Закономерности импульсного пробоя газов — КиберПедия 

Археология об основании Рима: Новые раскопки проясняют и такой острый дискуссионный вопрос, как дата самого возникновения Рима...

Типы оградительных сооружений в морском порту: По расположению оградительных сооружений в плане различают волноломы, обе оконечности...

Закономерности импульсного пробоя газов

2017-06-04 344
Закономерности импульсного пробоя газов 0.00 из 5.00 0 оценок
Заказать работу

При импульсном пробое газов увеличивается электрическая прочность относительно статического уровня. Это связано с конечным временем формирования разряда, которое, в свою очередь, обусловлено вероятностными характеристиками появления первичных электронов в промежутке, появления вторичных лавин и стримеров и т.д. Значения возникающего перенапряжения, т.е. увеличения пробивного напряжения относительно статического уровня может достигать двухкратного и более уровня.

 

Современные представления об электропроводности жидкостей.

 

Вопрос об электропроводности жидкостей в сильных электрических полях обширен, и ему посвящено достаточно много работ. Здесь рассмотрим только вопросы происхождения носителей заряда, их движение, а также особенности электропроводности в сильных электрических полях. Наибольший прогресс в изучении электропроводности диэлектрических жидкостей достигнут в работах Лаборатории Электростатики г. Гренобль. В изложении, будем опираться, в основном, на результаты их работы и на собственные результаты.

Способность любых материалов проводить электрический ток определяется наличием зарядов в нем и возможностью их движения. Можно привести наиболее общую формулу для плотности тока j, верную для любых сред, за исключением вакуума.

j =S n i q i m i E, (3.1)

Здесь i – тип или cорт заряда, (например электроны, ионы различных молекул, молионы (заряженные частицы) и т.п.), ni – концентрация зарядов i cорта, q i – значение заряда, m i – подвижность носителей заряда.

 

Появление носителей заряда.

В не очень сильных полях носители заряда появляются, в первую очередь, путем термоионизации молекул основного вещества или примесей, либо за счет появления из электродов (эмиссия). При всех способах в диэлектрике появляются, в основном, электроны и ионы. В (3.1) наиболее значительную роль играет ni. Оценку ni можно сделать из общих энергетических соображений. Изменение концентрации носителей заряда определяется выражением

~ n × n × e-W/kT (3.2)

где n – плотность молекул, n – частота колебаний электрона в молекуле (~10141/сек), W – энергия ионизации, k – постоянная Больцмана, Т – температура. При комнатной температуре kT ~ 1/40 эВ. Механизмы исчезновения зарядов: рекомбинация электрона с ионом, уход на поверхности и электроды. Для рекомбинации можно воспользоваться выражением.

= Kr ni 2 (3.3)

где K r коэффициент рекомбинации. Для объемной рекомендации в жидкости коэффициент рекомбинации составляет по порядку величины 10-9 см3 / (сек × ион). Из (3.2) и (3.3) можно получить выражение для определения n i. В равновесии количество носителей не меняется со временем, приравнивая (3.2) и (3.3) получим.

ni = (n × n / K r)1/2 × e-W/2kT (3.4)

Подчеркнем, что концентрация ионов пропорциональна квадратному корню из концентрации диссоциирующей примеси! Т.е. между ними нет прямой пропорциональности!

Современные представления о проводимости диэлектрических жидкостей состоят в следующем. Здесь носителями заряда являются ионы, которые образуются либо вследствие диссоциации (развала) молекул на два (преимущественно) иона (рис.3.1.), либо ионизации (отрыва электрона). После отрыва электроны легко прилипают к нейтральным молекулам жидкости, т.к. не могут существовать в свободном состоянии. В результате все равно получаются ионы! Как ионизация, так и диссоциация, облегчены по сравнению с газами за счет большей диэлектрической проницаемости, ибо высота потенциального барьера (энергия отрыва) понижена в e раз. Это можно показать, рассматривая кулоновскую энергию взаимодействия двух зарядов, катиона и аниона,(+e и e), разошедшихся на расстояние r.

