1. Wytrzymałość elektryczna a pole elektryczne

O wystąpieniu wyładowań decyduje w znacznym stopniu natężenie pola elektr. O wystąpieniu przebicia lub przeskoku iskrowego, które są nazywane wyładowaniem zupełnym nie decyduje tylko wartość max nat. pola elektrycznego ale rozładowanie tego pola elektr. w pewnym obszarze, w który wyładowanie się rozwija

a) Pole elektryczne może mieć różny charakter w zależności od źródła tego pola i własności ośrodka

-ładunki zgromadzone na naładowanych elektrodach lub naelektryzowanych ciałach w ośrodku o pomijalnej przewodności są źródłem pola elektr.

-podobne źródła ale w ośrodku o większej przewodności tworzą pole, tzw. upływnościowe lub pole przepływowe. Występuje ono z reguły przy napięciu stałym.

-pole elektryczne przemienne występuje w ośrodkach stratnych. Przy napięciu przemiennym jest inne niż przy napięciu stałym

b) Pole elektrostatyczne powstaje wtedy, gdy w pewnym ośrodku bez upływu zostaną nagromadzone na pewnych obiektach ładunki elektr. które są źródłem pola elektrostatycznego. Pole to objawia się przede wszystkim działaniem kolumbowskich sił jednorodnych

c) Natężenie pola elektrycznego- w każdy punkcie pola jest określone przez siłę, jaka działa na jednostkowy ładunek elektryczny dodatni +q

[V/m] [kV/cm]

- natężenie pola elektrycznego

d) Strumień elektryczny

( prawo Gaussa)

strumień ładunek

elektryczny

e) Powierzchnia ekwipotencjalna

Miejsce geometryczne punktów o tym samym potencjale nazywane jest powierzchnią ekwipotencjalną

Potencjał V= -

Potencjał w danym punkcie pola wyraża się pracą jaka należy wykonać przeciwko działaniom sił pola aby przesunąć dodatni ładunek jednostkowy z pewnej odległości do danego punktu

Różnica potencjałów pomiędzy punktami nazywana jest napięciem

Pojemność

C=

f) Przenikalność elektryczna

2. Układy izolacyjne foremne

Ukł. foremne są to układy symetryczne względem punktu lub prostej lub płaszczyzny

1. układ płaski

W układzie płaskim idealnym elektrody są nieograniczone płaszczyznami równoległymi. W przestrzeni pomiędzy tymi elektrodami pole jest jednorodne

Miedzy napięciem a natężeniem pola zachodzi związek

E=

U-różnica potencjałów

a-odległość elektrod

Indukcja elektryczna która ilościowo jest równa gęstości ładunku

D=

Q=DS.=

C=

Wykres natężenia pola i potencjałów

Wytrzymałość elektryczna w układzie płaskim

Ep=

2. układ walców współosiowych

Powierzchnie ekwipotencjalne są również walcami. Linie pola rozchodzą się promieniście

Na podstawie prawa Gaussa wyprowadzamy zależność

D=

U=-

U=

Q=

C=
POJEMNOŚĆ

E

E
NATĘŻENIE POLA ELEKTRYCZNEGO

Emax=

Emin=

V
POTENCJAŁ

3. układ dwóch walców równoległych

Emax

4. walce w płaszczyznach

Zastępując a=2h oraz u przez 2U otrzymujemy

Emax

C

5. układ kul koncentrycznych

U=-

U=-

U=

Q=4

C=

E

E

Emax=

Emax=

R
C=4
POJEMNOŚĆ KULI SAMOTNEJ

f) układ kul ekscentrycznych

układ ten może być symetryczny lub niesymetryczny

Emax=

Emax=

g)układ ostrzawy

g)Układ płaski uwarstwiony szeregowo

D

Q

=const

D=

W układach uwarstwionych szeregowo powierzchnie stykających się ze sobą dielektryków są powierzchniami ekwipotencjalnymi i w związku z tym są prostopadłe do linii natężenia pola

Stosunek wartości natężenia pola jest odwrotnością stosunku ich przenikalności

W kondensatorze płaskim E=

E

=E

W praktyce częściej występują szeregowe

h) układ uwarstwiony równoległy

Stosunek indukcji magnet. jest równy stosunkowi przenikalności

9. Układ walcowy uwarstwiony szeregowo

Rozpatrujemy powierzchnię graniczną

10. uwarstwienie ukośne dwóch dielektryków

Składowe styczne

Kąt
względem prostej prostopadłej jest większy po stronie większej przenikalności elektrycznej

