Transcript شكست الكتريكي در عايق های گازی

‫بسمه تعالي‬
‫اصول مهندسي فشار قوي‬
‫شكست الكتريكي در عايقها‬
‫‪ -2‬گازها‬
‫قانون گازها‪ :‬كالسيك‬
‫تئوري جنبشي‬
‫قانون گازها‪:‬توزيع سرعت ذرات‬
‫شكست الكتريكي در گاز‬
‫شكست الكتريكي در گاز‬
‫شكست الكتريكي در گاز‪(-‬ميانگين) فاصله آزاد‬
‫شكست الكتريكي در گاز‬
‫شكست الكتريكي در گاز‪ -‬تعيين ميانگين فاصله آزاد‬
‫شكست الكتريكي در گاز‪ -‬تعيين ميانگين فاصله آزاد‬
‫• با فرض ‪ n0‬تعداد ذرات برخورد كننده در ‪ x=0‬و با انتگرالگيري در فاصله‬
‫صفر تا ‪: x‬‬
‫‪ N ( r1  r2 ) 2 x‬‬
‫‪n( x)  n0 e‬‬
‫• احتمال وجود فاصله آزادي بطول ‪ x‬برابر است با احتمال برخورد در فاصله‬
‫‪ .x+dx‬با مشتقگيري از رابطه فوق تابع چگالي احتمال فاصله آزاد ‪ x‬را‬
‫بصورت زير تعريف ميكنيم‪:‬‬
‫ميانگين فاصله آزاد خواهد شد‪:‬‬
‫• مقطع برخورد خواهد شد‪:‬‬
‫►‬
‫►‬
‫• مقطع كل شامل مولفه هاي زير خواهد بود‪:‬‬
‫شكست الكتريكي در گاز‪:‬مقطع برخورد كل‬
‫شكست الكتريكي در گاز‪ :‬مقطع برخورد كل‬
‫روابط قبل با فرض ساكن بودن ذرات مورد برخورد حاصل شد‪ ،‬در صورتيكه‬
‫جنبش ملكولي ناشي ازحرارت را در نظر بگيريم‪ ،‬مقطع برخورد با ضريب زير‬
‫اصالح خواهد شد‪:‬‬
‫• براي تركيبي از مخلوط چند گاز(‪1‬و‪2‬و‪ )...‬ميانگين فاصله آزاد ذرات گاز ‪ 1‬با‬
‫در نظر گرفتن فرض فوق خواهد شد‪:‬‬
‫►‬
‫ميانگين فاصله آزاد‬
‫• از رابطه‬
‫نتيجه ميشود‪:‬‬
Mean free path
‫توزيع فاصله آزاد‬
‫• با جايگذاري ميانگين فاصله آزاد درتابع چگالي احتمال آن خواهيم داشت‪:‬‬
‫• معادله فوق را با توجه به‬
‫مقطع برخورد هم ميتوان‬
‫نوشت كه مبين كاهش‬
‫ذرات برخورد كننده در‬
‫طي مسير ‪ x‬است كه‬
‫ممكن است در اثر جذب‪،‬‬
‫جذب نوري و‪ ...‬باشد‬
‫انتقال انرژي در برخورد ذرات‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫برخورد بين ذرات گاز بر دو نوع است‪:‬‬
‫‪ -1‬االستيك كه در آن انتقال انرژي از نوع جنبشي است‬
‫‪ -2‬غير االستيك كه در آن تمام يا بخشي از انرژي جنبشي‬
‫ذره متحرك بصورت پتانسيل به ذره مورد برخورد منتقل‬
‫ميشود‬
‫برخوردهاي منجر به يونيزاسيون‪ ،‬جذب‪ ،‬تحريك و غيره از‬
‫نوع دوم هستند‬
‫برخورد غيراالستيك دو ذره‬
‫►‬
‫انتقال انرژي در برخوردغيراالستيك دو ذره‬
‫►‬
‫‪u1≈ 0‬‬
‫‪u1≈ 0.5 u0‬‬
‫►‬
‫►‬
‫►‬
‫‪For electron‬‬
‫‪For ions‬‬
‫يونيزاسيون ضربه اي در گاز‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫گازها در حالت عادي (حرارت و فشارمعمولي) عايق كاملي هستند‬
‫هوا در حالت عادي و تحت ميدان الكتريكي ضعيف بمقدارخيلي كم‬
‫(در حد ‪10-16‬تا ‪10-17‬آمپر بر سانتيمتر مربع ) هدايت ميكند‬
‫اين هدايت ناچيز ناشي از يونيزاسيون ملكولهاي هوا در اثر اشعه‬
‫كيهاني و مواد راديو اكتيو موجود در زمين است‪.‬‬
‫در ميدانهاي قوي الكترونهاي آزاد از ميدان كسب انرژي كرده و در‬
‫برخورد با ملكولهاي هوا انرژي پتانسيل آنها را باال برده و باعث‬
‫خروج الكترون از جاذبه هسته (آزادي الكترون) ميشوند‬
‫شرط يونيزاسيون آن است كه انرژي كسب شده از ميدان از انرژي‬
‫يونيزاسيون ذره بيشتر باشد‪:‬‬
‫≈‬
‫≤‬
‫يونيزاسيون ضربه اي‬
‫• از طرفي تما م الكترونهاي پرانرژي قادر به يونيزه كردن‬
‫ملكولها نبوده و اين مرحله نيز تابع احتمال است‪:‬‬
‫يونيزاسيون ضربه اي ‪-‬ضريب اوليه تاونزند‬
‫• ضريب اوليه يونيزاسيون عبارت است از تعداد الكترونهاي‬
‫آزاد شده توسط هر الكترون در طي مسيري بطول واحد در‬
‫جهت ميدان‪.‬‬
‫• اين ضريب از يك طرف تابعي است از انرژي الكترون و‬
‫از طرف ديگر با تعداد ملكولها (فشار) در ارتباط مستقيم‬
‫است‪:‬‬
‫◄‬
‫يونيزاسيون ضربه اي ‪ -‬قانون تاونزند‬
‫تابعيت آلفا از فشار و شدت ميدان‬
‫►‬
‫و‬
‫تابعيت ‪ ‬از فشار و درجه حرارت گاز‬
‫مقايسه جريان تاونزند با مقاديرتجربي‬
‫عوامل تقويت يونيزاسيون ضربه اي‬
‫• عوامل تقويت عبارتند از‪:‬‬
‫• فوتو يونيزاسيون‬
‫• ترمو يونيزاسيون‬
‫• صدور الكترون از كاتد در اثر‪:‬‬
‫‪ -1‬تابش فوتون با انرژي بزرگتراز تابع كاري فلزكاتد ‪photoemission‬‬
‫‪ -2‬برخورد يونها و انتقال انرژي كسب شده از ميدان به كاتد‬
‫‪ -3‬گرم شدن كاتد ‪thermo emission‬‬
‫• اعمال ميدان الكتريكي قوي ‪► field emission‬‬
‫عوامل تقليل يونيزاسيون ضربه اي‬
‫• عوامل تضعيف عبارتند از‪:‬‬
‫• جذب ‪( attachment‬در گازهاي الكترونگاتيو)‬
‫• تركيب مجدد ‪recombination‬‬
‫• ديفوزيون ‪diffusion‬‬
‫تركيب مجدد‬
:‫نرخ كاهش ذرات با ضريب جذب بتا‬
dni
dt
  n
ni
2
i0
t
dn
i
►
    dt
2