W = e2 / (4p e0 e × r ) (3.5) Рекомбинация носителей заряда в жидкости затруднена, поскольку заряды легко окружаются (сольватируются) соседними молекулами, ориентированными соответствующими концами постоянных или индуцированных диполей к ионам.. Ионизироваться могут молекулы основной жидкости, или примесей, если они являются ионофорами, т.е. имеющими преимущественно ионную связь между частями молекулы. Характерный пример ионофора: молекула NaCl, которую можно представить состоящей из ионов Na+ и Cl-. В жидкости молекула NaCl

 

 

 

Рис.3.1. Диссоциация молекулы (при расхождении ионов), рекомбинация ионов (при сближении и слиянии в молекулу).

 

может растворяться и существовать сразу в виде ионов, либо слабосвязанных ионных пар (Na+Cl), либо в виде комплексов ионных пар. Помимо ионофоров, в жидкости могут существовать ионогены, т.е. вещества, образующие ионы только при взаимодействии друг с другом. Например, вода, растворенная в диэлектрической жидкости, может облегчать ионизацию других примесей, растворенных в жидкости.

Оценка по выражению (3.4) степени ионизации примеси с потенциалом ионизации 4 В (в газе), растворенной в жидкости с e = 2 в количестве 1% с учетом рекомбинации (коэффициент рекомбинации K r ~ 10-15 м3 / cек) дает концентрацию носителей заряда более 1010 1/cм3, что приводит к проводимости жидкости s ³ 10-12 Ом-1 см-1.

Иллюстрацией влияния диэлектрической проницаемости могут служить результаты наших экспериментов с проводимостью композитов «порошок диэлектрика (сегнетокерамика) с различными диэлектрическими жидкостями. При этом, в зависимости от диэлектрической проницаемости жидкости в диапазоне от 2 до 15, электропроводность композитов менялась на шесть-девять порядков величины (рис.3.2.).

 

Рис. 3.2. Удельное сопротивление композиции, приготовленной с использованием жидкостей с различной диэлектрической проницаемостью.

 

Диссоциационно-рекомбинационные процессы. Теория Онзагера. Из молекулярно-кинетической картины процесса расхождения двух ионов радиусов R1 и R2 (R12 = R1 + R2), имеющих коэффициенты диффузии D1 и D2 можно считать, что диссоциация произойдет тогда, когда они разойдутся на расстояние L b, на котором энергия их взаимодействия становится меньше тепловой энергии. Из этих соображений коэффициент диссоциации

где

Из этих же соображений можно определить константу рекомбинации

Молекулярно-кинетическая теория позволяет рассчитать и влияние электрического поля на константы равновесия, а следовательно и на электропроводность. Константа рекомбинации не зависит от поля, тогда как константа диссоциации имеет сильную зависимость


где

 

а функция F(p) выражается через функцию Бесселя первого порядка

 


Эта зависимость очень сильная, при больших p близка к экспоненциальной зависимости, т.е при воздействии сильных электрических полей электропроводность пропорциональна eÖE.

 

Движение носителей заряда.

Что касается подвижности, то в сильных электрических полях она определяется движением жидкости. При этом подвижности любых ионов близки друг другу, т.к. ионы “вморожены” в жидкость и переносятся “микроструйками” жидкости.

Возникновение ЭГД-течений непосредственно связано с появлением объемных зарядов в жидкости. Теоретические оценки и экспериментальные данные показывают, что при наличии объемного заряда ЭГД-течения в неполярных жидкостях возникают при напряжении в несколько сот вольт, а в полярных - при напряжении в несколько десятков вольт. Наличие течений в жидких диэлектриках эффективно проявляется в определенном диапазоне сопротивлений 1014 Ом×см – 108 Ом×см. При высоких проводимостях объемный заряд практически не возникает ввиду малости времени диэлектрической релаксации заряда. Малые проводимости, без инжекции, не обеспечивают достаточного для возникновения течения количества заряда.

