Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Уральский федеральный университет имени первого

Президента России Б.Н. Ельцина»

Кафедра:

Контрольная работа Вариант 4

институт	УралЭНИН (заочная форма обучения)
курс	Второй
специальность (направление)	140400 Электроэнергетика и электротехника (ФГОС ВПО)
группа	ЭНЗ-330507
студент(ФИО)	Обоянский Ю.А.
шифр	52305314
преподаватель(ФИО)

Екатеринбург 2015

1. Описать виды объемной ионизации газа. Пояснить влияние различных факторов на интенсивность ионизации внутри объема газа.

Объемная ионизация подразделяется:

1) ударная ионизация;

2) ступенчатая ионизация;

3) фотоионизация;

4) термоионизация.

Ударная ионизация — соударение электрона с нейтральным атомом или молекулой. Если к промежутку между электродами в газе приложено напряжение, то заряженные частицы кроме тепловой скоро­сти приобретают под действием электрического поля направленную скорость

,

Где, V — скорость, см / с;

k — коэффициент пропорциональности, получивший название "под­вижность" — скорость дрейфа заряженной частицы в электрическом поле с Е = 1 В / см, [см² / (В с) — размерность подвижности k]:

— подвижность электронов;

  — подвижность ионов;

 Е — напряженность внешнего электрического поля, В / см.

При этом кинетическая энергия частиц может быть сущест­венно больше тепловой энергии и достаточной для осуществления ударной ионизации нейтральных частиц. Условие ионизации может быть записано в виде:

,

Где, m — эффективная масса заряженной частицы, кг ( = 9,1 10^-31 кг — эффективная масса электрона; = 1,7 10^-27 кг — эффективная масса протона);

V — скорость движения заряженной частицы, м / с;

W_H — энергия ионизации нейтрального атома или молекулы, эВ.

Так как скорость электронов значительно больше скорости ио­нов, то ударная ионизация ионами малоэффективна и определяющей является ударная ионизация электронами.

На рис. 1 а приведена схема ударной ионизации электроном. Условием ударной ионизации электроном является:

,

Где, m₁ — масса электрона;

V₁ — скорость электрона;

— энергия ионизации молекулы (атома).

Ступенчатая ионизация происходит тогда, когда энергия пер­вого воздействующего на нейтральный атом или молекулу электрона приводит атом только в возбужденное состояние, т. е. энергия электрона недостаточна для ионизации. Воздействие второго электрона на возбу­жденный атом или молекулу приводит к ионизации. Время между воз­действием первого и второго электронов должно быть не более времени нахождения нейтрального атома или молекулы в возбужденном состоя­нии. На рис. 1 б, приведена схема ступенчатой ионизации. Условием ступенчатой ионизации является:

,

Где, m₁ — масса электрона;

V₁, V₃ — скорости электронов;

— энергия ионизации молекулы (атома).

Для осуществления фотоионизации в объеме газа энергия фо­тонов, излучаемая возбужденными атомами или молекулами, должна быть больше энергии ионизации при поглощении фотона нейтральным атомом или молекулой. Этот процесс успешно осуществляется в смеси газов (воздух). При фотоионизации возможна и ступенчатая ионизация. На рис. 1 в, показана схема фотоионизации.

Условием фотоионизации является:

,

Где, h — постоянная Планка,

собственная частота фотона.

Термоионизация обусловлена тепловым состоянием газа и может происходить в результате следующих актов:

1) освобождение электрона при соударениях между атомами молекулами при высоких температурах;

2) фотоионизация нейтральных атомов и молекул, возбужден­ных в результате теплового взаимодействия при высоких температурах;

3) ионизация при столкновении электрона с нейтральным ато­мом или молекулой при высоких температурах.

В газе при тепловом движении происходит диссоциация моле­кул раньше, чем произойдет ионизация, т. к. энергия диссоциации меньше, чем энергия ионизации.

Рис. 1 Схемы объемной ионизации газа: а) ударная ионизация, б) ступенчатая ионизация, в) фотоионизация; е — элементарный заряд электрона (е=1,6 10^-19 Кл), m — масса заряженной частиц.