Pole elektryczne przy napięciu stałym i przemiennym o częstotliwości 50 Hz na przykładzie układu płaskiego uwarstwionego szeregowo

Przy napięciu stałym układ pola jest upływnościowy

- Nap. przemienne

W praktyce w napięciu przemiennym rozkład pola jest prawie taki sam jak rozkład pola elektrostatycznego, tzn. zależny od przenikalności elektrycznej. Jedynie dla złych dielektryków (takich , które mają dużą przewodność) trzeba uwzględnić jednocześnie przenikalność i przewodność

Zależność ogólna

dobry dielektryk

3. Wyładowanie elektryczne w gazach

W powietrzu a także w innych gazach w warunkach normalnych ciągle powstają i zanikają jony i elektrony.

Jonizację tą powodują czynniki naturalne:

-promieniowanie ultrafioletowe słońca

-promienie kosmiczne

-promieniowanie ciał radioaktywnych(ziemia i powietrze)

W 1cm
powietrza powstaje ok. 10 jonów/sekundę

Elektrony gazowe (dodatnie) będą się poruszać w polu elektrycznym ruchem jednostajnym przyspieszonym

Jeżeli elektrony i jony poruszają się w gazie wobec tego przepływa prąd elektryczny(mały)

W obszarze od 0 do A źródłem elektronów i jonów są czynniki zewnętrzne. Pole elektryczne jest słabe, elektrony i jony poruszają się wolno. Jeżeli pole jest dostatecznie duże, powstałe elektrony dotrą do drugiej elektrody.

Po przekroczeniu pewnej wartości pola Eo następuje jonizacja zderzeniowa gazu (pojawia się dodatkowe źródło elektronów i jonów)

W silnym polu elektrony uzyskują dużą energię kinetyczną i przy zderzeniu z atomem powstają nowe elektrony i jony.

Poza pkt. C następuje wyładowanie samodzielne (występuje jonizacja zderzeniowa)

Oprócz jonizacji w gazie jeszcze inne zjawiska odgrywają ważną rolę

-fotojonizacja (promienie rentgenowskie, ultrafioletowe)

-jonizacja termiczna9wynika z cieplnego ruchu elektr. Zachodzi w temp. tysięcy

W wyładowaniach w gazie ważną rolę odgrywają zjawiska przeciwne do jonizacji np. rekombinacja oraz dyfuzja a oprócz tego bardzo ważne są zjawiska emisyjne tzn. wyzwolenie elektronów z ciał stałych

Możliwe są:

-termoemisja

-fotoemisja

-bombardowanie powierzchni jonami lub elektronami

-emisja polowa, możliwa w bardzo silnym polu elektrycznym

4. lawiny elektronowe

współczynnik jonizacji zderzeniowej Townsend'a

n- elektronów w czole lawiny

x-droga przebyta przez lawinę

dn=n
dx

-liczba elektronów powstająca na drodze 1cm

Po dojściu elektronów do anody lawina mogłaby zaniknąć ale w praktyce zachodzą dodatkowe zjawiska regeneracji nowych lawin

5. Mechanizm iskry krótkiej Townsenda

Według Tawnsenda tym zjawiskiem renegacyjnym lawiny jest emisja elektronów z katody, w skutek trafienia w nią jonów dodatnich

- współczynnik emisji Tawsenda oznacza liczbę elektronów wyzwolonych przez jeden jon dodatni. Pole elektryczne jest jednorodne

x =a

(x
liczba jonów dodatnich w lawinie

(e
liczba wyemitowanych elektronów z katody

a) Warunek ciągłości wyładowania polega na tym aby jonizacja nie ustała
(e

oznacza to początek wyładowania iskrowego

nie są stałe, są zależne

gęstość gazu

E- natężenie pola

Eo=

To wyładowanie iskrowe może mieć miejsce przy pewnej wartości

Uo=f(

b) Prawo Raschella

a-odległość elektrod

c) Powietrze- dla większych ciśnień tzn. dla większego iloczynu wytrzymałość gazu rośnie, bo przy wyższym ciśnieniu jest krótsza droga swobodna , mniejsza energia elektronów przed zderzeniami co utrudnia jonizację zderzeniową i przeskok iskrowy.

Dla mniejszych ciśnień ta wytrzymałość maleje.

Dla bardzo małych ciśnień jest mały iloczyn, wchodzimy w próżnię techniczną i energia elektronów jest duża, droga jest długa, prawdopodobieństwo zderzeń jest małe i jonizacja lawinowa jest utrudniona.

d) Mechanizm Towsenda- występuje dla małych iloczynów p*a co w normalnych warunkach atmosferycznych odpowiada a=1cm. Słuszność mechanizmu jest słuszna dla małych odległości.