ЭГД–течения в жидкостях значительно увеличивают подвижность носителей заряда и вносят свой вклад в нелинейность вольт–амперной характеристики. В сильных полях движение жидкости переходит из ламинарного режима в турбулентный режим. ЭГД–подвижность примерно в 10 раз превосходит подвижность ионов в слабых полях и практически не зависит от сорта ионов. m эгд ~ (3×10-7 ¸ 10-8) м2 / (В×c),

m эгд» (e0 e ¤ r)1/2 ¤ 3 (3.6)

Электрогидродинамика может играть различную роль в пробое жидкости. Помимо того, что течения являются индикатором наличия объемного заряда, они вызывают дополнительные локальные усиления поля. Имеются сведения об уменьшении Еb в области скоростей движения жидкостей >10 см/сек.

Наши эксперименты (рис. 3.3., рис. 3.4.) по исследованию движения носителей заряда и микропузырьков в нитробензоле под действием сильных импульсных электрических полей показали, что и пузырьки и ионы движутся практически с одинаковой скоростью. Это означало, что они передвигаются вместе с жидкостью. При этом течения зарождались на фронте импульса, т.е. при временах воздействия порядка 1 мкс. Отсюда был сделан вывод о том, что они переносятся микроструйками, которые образуются за времена менее 1 микросекунды.

Регистрация движения носителей заряда осуществлялась с помощью сверхскоростного фоторегистратора СФР в режиме щелевой развертки. Движение носителей заряда, появившихся у электрода за счет эмиссии носителей приводило к перераспределению напряженности поля. Последнее регистрировалось с помощью эффекта Керра. Грубо говоря, линии равной разности фаз (линии керрограммы) можно приблизительно считать линиями равной напряженности. Положение линий определяется напряжением и внедренным объемным зарядом. Поскольку ни то, ни другое не может меняться скачком, эти линии достаточно плавны и начинаются и заканчиваются на электроде. Фронт движения носителей заряда ясно регистрируется в виде изгиба линий керрограммы. Движение пузырьков регистрируется в виде темных линий, которые могут появиться, исчезнуть по мере зарождения или исчезновения пузырьков, а также по мере попадания или ухода из области, регистрируемой щелью. По наклону линий определяется скорость пузырьков, по движению фронта скорость носителей заряда. Отсюда можно заключить, что доказательством образования струек является зарегистрированное оптическим способом, в сочетании с электрооптическим способом, движение различных носителей заряда и пузырьков с приблизительно одинаковыми скоростями. Оценки подвижности носителей заряда для наших экспериментов дают значения mэгд ~ (5±2)×10-7 м2/(В×c), что не противоречит электрогидродинамической природе носителей заряда.

Рис. 3.3. Эксперимент в нитробензоле, демонстрирующий инжекцию носителей заряда из электродов и возникновение ЭГД течений. Вверху – импульс напряжения, внизу– развертка картины полос у электрода.

Рис. 3.4. Покадровая картина приэлектродных полей. Можно заметить инжекцию носителей заряда, пузырьки, возникновение пробоя. Снимки получены через 1,2 мкс, 2,6 мкс, 4,5 мкс, 10 мкс после подачи импульса.

Приэлектродные явления.

