Тема: Полімери

Лекція № 15

Мета: Вивчити властивості та область застосування полімерів

Методи: словесний

План:

1 Властивості та призначення

Матеріально-технічне забезпечення та дидактичні засоби, ТЗН:

Схеми

У природному стані гази майже не проводять електричний струм, тобто є діелектриками. Ізолюючі властивості газів пояснюються тим, що атоми і молекули в них є нейтральними, незарядженими частинками. Тільки дуже мала ча­стина атомів у цих умовах дисоціює на електрони та іони, рух яких під дією поля спричинює електричний струм. Наприклад, для повітря степінь дисоціації становить близько 10^-12. Заряджені час­тинки в газах можуть виникати під впливом дії зовнішніх чинни­ків: космічних, рентгенівських, ультрафіолетових променів, си­льного нагріву газу тощо. Електро - провідність газу, зумовлена дією таких зовнішніх чинників, називається несамостійною.

Зовнішні іонізатори надають атомам (молекулам) газу додат­кової енергії, під дією якої електрони відокремлюються від моле­кул, перетворюючи їх у позитивні іони. Вивільнені електрони ста­ють вільними носіями негативного заряду, а позитивні іони - но­сіями позитивного заряду. Вільні електрони можуть "приліпитись" до нейтральних молекул і перетворити їх у негативно заряджені іони. Таким чином, у газі під дією зовнішніх іонізаторів виникає невелика кількість електронів, позитивно та негативно зарядже­них іонів, які перебувають у безладному тепловому русі. Певна частина електронів і позитивно заряджених іонів рекомбінують, утворюючи нейтральні атоми і молекули.

Під дією напруженості електричного поля між електродами, розділеними шаром газу, електрони та іони переміщаються від одного електрода до іншого і створюють у газі електричний струм. У процесі спрямованого руху заряджені частинки на своєму шля­ху співударяються з нейтральними молекулами газу, які перебу­вають у хаотичному тепловому русі. За відносно невеликих зна­чень напруженості поля після зіткнення частинки розлітаються, як пружні кульки, не викликаючи іонізації нейтральних молекул. Отже, нових заряджених частинок не створюється. Сила струму між електродами визначається тільки кількістю утворених у газі під впливом зовнішніх чинників заряджених частинок та швидкіс­тю їх переміщення, яка зростає пропорційно напруженості елект­ричного поля. У цих умовах дотримується закон Ома (область ОА, рис. 5.18.). За подальшого зростання напруги на вольт-амперній характеристиці з'являється горизонтальна ділянка (область АВ, рис. 5.18), тобто закон Ома не виконується. Зростання напру­ги ще не викликає збільшення кількості в газі заряджених частинок і струм не зростає. Це постійне, не залежне від напруги значення сили струму називається струмом насичення. За нього усі заря­джені частинки досягають електродів, а нові ще не утворюються.

Якщо після досягнення в газі струму насичення продовжува­ти підвищувати напругу, то хід вольт-амперної характеристики раптово порушується і струм рі­зко зростає. Стрибок струму вказує на зростання в газі числа заряджених частинок під впли­вом самого електричного поля. Це значить, що поле надає окре­мим іонам (електронам) настільки великої швидкості (енергії),
що за співударів цих заряджених частинок з нейтральними молекулами останні розбиваються на іони та електрони. Число заряджених частинок тепер визначаєть­ся не зовнішніми іонізуючими чинниками, а дією самого поля.

Чим сильніше поле, тим більша частина нейтральних мо­лекул іонізується і струм зростає. Вказаний процес нази­вається ударною іонізацією газу (область ВС, рис. 5.18). За неї струм у газі швидко збільшується навіть за незначного підвищення напруги.

Утворені за ударної іонізації електрони та іони збільшують у газі кількість рухомих зарядів, а останні у свою чергу набувають під дією поля швидкостей, достатніх для ударної іонізації нових молекул. Процес іонізації самопідсилюється, іонізація газу дося­гає великого значення і виникає "лавина" заряджених частинок (рис. 5.19). Мінімальна напруга, за якої виникає ця лавина, є на­ пругою пробою газу ().

У багатьох видах електротехнічних конструкцій (лінії елект­ропередач, трансформатори та ін.) зовнішньою ізоляцією є повіт­ря. Пробивна напруга між двома розміщеними в газі електродами залежить яквід ► хімічного складу газу, ► його тиску, ► темпе­ратури, ► відстані між електродами, так і ► форми та розмірів електродів.

Пробій газоподібних діелектриків. У однорідному електрично­му полі, наприклад, у проміжку між двома кульковими електро­дами (рис. 5.20), якщо відстань між ними h набагато менша від діаметра d кульок, за зростан­ня напруги відразу виникає про­бій всього проміжку між елект­родами у вигляді іскри, яка за достатньої потужності джерела

У випадках неоднорідного поля, розряд у газі спочатку вини­кає в місцях з високою напруженістю електричного поля (біля еле­ктродів з найбільшою кривизною поверхні, загострень і т. д.). Роз­ряд спостерігається у вигляді світло-фіолетового світіння в шарі повітря біля електрода з мен­шим радіусом, супроводжуєть­ся характерним шипінням (по­тріскуванням) і утворенням озону О_з та оксиду азоту N0. У газі виникає коронуючий розряд (корона). За подальшого пiдвищення напруги розмiри корони зростають i вiдбувасться iскровий або дуговий розряд мiж електродами, тобто повний пробiй газового промiжку мiж ними.

Пробивна напруга залежить від частоти електричного струму (рис. 5.21) та тиску газу (рис. 522). Пробій газу настає за дуже короткий час (мікросекунди), тому амплітудне значення проби­вної напруги змінного струму з частотою менше тисячі герц прак­тично дорівнює значенню пробив­ної напруги за постійного струму (див. рис. 5.21). Із зростанням час­тоти пробивна напруга спочатку дещо знижується, але потім зростає.

Зменшення тиску газу знижує значення пробивної напруги до мінімуму (рис. 5.22), після якого пробивна напруга зростає в міру збільшення розрідженості газу. Така залежність пояснюється двома чинниками:

Ä значенням енергії, якої досягають заряджені частинки під дією поля на момент зіткнення з нейтральними молекулами;

Ä ймовірністю зіткнення заряджених частинок з нейтральними.

У полі напруженістю Е кінетична енергія зарядженої частинки W в момент зіткнення з нейтральною молекулою становить:

, (5.3)

де g - заряд частинки, - середня відстань, яку проходить заря­джена частинка до зіткнення. Якщо енергія W досягає значення "порогу іонізації" W ., тобто стає достатньою для розділення зу­стрічної молекули на електрон та іон, то заможе виникну­ти пробій газу, тому що новоутворені внаслідок іонізації заря­джені частинки також будуть розганятись полем до значень й іонізувати інші молекули. Процес розвиватиметься до повного пробою газового проміжку між електродами.

Із зростанням тиску газу зменшується середня відстань між молекулами, а значить і. Через це виконання умови пробою (5.3) настає при значному збільшенні Е. У високому вакуумі, навпаки, збільшується, але одночасно зменшується ймовірність зіткнен­ня заряджених частинок з нейтральними молекулами розріджено­го газу. Вплив останнього чинника переважає і пробій газу відбу­вається за більших значень Е. Очевидно, що за певного значення тиску газу співвідношення вказаних чинників таке, що пробій газу настає за мінімальних значень Е (мінімум на кривій, рис. 5.22).

Експериментально встановлено, що в однорідному полі значен­ ня пробивної напруги газового проміжку визначається законом