Лабораторная №1-2

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИСТЕТ»

Инженерная школа энергетики

Отделение электроэнергетики и электротехники

Лабораторная работа №1-2

РАЗРЯД В СЛАБОНЕОДНОРОДНОМ ПОЛЕ, РАЗРЯДЫ В ВОЗДУХЕ ПРИ ПЕРЕМЕННОМ ПОЛЕ

Выполнил студент группы 5А8Д _______________ Нагорнов А.В.

(дата) Сучков М.А

Сироткин Т.Э.

Орешков Д.Г.

Панов И.В

Проверил к.т.н., _______________ Мытников А.В.

доцент ОЭЭ ИШЭ (подпись)

_______________

(дата)

Томск-2021

Цель работы: изучение влияния неоднородности электрического поля на разрядное напряжение между электродами в слабонеоднородном и резконеоднородном полях.

Рисунок 1 – Схема экспериментальной установки:

АТ – автотрансформатор; Т – высоковольтный трансформатор; – защитное сопротивление; – выпрямители; – фильтр; – высоковольтный омический делитель; V – вольтметр; – электроды

Таблица 1 – Результаты эксперимента (Постоянное напряжение)

S, см	D = 5 см						D = 12.5 см
	U, кВ			Uср, кВ	Еср, кВ/см					Uср, кВ	Емакс, кВ/см
	1	2	3			1		2	3
0.5	-	-	-	-	-	12		12	8	10.67	21.34	-
1	12	10	12	11.4	11.4	24		24	24	24	24	2.1
1,5	20	12	19	17	11.3	40		40	40	40	26.67	2.36
2	28	26	28	27.4	13.7	52		54	52	52.67	26.335	0.96
2,5	32	32	31	31.7	12.68	68		68	66	67.3	26.92	2.12
3	38	38	39	38.4	9.47	80		80	80	80	26.67	2.82
3,5	42	42	42	42	12	-		-	-	-	-	-
4	46	46	46	46	11.5	-		-	-	-	-	-
4,5	50	50	50	50	11.1	-		-	-	-	-	-
5	52	52	52	52	10.4	-		-	-	-	-	-

Определим коэффициент неоднородности электрического поля

Приведём пример расчёта среднего напряжения для шаров D = 5 см:

Так же представим пример расчёта:

Построим зависимости по таблице 1.

Рисунок 2 - Зависимости при слабонеоднородной конфигурации электрического поля

Так же построим зависимость коэффициента неоднородности от расстояния между электродами.

Рисунок 3 – Зависимость

Мы видим, что при увеличении расстояния между шарами неоднородность поля возрастает. Присутствует погрешность измерения, которая заметно проявилась при расстоянии 2 см.

Графики (Рис. 2) напоминают экспоненциальную зависимость. При увеличении расстояния между электродами неоднородность поля возрастает и влияет на величину разрядного напряжения. Неоднородность поля проявляется в изменении величины напряжённости вдоль силовых линий поля.

Чем больше неоднородность поля, тем больше напряжение требуется, чтобы вызвать лавинный пробой воздуха между электродами.

С увеличением расстояния между шарами, разряд в их промежутке происходит значительно дольше и, следовательно, прикладываемое напряжение увеличивает своё значение. Это связано с тем, что лавинный пробой воздуха происходит при достаточной степени ионизации этого воздуха электронами, но если расстояние между электродами большое, то при движении от катода к аноду заряженные частицы не встречают достаточного количества соударений, чтобы вызвать лавинную ионизацию, и процесс может прекратиться. В то же время, под воздействием внешнего ионизатора всё же появляются свободные первичные электроны, которые могут дать начало новым лавинам, поэтому при повышении напряжения пробой всё же происходит.

Ответы на контрольные вопросы:

1. Что такое коэффициент неоднородности электрического поля?

Коэффициент неоднородности – это коэффициент, который характеризует степень неоднородности электрического поля между электродами и равен отношению максимальной напряженности Емакс к средней напряженности Еср поля между электродами.

2. Что называется лавиной электронов?

Если в газе между двумя электродами появляется свободный электрон, то, набирая энергию при движении к аноду, он может ионизировать атом или молекулу газа при столкновении. В результате этого многократно повторяющегося процесса появляются новые свободные электроны, число которых непрерывно растет. Этот лавинообразный процесс называют лавиной электронов.

3. В чём заключается условие самостоятельности разряда в газах?

