Електричний пробій. Пробій газоподібних діелектриків

Зараз ми якісно розглянемо деякі характеристики полів навколо провідників. Зарядимо електрикою провідник, але цього разу не сферичний, а такий, який має вістря або ребро (наприклад, у формі, зображеній на фіг. 6.14). Тоді поле в цьому місці виявиться набагато сильнішим, ніж в інших місцях. Причина в загальних рисах полягає в тому, що заряди прагнуть якомога ширше розтектися по поверхні провідника, а кінчик вістря завжди віддалений від решти поверхні. Тому частина зарядів на пластині тече до вістря. Відносно мале кількістьзаряду на ньому може створити велику поверхневу густина,а висока щільність
означає сильне поле поблизу провідника у цьому місці.

Фіг. 6.14. Електричне поле біля гострого краю провідника дуже велике.

Взагалі у тих місцях провідника, в яких радіус кривизни менший, поле виявляється сильнішим. Щоб переконатися в цьому, розглянемо комбінацію з великої та маленької сфер, з'єднаних дротом, як показано на фіг. 6.15. Сам провід не сильно впливатиме на зовнішні поля; його справа – зрівняти потенціали сфер. Біля якої кулі поле виявиться більш напруженим? Якщо радіус лівої кулі а, а заряд Q, його потенціал приблизно дорівнює

(Звичайно, наявність однієї кулі позначиться на розподілі зарядів на іншій, так що насправді ні на одному з них заряди не будуть розподілені симетрично. Але якщо нас цікавить лише зразкова величина поля, то можна користуватися формулою потенціалу сферичного заряду.) Якщо менший куля радіусом b має заряд q,то його потенціал приблизно дорівнює

Але j 1 =j 2 так що

З іншого боку, поле біля поверхні [див. рівняння (5.8)] пропорційно до поверхневої щільності заряду, яка у свою чергу пропорційна сумарному заряду, поділеному на квадрат радіуса. Виходить що

Фіг. 6.15. Поле гострого предмета можна приблизно вважати полем двох сфер однакового потенціалу.

Значить, у поверхні меншої сфери поле більше. Поля обернено пропорційні радіусам.

Цей результат з технічної точки зору дуже важливий, тому що в повітрі виникає пробій, якщо поле надто велике. Якийсь вільний заряд у повітрі (електрон або іон) прискорюється цим полем, і якщо воно дуже сильне, то заряд може набрати до зіткнення з атомом таку швидкість, що виб'є з атома новий електрон. У результаті з'являється дедалі більше іонів. Їхній рух і становить іскру, або розряд. Якщо вам потрібно зарядити тіло до високого потенціалу так, щоб воно не розрядилося в повітря, ви повинні бути впевнені, що поверхня тіла гладка, що на ньому немає місць, де поле занадто велике.

Кінець роботи -

Ця тема належить розділу:

Фейнманівські лекції з фізики

Цим випуском ми розпочинаємо друкування перекладу другого тому лекцій, прочитаних нар. фейнманом студентам другого курсу «Фейнманівські лекції з фізики», ви потроху долучатиметеся до живої науки, що розвивається.

Якщо Вам потрібний додатковий матеріал на цю тему, або Ви не знайшли те, що шукали, рекомендуємо скористатися пошуком по нашій базі робіт:

Що робитимемо з отриманим матеріалом:

Якщо цей матеріал виявився корисним для Вас, Ви можете зберегти його на свою сторінку в соціальних мережах:

Всі теми цього розділу:

Прямий провід
Як перший приклад знову обчислимо поле прямого дроту, яке ми знаходили в попередньому параграфі, користуючись рівнянням (14.2) та міркуваннями симетрії. Візьмемо довгий прямий провід радий

Довгий соленоїд
Ще приклад. Розглянемо знову нескінченно довгий соленоїд зі струмом по колу, що дорівнює пI на одиницю довжини. (Ми вважаємо, що є n витків дроту на одиницю довжини, що несуть

Поле маленької петлі; магнітний диполь
Скористайтеся методом векторного потенціалу, щоб знайти магнітне поле маленької петлі зі струмом. Як завжди, під словом «маленька» ми просто маємо на увазі, що нас цікавлять поля тільки на більш

Векторний потенціал ланцюга
Нас часто цікавить магнітне поле, створюване ланцюгом дротів, у якій діаметр дроту дуже малий у порівнянні з розмірами всієї системи. У таких випадках ми можемо спростити рівняння для магнітного

