

Научный редактор A.M. Слукин

Утверждено научно-методическим советом университета.

УДК 621.3.002.3

(076.5) ББК 31.23

© Тольяттинский государственный университет, 2011.

Измерения электрической прочности газов.

Лабораторная работа № 4

4.1. Цель работы

Целью работы является изучение методики определения электрической прочности газообразных диэлектриков, определение зависимости электрической прочности воздуха от формы электродов и расстояния между ними.

4.2. Некоторые физические особенности пробоя воздушного промежутка

В нормальных условиях в газообразных диэлектриках, как и в других диэлектриках, имеются положительно и отрицательно заряженные частицы. Если к диэлектрику приложить внешнее электрическое поле, то заряженные частицы начнут упорядочение перемещаться, образуя электрический ток - электропроводность. В слабых электрических полях, когда носители зарядов образуются под воздействием внешних ионизирующих факторов, имеет место несамостоятельная электропроводность. В сильных электрических полях, когда носители зарядов образуются под воздействием приложенного электрического поля путем ионизации и ударной ионизации нейтральных частиц, имеет место самостоятельная электропроводность.

Диэлектрик, находящийся в электрическом поле, при увеличении напряженности поля в конечном счете пробивается, т.е. теряет свои изоляционные свойства, в нем резко возрастает ток и образуется токопроводящий канал. В газах пробой сопровождается возникновением искрового или дугового разряда.

Электрическое напряжение, при котором происходит пробой диэлектрика, называется пробивным напряжением U_np, а напряженность поля, соответствующая этому напряжению, - пробивной напряженностью или электрической прочностью Е_пр.

Пробивная напряженность

где h - толщина диэлектрика, м.

Электрическая прочность выражается в МВ/м = 10⁶ В/м.

Электрическая прочность воздуха в нормальных условиях невелика по сравнению с большинством жидких и твердых диэлектриков. Пробой воздуха, как и других газов, следует рассматривать как следствие развития процессов ударной ионизации и фотоионизации. В газе всегда имеется небольшое количество положительных и отрицательных ионов, возникающих под действием внешних ионизирующих факторов: тепла, света, космических и радиоактивных излучений и т.д.

При наложении электрического поля ионы получают некоторую добавочную скорость и перемещаются в сторону противоположно заряженного электрода, и заряженные частицы приобретают дополнительную энергию:

W = qU_λ, (4.1)

где q - заряд; U_x - падение напряжения на длине свободного пробега, В.

Для однородного поля (E=const) можно считать, что

U_λ=Eλ. (4.2)

Тогда

W = E·λ·q. (4.3)

В процессе движения ионы сталкиваются с нейтральными молекулами,

отдавая им свою запасенную энергию.

Если эта энергия достаточно велика, то происходит ионизация молекул

или их возбуждение, связанное с переходом электрона на более удаленную

орбиту. Через время t = 10^-8с электрон возбужденного атома возвращается

на нормальную орбиту, выделяя квант света. Ионизация происходит при

W ≥ W_И, (4.4)

причем W включает в себя и энергию теплового движения. Из формулы (4.3) имеем:

E·λ·q≥ W_И (4.5)

Энергия ионизации W_И обычно характеризуется ионизационным потенциалом

U_H = W_H/q (4.6)

Ионизационный потенциал различных газов лежит в пределах от 4 до 25В, что соответствует энергии ионизации от 4 до 25 эВ.

Напряженность поля, соответствующая появлению ионизации для данного газа Е_и, называется начальной напряженностью ионизации.

Ионизацию нейтральных молекул газа в большей степени производят свободные электроны, так как они более подвижны и имеют большую величину свободного пробега.

Скорость электрона, прошедшего без столкновения разность потенции U.

Электрон способен ионизировать молекулы газа, когда его скорость движения будет выше 10⁶ м/с.

Ионизация нейтральных молекул может производиться и фотонами. Фотон поглощается какой-либо другой молекулой, ионизируя ее.

Процесс пробоя газа в однородном электрическом поле отличается от процесса пробоя в неоднородном.

В однородном поле (Е = const) пробой газа обычно совершается практически мгновенно, длительность подготовки пробоя газа при длине промежутка 1 см составляет 10^-9... 10^-10с. Процесс развивается быстрее, если к газовому промежутку приложено большее напряжение. В момент пробоя под действием напряжения между электродами возникает проводящий канал состоящий из свободных ионов и электронов. Пробой сопровождается ярким свечением, так как усиленная ионизация происходит с выделением фотонов.

Процесс пробоя газа объясняется появлением стримера. Поле, близкое к однородному, получается между плоскими электродами с закругленными краями или между двумя шарами больших радиусов, если радиус сферы значительно превышает расстояние между шарами. На рис.4.1 показана зависимость пробивной напряженности Е_пр воздуха от расстояния между электродами. Из рис.4.1 видно, что при малых зазорах между электродами Е_пр велика. Так, при h = 0.5·10^-5 м Е_пр=700·10⁵ В/м. Это объясняется тем, что при малых зазорах поток электронов, движущихся под действием поля, достигает электродов, не успев ионизировать молекулы газа. Электрическая прочность газов зависит от давления (рис.4.2).

Рис. 4.1 Зависимость Е_пр газа от толщины диэлектрика h

Рис 4.2. Зависимость Е_пр газа от давления P

Значение Е_пр в глубоком вакууме возрастает из-за уменьшения ионизации газа, так как плотность его мала. Наблюдаемый пробой обусловлен вырыванием электронов из металла электродов.

Увеличение Е_пр при больших давлениях объясняется увеличением плотности газа, т.е. уменьшением свободного пробега электронов, что видно из формулы (4.5).

Иная картина пробоя газов наблюдается в неоднородном поле, которое создается между острыми электродами, между острием и плоскостью, между двумя проводами и т.п.

Рассмотрим, как происходит пробой газа между плоским и острым электродами (рис.4.3). На рис.4.3 показано распределение потенциалов и напряженности поля Е между плоскими острыми электродами (рис.4.За). Потенциал от острия к плоскости возрастает неравномерно. У острия возрастание происходит быстрее, чем у плоского электрода (рис.4.3б). Следовательно, напряженность поля у острия наибольшая, а по мере приближения к плоскому электроду она уменьшается (рис.4.Зв).

Рис.4.3. Распределение потенциала между острием и плоскостью (а); зависимости потенциала U (б) и напряженности Е (в) поля от толщины h

диэлектрика

С увеличением напряжения между электродами напряженность поля возрастает, и при некотором значении напряжения она у острия может превысить величину, при которой начинается ударная ионизация (Е >Е_и) (рис.4.Зв, кривая 1, зона I). Следовательно, у острия будет происходить ионизация газа, сопровождающаяся голубоватым свечением - коронный разряд. В зонах II и III Е < Е_и, следовательно, короны здесь не будет.

С дальнейшим увеличением напряжения между электродами напряженность поля возрастает (рис.4.Зв, кривая 2). Тогда условие Е > Е_и будет выполняться как в I, так и во II зонах. Корона распространяется и на II зону.

Около острия ионизация может быть настолько интенсивной, что разряды будут происходить при достаточно больших плотностях тока. В этом случае появляются искры, яркость которых убывает по мере удаления от острия, где плотность тока разряда уменьшается из-за уменьшения напряженности поля. У острия коронирующий разряд переходит в кистевой.

С дальнейшим увеличением напряжения между электродами области короны и кистевого разряда расширяются в сторону плоского электрода, и при некотором значении напряжения одна из искр кистевого разряда перекроет все расстояние между электродами - произойдет пробой газа.