2 Дәріс Электр қондырғысының оқшауламасына эксплуатациялық
электрлік әсерлер
Дәріс мақсаты: Студенттерге электр қондырғысының оқшауламасына ететін эксплуатациялық электрлік әсерлерді, жұмыстық кернеудің ұзақ уақыт әсер ету жағдайындағы оқшауламаның жұмысын түсіндіру.
Дәріс мазмұны:
1. Жұмыстық кернеудің ұзақ уақыт әсер ету жағдайындағы оқшауламаның жұмысы.
2. Номиналды кернеудің кластары.
3. Максималды жұмыс кернеуі.
4. Электрлік жүйенің бейтарап (нейтраль) жұмыс режимі.
Электр қондырғыларының оқшауламалары оқшауланатын бөліктердің арасынан электр тогы өтуін болдырмау үшін қызмет етеді. Қалыпты жағдайда оқшаулама арқылы токтың үш түрі өтуі мүмкін:
• шамасы үлкен оқшаулама сыйымдылығына тәуелді болатын айнымалы кернеудегі сыйымдылықты токтар; оқшауламаның сыйымдылықты токтарды өткізу қабілеті оқшаулама сыйымдылығының шамасымен сипатталады;
• тұрақты кернеуде де, айнымалы кернеуде де білінетін абсорбциялық токтар (әртүрлі баяу полярлану токтары); абсорбциялық токтарға қатысты оқшаулама сипаттамалары ретінде диэлектрлік шығындар бұрышы мен абсорбция коэффициенті алынады;
• шамасы өте аз, тұрақты кернеу қосылғаннан кейін біраз уақыттан соң өте бастайтын қуыстық токтар; оқшауламаның қуыстық токтарды өткізу қабілеті оқшаулама кедергісінің шамасымен сипатталады.
Диэлектриктің молекулалары мен кристалдық торларының құрамына кіретін зарядталған бөлшектер қалыпты жағдайға жақын жағдайда да жеткілікті түрде заттарда берік байланысқан, қашықтықтарға орын ауыстыра алмайды. Қуыстық токтар зарядталған бөлшектердің аз ғана шамасымен сипатталады және сыртқы иондаушылар есебінен бұл еркін зарядталған бөлшектер оқшаулама арқылы бір электродтан екіншісіне орын ауыстыруға қабілетті болады.
1.1-сурет. Газды аралықтың вольт-амперлік сипаттамасы
Газды
оқшауламалық аралықтарда аз ғана
кернеуде Ом заңы орындалады (1.1-сурет,
область I);
кернеу жоғарылауымен қанығу басталады,
сыртқы иондаушылар өндіретін зарядталған
бөлшектер электродтарға жетеді және
кернеу жоғарылағанмен ток өсуі болмайды
(область II),
ток тығыздығы осы кезде шамамен
А/м2,
өрістің кернеулігі шамамен 0,6 В/м. Тек
үлкен кернеулерде, электр өрісінің
үлкен кернеулігі есебінен иондану
пайда бола бастағанда электр тогының
кенет өсуі басталады (область III),
бұл сыртқы иондаушылардың разрядының
тәуелсіздігіне, яғни өз бетімен болатын
разрядқа әкеледі.
Диэлектрлік шығындар және шығындар бұрышы. Кез-келген оқшаулама оған кернеу қосылғанда қызады. Қызудың себебі – оқшаулама бойымен қуыстық токтардың өтуі, полярланудың баяу түрлері есебінен қызу, қатты оқшауламадағы газды қосылулардың иондануы және оқшаулама структурасының біртекті еместігі. Диэлектрлік шығындар деп оқшауламаның оған түсірілген кернеу есебінен болатын қызу қуатын айтады. Айнымалы кернеудегі электрлік шығындар, әдетте тұрақты токтағыға қарағанда көбірек және айнымалы кернеудегі қызуда иондануға дейін көбіне полярлану шығындары негізгі роль атқарады.
Диэлектрлік шығындар бұрышы δ деп оқшауламадағы кернеу мен оқшауламадан өтетін ток арасындағы фаза ығысуының бұрышын 90°-қа дейін толтыратын бұрышты айтады. tg δ оқшаулама қызуының активті қуаты мен оқшауламадағы реактивті сыйымдылықты қуат арасындағы қатынасты көрсетеді. Диэлектрлік шығындар бұрышы түсінігі тек синусоидалық кернеулер мен токтар үшін қолданылады.
Реалды конденсаторлар немесе оқшаулама сыйымдылығы түсінігін анықтау үшін ауыстыру сұлбасын қолданады. Көбінесе, сыйымдылықты элемент пен резистивті элементтен құрылған екі қарапайым ауыстыру сұлбасы (тізбектей және параллель) қолданылады. Тек аз диэлектрлік шығындарда ғана сыйымдылық шамасы ауыстыру сұлбасын таңдауға тәуелді болады.