Закон Біо-Савару
У ході вивчення електростатики ми виявили, що електричний

Зараз ми якісно розглянемо деякі характеристики полів навколо провідників. Зарядимо електрикою провідник, але цього разу не сферичний, а такий, який має вістря або ребро (наприклад, у формі, зображеній на фіг. 6.14). Тоді поле в цьому місці виявиться набагато сильнішим, ніж в інших місцях. Причина в загальних рисах полягає в тому, що заряди прагнуть якомога ширше розтектися по поверхні провідника, а кінчик вістря завжди віддалений від решти поверхні. Тому частина зарядів на пластині тече до вістря. Відносно мале кількістьзаряду на ньому може створити велику поверхневу густина,а висока щільність означає сильне поле поблизу провідника у цьому місці.

Взагалі у тих місцях провідника, в яких радіус кривизни менший, поле виявляється сильнішим. Щоб переконатися в цьому, розглянемо комбінацію з великої та маленької сфер, з'єднаних дротом, як показано на фіг. 6.15. Сам провід не сильно впливатиме на зовнішні поля; його справа зрівняти потенціали сфер. Біля якої кулі поле виявиться більш напруженим? Якщо радіус лівої кулі а,а заряд Q,

(Звичайно, наявність однієї кулі позначиться на розподілі зарядів на іншому, так що насправді на жодному з них заряди не будуть розподілені симетрично. Але якщо нас цікавить лише зразкова величина поля, то можна користуватися формулою для потенціалу сферичного заряду.) Якщо менший куля радіусом bмає заряд q, то його потенціал приблизно дорівнює

Але ? 1 =? 2 так що

Значить, у поверхні меншої сфери поле більше. Поля обернено пропорційні радіусам.

Зараз ми якісно розглянемо деякі характеристики полів навколо провідників. Зарядимо електрикою провідник, але цього разу не сферичний, а такий, який має вістря або ребро (наприклад, у формі, зображеній на фіг. 6.14). Тоді поле в цьому місці виявиться набагато сильнішим, ніж в інших місцях. Причина в загальних рисах полягає в тому, що заряди прагнуть якомога ширше розтектися по поверхні провідника, а кінчик вістря завжди віддалений від решти поверхні. Тому частина зарядів на пластині тече до вістря. Відносно мала кількість заряду на ньому може створити велику поверхневу щільність, а висока щільність означає сильне поле поблизу провідника в цьому місці.

Фіг. 6.14. Електричне поле біля гострого краю провідника дуже велике.

(Звичайно, наявність однієї кулі позначиться на розподілі зарядів на іншій, так що насправді ні на одному з них заряди не будуть розподілені симетрично. Але якщо нас цікавить лише зразкова величина поля, то можна користуватися формулою потенціалу сферичного заряду.) Якщо менший куля радіусом b має зарядом q, то його потенціал приблизно дорівнює

Але j1=j2, тож

Фіг. 6.15. Поле гострого предмета можна приблизно вважати полем двох сфер однакового потенціалу.

Значить, у поверхні меншої сфери поле більше. Поля обернено пропорційні радіусам.
Цей результат з технічної точки зору дуже важливий, тому що в повітрі виникає пробій, якщо поле надто велике. Якийсь вільний заряд у повітрі (електрон або іон) прискорюється цим полем, і якщо воно дуже сильне, то заряд може набрати до зіткнення з атомом таку швидкість, що виб'є з атома новий електрон. У результаті з'являється дедалі більше іонів. Їхній рух і становить іскру, або розряд. Якщо вам потрібно зарядити тіло до високого потенціалу так, щоб воно не розрядилося в повітря, ви повинні бути впевнені, що поверхня тіла гладка, що на ньому немає місць, де поле занадто велике.

У газах спостерігається лише електричний пробій.

У газоподібних діелектриках є кілька вільних іонів і електронів, які під впливом електричного поля починають переміщатися до анода. Важлива роль при пробої, особливо в початковій стадії, належить електронам як частинкам, які мають набагато більшу рухливість, ніж іони. Електрон при зіткненні з молекулою передає їй частину своєї енергії, після цього можливі два варіанти подій, які спрощено можна описати так:

1.молекула іонізується, випускаючи електрон, таким чином, рухаються (розганяючись у полі) два електрони, які можуть іонізувати дві інші молекули і тепер уже рухаються чотири вільні електрони, які можуть іонізувати наступні чотири молекули - в результаті спостерігається ударна іонізація, що призводить до виникнення електронної лавини;

2.молекула переходить у збуджений стан і віддає надмірну енергію у формі випромінювання - фотона, який може іонізувати іншу молекулу, таким чином, відбувається фотонна іонізація, що призводить до виникнення каналу з підвищеною провідністю (стримеру).