6. Iskra długa:

a) Mechanizm kanałowy-występuje przy większych wartościach p*a , tzn. p*a>133hPa*cm. Wyładowanie rozwija się w postaci wąskiego kanału o dużej przewodności. Dużą rolę odgrywa tu fotojonizacja, wywołana promieniowaniem przechodzącym z samej lawiny elektronowej. Rozwijająca się lawina wysyła promieniowanie ultrafioletowe.

b) Kanał plazmowy-mieszanina jonów dodatnich i elektronów.

Przy anodzie powstający rozwój kanału będzie się rozwijał w przeciwnym kierunku. Gdy kanał połączy obie elektrody to nastąpi wyładowanie główne

Gdy źródło napięcia ma dużą moc to występuje wyładowanie plazmowe

c) Przy dużym odstępie elektrod

Przy dużych odstępach rzędu kilku metrów kanał plazmowy jest dość wąski i to się nazywa strumieniem. Strumień ostatniego skoku przekształca się w wyładowanie lawinowe

d) W polu niejednorodnym

Układ ostrzowy (ostrze-płyta) , zauważa się wpływ biegunowości ostrza

Wpływ biegunowości jest związany z oddziaływaniem dodatniego ładunku przestrzennego. Dodatnie jony gazowe tworzą ładunek przestrzenny

Gdy pole jest słabsze, to aby nastąpiło wyładowanie należy zwiększyć napięcie

Uo- wyładowanie początkowe

U
-przeskok

W układach o polu niejednorodnym, gdybyśmy zwiększali odległość elektrod, to otrzymamy fotowyładowanie

Uo- świetlenie objawia się ono niebiesko-fioletowym świeceniem w ciemności. To zjawisko występuje na liniach napowietrznych wysokiego napięcia, nazywa się ulotem lub..................feronowym. wokół przewodu występuje świecąca powłoczka

Us- snopienie , pojawiają się snopy iskier

Up-przeskok, iskry się wydłużają i gdy połączą obie elektrody, mamy przeskok. Dla bardzo małych odległości trudno jest rozróżnić formy wyładowań

e) W polu jednorodnym-dla układu płaskiego elektrod od razu następuje przeskok Uo=Up

Ulot-

Prąd ulotu ma charakter krótkich impulsów prądu, są to pojedyncze impulsy, gdy podniesiemy napięcie to jest ich więcej. Zjawisko9 ulotu zależne jest od biegunowości. Ulot rozwija się szybciej przy ujemnej biegunowości-impulsy regularne. Przy ostrzu dodatnim nieregularne. Ulot powoduje straty energii, zakłócenia radiowe-TV, osłabienie izolacji izolatorów

względna gęstość powietrza

m- współczynnik uwzględniający stan porównania przewodów i warunki pogodowe

r- promień przewodów

Często stosuje się przewody wiązkowe

7. Wytrzymałość elektryczna powietrza

1. statyczna w układzie płaskim

W warunkach normalnych:

Temp. 120
C

Ciśnienie 1013 hPa

Wilgotność 11gv

Ep=21,1 kV/cm (przy 50 Hz)

Ep=30 kV/cm (przy napięciu stałym wyprostowanym)

Dla małych odstępów (a<1mm) Ep jest większe

W układzie płaskim jest największa wytrzymałość

- Układ ostrzowy-wytrzymałość najmniejsza

- niesymetryczny (gdy jedno ostrze jest uziemione)

Up=14+3,16*a[kV,a-cm]

- symetryczny

Up=14+3,36*a

- Układ kulowy-dla małych odległości podobnie jak układ płaski. Pole elektryczne jest umiarkowanie niejednorodne, stosowany jako iskiernik kulowy do pomiaru wysokich napięć.

Dla odległości mniejszej niż średnica kul napięcia się pokrywają

b)Wpływ warunków atmosferycznych:

- Napięcie przeskoku w dowolnych warunkach

Up=Upn*

Gdzie

=

-wilgotność:

Up=Upn*

Kw=1+0,012(w-11)

Para wodna wychwytuje elektrony, powstają ciężkie ujemne jony wody, wytrzymałość rośnie

2. Wytrzymałość udarowa powietrza:

Przy udarach napięciowych ( krótkotrwałe impulsy napięcia- szybko narastające i krótko opadające)

Prawdopodobieństwo nastąpienia przeskoku

Charakterystyka udarowa

k
współczynnik udarowy

Ups- wytrzymałośc statyczna

8. Mechanizm przeskoku próżniowego

Uzyskiwanie coraz lepszej próżni nie prowadzi do nieograniczonego wzrostu wytrzymałości. Przeskok w próżni występuje inaczej niż w powietrzu. Rozpoczyna sie od emisji polowej tzw. autoelektrycznej: katoda przy odpowiednio dużym natężeniu pola jest źródłem emisji elektronów. Gdy elektrony zostana wyrzucone z katody to w próżni rozpędzaja się i takię rozpędzone elektrony będą docierać do anody. Uderzając w anodę powodują jej lokalne rozgrznia do bardzo wysokiej temperatury i odparowanie niewielkiej ilości dodatnich jonów. Towarzyszy temu też promieniowanie rentgenowskie.