Оқшаулама тесілуінің механизмдері. Диэлектриктегі еркін зарядталған бөлшектердің өте аз концентрациясынан аз ғана кернеу шамасында оқшауламада өте аз шамадағы қуыстық токтар болады. Тесіп өту кезінде еркін зарядталған бөлшектердің конентрациясы бірден жоғарылайды. Бұл жоғарылау физикалық механизмдердің келесі алты тобымен түсіндіріледі, оның алдыңғы төртеуінің газдар үшін мәні зор.
1.
Нейтраль атомының немесе молекуланың
үлкен жылдамдықпен қозғалып келе жатқан
бөлшекпен (көбінесе, бұл - электрон)
соқтығысуынан, олардан электрон жұлынып
шығады да, еркін электрон немесе оң ион
пайда болады. Бұл құбылыс соққылы
иондану
деп аталады, егер иондаушы бөлшектің
кинетикалық энергиясы электрон жұлынуына
жұмсалатын энергиядан (иондану энергиясы)
артық болса, яғни
болғанда орны алады. Мұндай үрдісте
еркін зарядтардың концентрациясы
көбейеді және электр тогы өседі. Заряд
тасымалдаушылардың саны бөлшектерді
электродтарға тасымалдаудан және
рекомбинация құбылысынан, яғни ионның
қарама-қарсы белгісі бар бөлшекпен
нейтралдануынан азаяды.
2.
Газ
көлеміндегі фотоионизация
ультракүлгін
сәулелерге,
рентгендік және гамма-сәулеленуге
қатысты
болатын қатты электрмагниттік сәулелену
әсерінен орын алады. Егер электрмагниттік
сәулелену квантының энергиясы иондану
энергиясы шамасынан кем болмаған
жағдайда фотоиондану жүреді,
,
мұндағы h
-
Планк
тұрақтысы,
ν
-электрмагниттік
сәулелену жиілігі.
3. Кәдімгі температурада диэлектриктерде бөлшектердің жылулық соқтығысуынан электрондардың ажырауы болмайды, өйткені иондану жүруі үшін тіпті тез қозғалатын бөлшектердің жылулық қозғалысының энергиясы жеткіліксіз болады. Жылулық соқтығысудағы термиялық иондану мың градус Цельсий температурасында біліне бастайды.
4. Бірқатар жағдайларда электрондардың диэлектриктерге терең енуімен электродтар бетінен (катодтан) электрондар эмиссиясы жүреді. Эмиссияның төрт түрі белгілі:
• термоэлектрондық эмиссия – қызу әсерінен катодтан электрондардың босанып шығуы; термиялық иондануға қарағанда қатысты алғанда бірнеше жүздеген градусқа аздау температура қажет етіледі;
• фотоэлектрондық эмиссия – катодты қысқатолқынды электрмагниттік сәулеленумен (Столетов эффектісі) сәулелендіру кезіндегі электрондардың босап шығуы; көп металдар үшін көрінетін жарықпен сәулелендіру жеткілікті болады;
• автоэлектрондық эмиссия – жоғары кернеулігі 105 – 106 В/см электр өрісі есебінен металдардан электрондардың босап шығуы; ұшты металдарда іске асуы мүмкін;
• екіншіреттік электрондық эмиссия – катодты ауыр бөлшектердің (оң иондармен) соққылауынан электрондардың босап шығуы;
5. Сұйық және қатты диэлектриктердің тесілу үрдістері көп түрлілігімен және күрделілігімен ерекшеленеді. Сұйық диэлектриктерде сұйықтың қызуынан газды көпіршіктерінің пайда болуына және иондану үрдістерінің дамуына әкелетін жылулық иондану үрдістерінің алатын мәні үлкен, өйткені газдық диэлектриктердің электрлік беріктігі аз болады. Сұйық диэлектриктің тесілуінің екінші маңызды факторы – онда электр өрісі кернеулігінің локалды түрде ұлғаюын шақыратын бөгде қосылыстардың (қатты қосылыстардың, ылғалдың және газды көпіршіктердің) болуы.
6. Қатты диэлектриктерде тесілу электрлік үрдістерден де (яғни, соққылы ионданудан), электр өрісінің әсерінен туындайтын жылулық үрдістерден де пайда болуы мүмкін. Қатты диэлектриктерде электрхимиялық үрдістер де (яғни, химиялық активті иондалған бөлшектердің әсерінен қатты диэлектриктің іруі) маңызды роль атқарады. Электрлік үрдістерде біртекті және біртекті емес структуралы диэлектриктердің электрлік беріктіктері әртүрлі болады. Диэлектрик қызған жағдайда түсірілген электр өрісі әсерінен электржылулық тесілу болады, ал газды қосылулардың иондалуында қатты диэлектриктің іруімен бірге электрхимиялық тесілу ақырындап дами бастайды.
3 дәріс