Фотони, рухаючись зі швидкістю світла (3 10 8 м/с), випереджають електронні лавини та «зіштовхнувшись» з нейтральними молекулами, іонізують їх, даючи початок новим електронним («дочірнім») лавинам.

Основна і дочірні лавини, рухаючись до анода, ростуть, наздоганяють одна одну, зливаються і утворюють електронегативний стрімер - ланцюжок електронних лавин, що злилися в єдине ціле. Також утворюється потік із позитивних іонів, який рухається у зворотному напрямку, утворюючи електропозитивний стрімер. Підходячи до катода, позитивні іони, ударяючись об його поверхню, утворюють катодну пляму, що світиться, випромінює «вторинні» електрони. Позитивний стрімер, заповнюючись вторинними електронами та електронами, що утворюються в результаті електронної ударної іонізації та фотоіонізації, перетворюється на наскрізний канал газорозрядної плазми. Електропровідність цього каналу дуже висока, і по ньому спрямовується струм короткого замикання Iкз.

На малюнку 5.9 представлено схему, що пояснює розвиток електричного пробою, де лавини умовно показані у вигляді заштрихованих конусів, а хвилястими лініями зображені шляхи фотонів. Початки хвилястих ліній виходять з атомів, які були збуджені, ударом електрона і потім випустили фотон.

Рис. 5.9. Схематичне зображення електронної лавини та утворення електронегативного стримеру при пробої газу

Утворення плазмового газорозрядного каналу (рисунок 5.10) фактично є пробою газів. Виникнення Iкз- Наслідок пробою. Залежно від величини IкзПробою проявляється у вигляді іскри або електричної дуги.

Рис. 5.10. Схематичне зображення утворення газорозрядного плазмового каналу

Для пробою газу в постійному однорідному полі характерна залежність Епр від тиску (рисунок 5.11.а). При значеннях тиску вище за нормальний газ стискається і, отже, зменшується середня довжина вільного пробігу електрона. Тому для виконання умови можливості пробою необхідно підвищити напруженість електричного поля. Е. При розрядженні газу середня довжина вільного пробігу електрона зростає, і при цьому електрони можуть придбати додаткову енергію навіть за меншого значення напруженості поля. В області високого вакууму Е прзростає, тому що в результаті сильного розрядження газу зменшується число молекул в одиниці об'єму та знижується ймовірність зіткнення електронів із молекулами. Тиск 0.1 МПа відповідає нормальному атмосферному тиску.

Еповітря в однорідному полі зростає, як показано на малюнку 5.11 б), зі зменшенням відстані між електродами через зменшення ймовірності зіткнення електронів з молекулами газу. Зростання електричної міцності у разі викликаний труднощами формування розряду через малої відстані між електродами.

Пробивна напруга газів істотно знижується в неоднорідних полях, наприклад, для повітря при d= 1 см від 30 кВ до 9 кВ.

Рис. 5.11. Залежність електричної міцності газу від тиску

Закон Пашена. Закон Пашена показує залежність U np газоподібних діелектриків у конкретній конструкції від твору тиску Ргазу на відстань hміж електродами (рис. 5.12). Закон встановлює, що кожному газу відповідає своє мінімальне значення пробивної напруги U np.хвзалежно від твору Ph. Для газів, що складаються з дво- та багатоатомних молекул, Uпр.хвлежить у межах від 280 (Н 2) до 420 В (СО 2). На частоті 50 Гц у неіонізованого повітря однорідному електричному полі Uпр.хв~ 326 В. У інертних газів (газів, що складаються з одноатомних молекул) Uпр.хвнижче, ніж у газів з багатоатомних молекул (наприклад, у чистого аргону Uпр.хв≈195, а у аргону з домішкою парів натрію ~ 95 В, у неону з парами натрію ~ 85 В). Тому для зниження Uпр.хвінертних газів, що використовуються в газорозрядних приладах, електроди виготовляють (або хоча б їх покривають) з металів з присадками лужних або лужноземельних металів, що мають малу роботу виходу електронів.