W próżni bardzo istotne są zjawiska na elektrodach. Należy się spodziewać wpływu matariału z którego wykonane są elektrody

Obserwujw się pewien wzrost wytrzymałości po kilku przeskokach. Jest to efektem usunięcia zaabsorbowanych cząsteczek gazu na elektrodach. Elektrody w próżni pokryte są cienką warstwą powietrza.

9. Kondycjonowanie izolacji w próżni- przykłada się napięcie, by wystąpiło kilka przskoków

10. Ciecze

a) Wytrzymałość elektryczna

Jest to taka wartość napięcia po przekroczeniu którego następuje przebicie lub przeskok oznaczany Ep

O przebiciu mówimy, gdy mamy do czynienia z dielektrykami stałymi lub ciekłymi, w gazach jest przeskok iskrowy

11. Oleje

Można rozróżnić kilka mechanizmów przebicia dielektryków ciekłych

1. Mechanizm mostkowy

W olejach trochę zanieczyszczonych znajdują się włókienka celulozy, włókienka te łatwo pochłaniają wilgoć. Woda ma przenikalność elektryczną

2. Mechanizm jonizacyjny (kawitacyjny)

Występuje w cieczach dobrze oczyszczonych. W gazach mogą występować wyładowania niezupełne

60-70

początkowo wytrzymałość rośnie, a później maleje. Olej zawiera też wilgoć i włókienka celulozy. Początkowo, gdy temp. rośnie to woda z włókienek przechodzi do oleju i wytrzymałość rośnie. Gdy temp. jest wysoka to m. Jonizacyjny jest ułatwiony

12. Przebicie dielektryków stałych

Zależy od:

-temperatury

-napięcia

-zawilgocenie

Mechanizmy przebicia dielektryków stałych

1. Mechanizm elektryczny

2. Mechanizm cieplny

3. Mechanizm wyładowań niezupełnych

4. Mechanizm elektrochemiczny

a) Przebicie czysto elektryczne

Może nastąpić w czasie rzędu mikrosekund, przy dużym napięciu, w silnym polu elektrycznym. Teoria Frohlicha: zakłada się, że w materiale izolacyjnym jest niewielka liczba elektronów, w paśmie przewodnictwa, które będą się złączać z elektronami materiału stałego. Elektrony będą traciły część energii. Jeśli zostanie zachowana równowaga między energią w polu elektrycznym i energią siatki krystalicznej to nastąpi przebicie.

b) Mechanizm cieplny

Teoria Wagnera:

W materiale izolacyjnym stałym są słabsze miejsca np. o zwiększonej rezystancji

Prąd upływu płynie kanałami, wydziela się ciepło Q1=0,4U

Moc:

P=

przewodność cieplna -współczynnik chłodzenia

t- temperatura kanału

to- temperatura chłodzenia

Q2- ciepło odprowadzone na zewnątrz

-współczynnik przewodności cieplnej

1. mamy równowagę- tyle ciepła się wytworzy i tyle się wydzieli

3. przewaga ciepła wytworzonego w kanale nad odprowadzanym

2. miejsce styczności- równowaga chwiejna. Przed punktem B materiał będzie się grzał. Po przekroczeni B ciepło wytworzone Q1>Q2

c)Przebicie elektrochemiczne

Przy długotrwałym oddziaływaniu napięcia stałego lub wolnozmiennego, gdy dieektryk stały zawiera wilgoć,np. sole. Przy napięciu stałym następuje elektroliza,np. izolacja kondensatorów nasycanych olejami syntetycznymi, są tu ślady HCL

Celuloza- ulega depolimeryzacji. Po długim czsie starzenia materiał staje się ktuchy. Temp. przyspiesza procesy starzenia

3. Wyładowanie niezupełne

Materiał ze szczelinka zastępujemy trzema pojemnościami

Czas do przebicia może być bardzo długi nawet rzędu lat, lub krótki rzędu minut

---