В газах под влиянием высокой температуры и различных излучений появляются заряженные частицы. Они возникают вследствие отщепления от атомов газа одного или нескольких электронов, в результате чего вместо нейтрального атома возникают положительный ион и электроны. Часть образовавшихся электронов может быть при этом захвачена другими нейтральными атомами, и тогда появятся еще отрицательные ионы. Распад молекул газа на электроны и положительные ионы называется ионизацией газов.

Нагревание газа до высокой температуры не является единственным способом ионизации молекул или атомов газа. Ионизация газа может происходить под влиянием различных внешних взаимодействий: сильного нагрева газа, рентгеновских лучей, a-, b- и g-лучей, возникающих при радиоактивном распаде, космических лучей, бомбардировки молекул газа быстро движущимися электронами или ионами. Факторы, вызывающие ионизацию газа называются ионизаторами. Количественной характеристикой процесса ионизации служит интенсивность ионизации, измеряемая числом пар противоположных по знаку заряженных частиц, возникающих в единице объема газа за единицу времени.

2.Показать, что tgδ одна из численных характеристик изоляционных материалов, позволяющих судить о их качестве. В каких пределах может изменяться tgδ у технических диэлектриков? Привести примеры материалов (по 2 – 3) с малым и большим tgδ, указать возможность использования этих материалов.

Контроль качества изоляции по величине диэлектрических потерь (tgδ) является одним из самых эффективных и распространенных. Он позволяет определить такие дефекты изоляции, как наличие в ней газовых (воздушных) включений, еѐ увлажнение и т.п. Тангенс угла диэлектрических потерь (tgδ) - одна из основных электрических характеристик изоляционного материала, работающего на переменном напряжении.

На рис.2 изображена схема замещения изоляционного материала (диэлектрика), а на рис.3 - векторная диаграмма, соответствующая этой схеме.

Рис.2 рис.3

На рис.2 приняты следующие обозначения:

С_г - геометрическая емкость, определяемая размерами диэлектрика и обусловленная мгновенными видами поляризации (электронной и ионной). Эти виды поляризации завершаются за время, не большее

10^-10 с и не сопровождаются потерями энергии;

i_г - емкостный ток (ток смещения), обусловленный ограниченным смещением электронов и ионов при прохождении мгновенных видов поляризации;

С_абс - емкость, связанная с замедленными видами поляризации (основные из которых: дипольно-релаксационная, вызванная ориентацией дипольных молекул по силовым линиям электрического поля; структурная, заключающаяся в накоплении зарядов различных знаков на границах различных структур (слоев) неоднородного диэлектрика).

i_абс - ток абсорбции (ток, вызванный смещением зарядов при прохождении замедленных видов поляризации);

R_абс - сопротивление току абсорбции, указывающее на наличие потерь энергии за счет замедленных видов поляризации;

i_скв - сквозной ток проводимости;

R_скв - сопротивление сквозному току.

Мерой степени поляризации является относительная диэлектрическая проницаемость

ε꞊C/C₀

где с - емкость конденсатора с данным диэлектриком;

С0 - емкость таких же размеров вакуумного конденсатора.

То есть ε определяет способность диэлектрика к созданию электрической емкости. Для различных изоляционных материалов ε может принимать значения от 1 до десятков тысяч. Как следует из векторной диаграммы (рис.3) мощность потерь (активные потери) на переменном напряжении:

P_~= UICosφ = UI_a,

где I_a - полный активный ток, представляющий сумму тока I_скв и ^{активной составляющей тока абсорбции} Iaбс а.

Ia = I_р tgδ,

где I_р - полный реактивный (емкостной) ток, равный сумме тока ^I_г и реактивной составляющей тока абсорбции Iaбс р;

δ - угол, дополняющий угол φ до 90^О и именуемый углом диэлектрических потерь.

I_р = ωСU_,

где ω - угловая частота, равная 2πf;

С - полная, (физическая) емкость изоляции.

P~= ωСU2 tgδ.

tgδ - характеризует потери в изоляции и является, наряду с ε, одной из основных электрических характеристик изоляционного материала. Значения tgδ и ε даются в справочных данных на любой изоляционный материал.

Для качественной изоляции величина tgδ ≤ (0,001 ÷ 0,01). С целью оценки качества изоляции высоковольтных устройств измеряют величину tgδ при изготовлении устройства и через определенные промежутки времени в процессе его эксплуатации и производят сравнение с установленными значениями tgδ.