У неоднорідному полі на Uпр впливає також полярність електродів. Так, для електродів з малим радіусом кривизни Uпр при позитивній полярності виявляються нижчими, ніж при негативній. Це з утворенням позитивного об'ємного заряду у вістря внаслідок розвитку коронного розряду, що зумовлює зростанню напруженості поля у решті проміжку.

Рис. 5.12. Залежність пробивної напруги Uпр.максповітря (1) та неону (2) від від тиску газу Рна відстань між електродами h

При досить високих частотах вільні електрони встигають зміститися великі відстані і досягають електродів. Іони з великою масою за час напівперіоду коливань не встигають зміститися на значні відстані та концентрація позитивних іонів у міжелектродному просторі зростає, призводячи до появи так званого об'ємного заряду. Тому, починаючи з частот, що перевищують десятки кілогерців, ймовірність зіткнення іонів з молекулами зростає і електрична міцність газів зменшується (рисунок 5.13). Подальше зростання частоти електричного поля призводить до того, що за час напівперіоду не тільки позитивні іони не встигають зміститися на значні відстані, а й електрони не встигають вилетіти з міжелектродного простору. Імовірність рекомбінації заряджених частинок зростає та їхня концентрація падає. Крім того, зниження часу напівперіоду потребує збільшення сили, що діє на іони, щоб кінетичної енергії вистачило для іонізації молекул. Тому при частотах, що перевищують один мегагерц, електрична міцність газів зростає.

Рис. 5.13. Залежність електричної міцності газу від частоти електричного поля

Пробою газу (повітря) у неоднорідному поліпередує доp вінний розрядабо корона, що є неповним пробоєм. Корона виникає при напрузі U до, яке нижче, ніж U np (U k< U np), поблизу електрода з малим радіусом кривизни, на загострених металевих краях тощо; вона спостерігається у вигляді переривчастого блакитнуватого світіння і супроводжується характерним звуком (дзижчанням або потріскуванням). З підвищенням напруги коронний розряд переходить у іскровийі потім при достатній потужності джерела напруги - дуговийрозряд.

У разі електродів типу стрижень-площина, Що створюють різко неоднорідне поле, U пргазів буде найменшим при позитивній полярності стрижня та найбільшим – при негативній полярності стрижня (рисунок 5.14). Пояснюється це так. Як зазначено вище, пробою повітряного проміжку передує коронний розряд. Електрони, що утворюються при цьому, маючи більшу (в ~ 1000 разів) рухливість, ніж позитивні іони, швидко йдуть з коронуючого шару, і виникає об'ємний позитивний заряд. Об'ємний позитивний заряд, що утворився біля вістря електрода, по-різному впливає на величину напруги повітряного проміжку. Якщо на електроді у вигляді стрижня буде позитивний потенціал, то об'ємний позитивний заряд призведе до збільшення напруженості поля у зовнішній ділянці корони, і пробою станеться при нижчому значенні U пр. Якщо на стрижні буде негативний потенціал, тоді об'ємний позитивний заряд зменшить напруженість поля у зовнішній ділянці корони, і пробою повітряного проміжку настане при більшому значенні U ін.Зі зменшенням тривалості імпульсу (підвищенням частоти напруги) різниця між значеннями U прзалежно від полярності стрижня зменшується. Величина U прпри проби газу при високих частотах в неоднорідному полі (на відміну від пробою в однорідному полі) значно нижче, ніж U прпри постійній напрузі або напрузі промислової частоти.

Рис. 5.14. Залежність пробивної напруги Uпрповітря від відстані h

між електродами (поле неоднорідне)

У неоднорідних полях із збільшенням вологості повітря пробивна напруга U прзростає. Це можна пояснити підвищеною здатністю молекул води захоплювати вільні електрони і перетворюватися на малорухливі негативні іони. В результаті число іонізуючих електронів у міжелектродному просторі зменшується, тому розрядна напруга зростає. Наближено можна вважати, що при збільшенні абсолютної вологості повітря в два рази U npпри частоті 50 Гц збільшується на 10%.

Поверхневий розряд.Якщо електричне поле в міжелектродному просторі однорідне, то пробій може статися в будь-якому місці і за найвищої напруги. Якщо ж в однорідне поле внести твердий діелектрик, як це показано на малюнку 5.15.а, то електричний розряд станеться в повітрі по поверхні твердого діелектрика і за інших рівних умов при нижчій напрузі. У цьому випадку розрядна напруга U pбуде залежати від ряду факторів і, насамперед, від фізико-хімічних властивостей твердого діелектрика, стану поверхні зразка та розташування її щодо силових ліній поля, вологості повітря, форми та частоти прикладеного поля, щільності прилягання електродів до твердого діелектрика та відстані між ними.