ni 0 n i 0
0
The half time is:
►
Electron affinity (attachment)
‫اثر ثانويه (كاتد)‬
‫•‬
‫با فرض ‪n+‬تعداد الكترونهاي آزاد شده‬
‫از كاتد توسط يونها با ضريب گاما‬
‫‪I 0 ed‬‬
‫‪d‬‬
‫)‪1   (e  1‬‬
‫‪I‬‬
Field emission
Return
‫گذر از تخليه وابسته به مستقل‬
I 
I 
1   (e
1   (e
d
d
 1)  0
I 0e
1   (e
►
 1)  0   (e
d
 1)  1
d
d
 1)
‫تخليه الكتريكي‬
e
d
 1
1

1
 d  Ln(1  )  K

• As  is in the order of
then:
• K is in the order of 8-10 so
• K is a constant wile “alpha” changes with E and P
‫قانون پاشن‬
• From:
and
1
d  Ln(1  )  K

• result:
Vb  f ( pd)
‫منحني پاشن‬
‫قانون پاشن‬
Paschen’s law-1
:‫داشتيم‬
d  Ln(1 
1

)K
:‫همچنين‬
►
Paschen’s law-2
‫قانون پاشن‬
‫شدت ميدان شكست‬
‫) ‪f1 ( pd‬‬
‫شكست در ميدانهاي غير يكنواخت‬
‫شكست در ميدانهاي غير يكنواخت‬
‫‪ Depends to the path so:‬‬
‫‪Ncr≈ 10 8‬‬
Saint Elmo’s Fire
‫ميدان شروع كرونا براي هاديهاي هم محور‬
‫تاثير الكترونگاتيويته روي ميدان(همگن) شكست‬
‫ولتاژ شكست براي تركيب هاديهاي استوانه اي‬
‫هم محور در نيتروژن‬
‫‪Positive‬‬
‫‪Wire‬‬
‫‪Negative‬‬
‫‪Wire‬‬
‫تاثير پالريته روي ولتاژ شكست(‪)+‬‬
‫تاثير پالريته روي ولتاژ شكست(‪)-‬‬
‫تاخير در شكست‬
‫شكست تحت امواج ضربه اي‬
‫منحني هاي ولت‪ -‬زمان‬
‫تاثيرفرم ميدان‬
‫توزيع تاخير با اضافه ولتاژ‬
Normal distribution