Электропроводность жидкостей и давление в жидкости зависят от свойств границы раздела «электрод–жидкость». Электродные процессы играют важную роль в проводимости жидкости, в особенности в области сильных электрических полей. В любом случае, какой бы ток не протекал в промежутке, в силу непрерывности тока, такой же ток протекает через контакт. Строго говоря, закон Ома выполняется только в дифференциальной форме. Это касается не только жидкостей, но и полупроводников. (К твердым диэлектрикам это относится в меньшей степени ввиду малости числа свободных зарядов в них.) Объединяет эти, на первый взгляд, далекие по своим свойствам вещества, наличие контактных переходов "металлический электрод – среда". Процессы в контактах наиболее изучены в полупроводниках. Приведение в контакт двух полупроводников или полупроводника с металлом вызывает процессы перетекания заряда, связанные с выравниванием химических потенциалов носителей в разных средах. Выравнивание химических потенциалов носителей по разные стороны контакта приводит к формированию скачка электрического потенциала на границе. Протекание тока через контакт при этом может иметь различный характер: контакт может быть инжектирующим, когда в среду поступают носители только одного знака, омическим, когда носители обоих знаков имеют равную возможность для перехода через контакт и запорным, когда носители не переходят границу "среда-электрод". В первом случае при воздействии напряжения в приэлектродной области образуется объемный заряд знака, совпадающего со знаком электрода, т.н. гомозаряд. В случае омического контакта объемного заряда нет, а вблизи запорного контакта образуется заряд противоположного знака, т.н. гетерозаряд. Отсюда нетрудно понять, что закон Ома в интегральной форме выполняется только в случае омического контакта у обоих электродов. Во всех остальных случаях объемный заряд нарушает однородность поля, что, само по себе, приводит к нелинейности вольтамперной характеристики. Известно, что в жидкостях закон Ома выполняется при малых напряжениях U < 1 В. По–видимому, при малых напряжениях контакт всегда оказывается омическим. Отличие в контактах "металл – твердое тело" и "металл – жидкость" не только в том, что при переходе меняется среда в которой движутся носители, но и меняется тип самого носителя. Согласно тщательно выполненным работам Гренобльской группы во всех случаях электропроводности жидких диэлектриков, когда удавалось идентифицировать носители заряда – они оказывались ионами. В металлических электродах и в полупроводниках проводимость осуществляется электронами и дырками, в контактах непрерывность тока во всех случаях осуществляется путем электронных переходов. При этом материальный баланс должен соблюдаться для любого типа носителей заряда. Для неразряжающихся ионов контакт оказывается запорным, для ионизирующихся нейтралов инжектирующим, а для перезаряжающихся ионов омическим.

Двойной электрический слой.

Рассмотрим причины нарушения закона Ома. Прежде всего, следует выяснить: откуда берутся носители заряда в жидкости и куда они исчезают? В жидкости всегда существует некоторое количество ионов вследствие диссоциации молекул основного вещества и примесей. Ионы реорганизуют среду вокруг себя, образуя сольватную оболочку, препятствующую их рекомбинации. Взаимодействие ионов между собой в слабополярных жидкостях приводит к образованию слабосвязанных комплексов ионных пар, а взаимодействие с электродами приводит к образованию двойных электрических слоев (ДЭС). Возникают различные варианты создания ДЭС в зависимости от типа взаимодействия тех, либо иных ионов с поверхностью электродов. При этом скачок потенциала на границе будет определяться, главным образом, наличием т.н. потенциалоопределяющих ионов, которые химически адсорбируются на поверхности.

Рис. 3.5. Схема двойного электрического слоя.

 

Двойной электрический слой состоит из двух частей. Плотная часть, слой Гельмгольца, образована адсорбированными десольватированными ионами и полярными молекулами, непосредственно прилегающими к электроду, а также сольватированными ионами. Диффузионная часть, слой Гуи-Чепмена, простирается вглубь промежутка, примерно на расстояние xдс = (2× Di × tm)0.5, где D i – средний коэффициент диффузии ионов, tm – максвелловское время диэлектрической релаксации. Двойной электрический слой управляет электропроводностью жидкости за счет электрохимических реакций в области контакта. Он может порождать ионы из нейтральных молекул, либо нейтрализовать ионы, превращая их в нейтральные молекулы или атомы. Эти реакции происходят в области слоя Гельмгольца, продукты или аддукты реакции обмениваются с объемом путем диффузии. Тип реакции определяется соотношением занятых и свободных энергетических уровней электрода и каждой из реагирующих частиц. Электрод при этом играет роль одной огромной реагирующей частицы.

При воздействии электрического поля ионы начинают скапливаться у электродов соответствующего знака, изменяя контактную разность потенциалов (потенциал двойного слоя). Реагируют с электродом только те частицы, соответствующие уровни электронных состояний которых близки к уровню Ферми в металле. При увеличении напряжения межфазный потенциал растет за счет неразрядившихся ионов и в электродную реакцию дополнительно вступают новые компоненты с другими электронными уровнями. Рост количества зарядов в среде, естественно ведет к непропорциональному росту тока и, следовательно, к нарушению закона Ома. Возврат системы к более низким напряжениям не приводит к восстановлению исходной проводимости, как правило, проводимость увеличивается.