Условия самостоятельности разряда в газах:

1) Оставшиеся после прохождения лавины положительные ионы, двигаясь к катоду, бомбардируют его и вызывают эмиссию электронов из катода;

2) Возбужденные атомы и молекулы, образующиеся наряду с ионизацией, испускают фотоны, которые могут приводить как к фотоионизации в объеме промежутка, так и к фотоэмиссии электронов из катода. Вторичные электроны могут образовывать лавины в разрядном промежутке.

Эти условия можно записать формулой , где S – расстояние между электродами; γ – коэффициент вторичной ионизации.

4. Что называют коэффициентом ударной ионизации?

Коэффициент ударной ионизации α – коэффициент, характеризующий количественно интенсивность размножения электронов в лавине, численно равный числу ионизаций, производимых электронами на пути в 1 см по направлению электрического поля.

где Е – напряжённость электрического поля,  – относительная плотность воздуха.

5. Почему при измерении напряжения используют электроды шар-шар, а не плоскость-плоскость?

Использование электродов шар-шар объясняется тем, что они более экономичны при изготовлении, изменять расстояние между ними проще, также промежуток между двумя шарами получил широкое распространение в мировой практике как универсальный прибор для измерения амплитудных значений постоянного, переменного и импульсного напряжения.

Проведём эксперимент на переменном напряжении.

Рисунок 4 – Схема экспериментальной установки

АТ – автотрансформатор; Т – высоковольтный трансформатор; – защитное сопротивление; – высоковольтный омический делитель; – добавочное сопротивление; V – вольтметр; – микроамперметр; 1-4 – испытуемые электроды

Таблица 2 – Результаты эксперимента (Переменное напряжение)

Форма электродов		Экспериментальные данные					Расчётные данные
		1	2	3
Остриё - остриё	0.5	8	8	8	8	16	8.61	17.22
	1	12	10	12	11.3	11.3	10.27	10.27
	1.5	10	12	12	11.3	7.53	11.94	7.96
	2	18	16	16	16.67	8.33	13.61	6.8
	2.5	19	18	20	19	7.6	15.28	6.11
	3	21	21	22	21.3	7.1	16.94	5.65
Шар – шар (10 см)	0.5	10	9	9	9.3	18.6	15.544	31.09
	1	18	18	19	18.3	18.3	30.578	30.578
	1.5	29	28	28	28.3	18.867	45.12	30.08
	2	38	36	38	37.3	18.65	59.186	29.59
	2.5	48	48	48	48	19.2	72.792	29.12
	3	56	56	56	56	18.67	85.954	28.65
Шар (5 см) - плоскость	0.5	11	10	9	10	20	-	-
	1	18	18	18	18	18	-	-
	1.5	26	26	26	26	17.33	-	-
	2	32	32	32	32	16	-	-
	2.5	36	36	37	36.3	14.52	-	-
	3	41	42	41	41.3	13.76	-	-
Шар (5 см) - остриё	0.5	8	6	4	6	12	-	-
	1	10	8	10	9.3	9.3	-	-
	1.5	14	13	13	13.3	8.87	-	-
	2	17	18	18	17.67	8.83	-	-
	2.5	22	22	22	22	8.8	-	-
	3	26	26	26	26	8.67	-	-
Шар (12,5 см) - остриё	0.5	6	6	4	5.3	10.6	-	-
	1	10	10	10	10	10	-	-
	1.5	14	16	14	14.67	9.78	-	-
	2	20	18	18	18.67	9.34	-	-
	2.5	24	24	26	24.67	9.87	-	-
	3	30	30	28	69.3	23.1	-	-
Коронирующие кольца	0.5	6	6	6	6	12	-	-
	1	10	10	11	10.3	10.3	-	-
	1.5	14	16	14	14.67	9.78	-	-
	2	16	18	18	17.3	8.65	-	-
	2.5	20	22	20	20.67	8.27	-	-
	3	24	26	24	24.67	8.22	-	-
Кольцо - остриё	0.5	24	22	22	22.67	45.34	-	-
	1	24	22	22	22.67	22.67	-	-
	1.5	24	23	23	23.3	15.53	-	-
	2	24	24	24	24	12	-	-
	2.5	26	26	26	26	10.4	-	-
	3	28	27	28	27.67	9.22	-	-

Приведём пример расчёта экспериментальных данных:

По приближённым формулам произведём расчёт разрядного напряжения для некоторых из форм электродов. Приведём пример.

Для начала определим относительную плотность воздуха, при которой производился эксперимент

Остриё – остриё

Шар – Шар

По опытным и расчётным данным построим зависимости для различных электродных систем.

Рисунок 5 – Зависимости разрядного напряжения от величины промежутка между электродами