Электродные реакции могут быть обратимыми и необратимыми. При обратимых реакциях ион, порожденный на одном электроде, разряжается на втором, в виде нейтрального образования диффундирует к первому электроду и затем превращается опять в ион. Общее количество заряда не меняется, химических преобразований нет. Во втором случае происходит химическое преобразование компоненты реакции. Если продукт реакции вступает во взаимодействие с электродами или с молекулами жидкости с образованием ионов, то возможно катастрофическое нарастание проводимости жидкости.

Характерным является то обстоятельство, что по мере дальнейшего роста напряжения темп роста проводимости увеличивается. Ранее, как отмечено в работах, экспоненциальный рост проводимости приписывали процессам ударной ионизации молекул жидкости.

Рождение ионов вблизи металлического электрода в условиях сильного электрического поля управляется изменением потенциала двойного слоя DV

J = 2 Jо sh(DV× e/ кТ) (3.7)

где - ток обмена электродной реакции, зависящий от концентрации частиц, участвующих в реакции, скорости реакции и её энергетического барьера. Значение DV изменяется как за счет непосредственного действия электрического поля DV1=Xа Е, где Xа –расстояние от электрода до точки, где происходит электронный обмен, так и за счет неразряжающихся ионов DV2 = Xа× q / eо e, где q поверхностная плотность зарядов неразрядившихся ионов. Оценки DV для Е=150 кВ/см, Xа=10-20 Å, q=sE Е t, sE = 10-14 См/см, t» tm дают DV1»DV2 = (1,5¸3)×10-2 В. Конечно, это значение заметно влияет на ток в промежутке, поскольку инжекционный ток сравним с током обмена. При этом, ток остается пропорционален исходной проводимости жидкости.

В неполярных жидкостях существует дополнительный потенциальный барьер для инжектированных ионов, связанный с действием сил изображения. Ион может стать свободным, только отойдя от электрода на некоторое расстояние за счет диффузии dD =(e / 4 p eо e Е)0.5.

Поскольку с ростом Е расстояние dD уменьшается, теория предсказывает резкую зависимость инжекционного тока от напряженности. Это нашло подтверждение в результатах, представленных в работе, где ток в неполярной жидкости циклогексане возрос примерно в 2000 раз в поле напряженностью 150 кВ/см относительно того значения, которое было бы при низковольтной проводимости. Таким образом, электрохимическая инжекция носителей заряда может привести к значительному росту тока, что должно отразиться на ВАХ в виде монотонно ускоряющейся кривой. В наших экспериментах по электропроводности чистого перфтортриэтиламина (рис.3.6.) было получено увеличение удельной электропроводности примерно на два порядка при изменении напряженности поля от нуля до 300 кВ/см.

 

Рис. 3.6. Ряд 1 – нерж. сталь, зазор 0,8 см, ряд 2–нерж. сталь, зазор 0,4 см, ряд 3. – сталь-3, зазор 0,4 см

 


Поделиться с друзьями:

Папиллярные узоры пальцев рук - маркер спортивных способностей: дерматоглифические признаки формируются на 3-5 месяце беременности, не изменяются в течение жизни...

Механическое удерживание земляных масс: Механическое удерживание земляных масс на склоне обеспечивают контрфорсными сооружениями различных конструкций...

Индивидуальные очистные сооружения: К классу индивидуальных очистных сооружений относят сооружения, пропускная способность которых...

Опора деревянной одностоечной и способы укрепление угловых опор: Опоры ВЛ - конструкции, предназначен­ные для поддерживания проводов на необходимой высоте над землей, водой...



© cyberpedia.su 2017-2024 - Не является автором материалов. Исключительное право сохранено за автором текста.
Если вы не хотите, чтобы данный материал был у нас на сайте, перейдите по ссылке: Нарушение авторских прав. Мы поможем в написании вашей работы!

0.009 с.