Рис. 5.15 Розподіл ліній вектора Ев електроізоляційній конструкції, що складається з твердого діелектрика (1) та повітря (2):

а - силові лінії поля спрямовані паралельно,

б - перпендикулярно щодо межі розділу діелектриків

Криві залежності U pвід відстані Lміж електродами в однорідному та неоднорідному електричному полях залежно від природи твердого діелектрика (величини діелектричної проникності ε та питомої поверхневої електропровідності g s ) представлені на малюнку 5.16. З малюнка видно, що зі збільшенням відстані між електродами U pзростає неоднаково у жорстких діелектриків різної хімічної природи. Найвище U pспостерігається при розряді вздовж поверхні неполярних жорстких діелектриків молекулярної будови. У полярних діелектриків U pнижче, ніж неполярних, і тим нижче, чим більше ε і g s твердого діелектрика і менше його крайовий кут змочування. У діелектриків іонної будови (див. малюнок 5.16. а), криві 3 і 4), які містять іони лужних металів і тому мають більш високу поверхневу електропровідність, U pще нижче, ніж у полярних діелектриків молекулярної будови. Особливо значно U pзнижується при погане прилягання електродів до поверхнітвердого діелектрика (крива 5). У цьому випадку електричне поле в міжелектродному просторі стає неодноріднішим, в результаті розрядна напруга знижується.

Встановлено, що на поверхні твердого діелектрика утворюється суцільна або переривчаста плівка вологи, що сконденсувалася з повітря, завтовшки від мономолекулярного шару і більше, яка порушує однорідність поля, і тому U pзнижується. У разі електричний розряд фактично відбувається у неоднорідному полі. При цьому чим більша електропровідність водяної плівки, тим нижче U p.

Рис. 5.16. Залежність розрядної напруги U pу повітрі поверхнею діелектриків від відстані Lміж електродами в однорідному полі (а) та неоднорідному полі (б) і від величини діелектричної проникності ε( I) та питомої поверхневої електропровідності γ s (II ) твердого діелектрика (в):

а б - діаметр зразків 50 мм; 1 - парафін, 2 - бакеліт, 3 - порцеляна, 4 - скло, 5 - порцеляна і скло при поганому контакті електродів, 6 - повітряний проміжок;

- електроди плоскопаралельні із закругленими краями, діаметр зразків 45 мм, висота 30 мм, Т=20°С; У - ПТФЕ, 2 - ПЕ, 3 - ПС, 4 - ПММА, 5 - вініпласт, б - деревина, 7 - гетинакс, 8 - повітряний проміжок

Якщо поверхня твердого діелектрика сильно шорстка і містить тріщини, то цих місцях утворюються повітряні мікрозазори, які виявляються включеними послідовно з твердим діелектриком. Через різні значення діелектричної проникності повітря і твердого діелектрика напруженість поля в мікрозазорах підвищується і, досягнувши початкової напруженості, викликає іонізацію повітряних включень. Іонізація, у свою чергу, стає додатковим фактором посилення неоднорідності поля та зниження U p. на зниження U pвпливають та інші фактори. Відомо, що у повітрі завжди є вільні позитивні та негативні іони. Тому на поверхні твердих діелектриків навіть у дуже сухому повітрі утворюється шар іонів одного знака, а над ним у повітрі - шар іонів протилежного знака. Під дією прикладеної напруги ці іони разом з іонами води зміщуються до протилежно заряджених електродів, беручи участь у формуванні об'ємних зарядів. На величину об'ємних зарядів, що утворюються у електродів, впливає не тільки поверхнева електропровідність, але і тривалість впливу напруги. При коротких імпульсах та високих частотах (ƒ> 50 кГц) встигає зміститися невелика кількість іонів, тому електричне поле спотворюється слабо, і, отже, U pзнижується незначно.

Сторінка 27 з 62

Відсутність часткових розрядів (ЧР, ПЧР), а також пробоїв у повітрі та вздовж поверхні на високій частоті, порівняно з їх відсутністю на промисловій частоті, є більш важливою для ізоляційних конструкцій. Виникнення ЧР призводить до утворення радіоперешкод, а також переростання ЧР у вкрай небезпечну для апаратури смолоскипну форму розряду.
Напругу утворення ПЧР у зручній для аналітичного визначення формі можна обчислити за формулою

Рис. 3.5. Залежність напруги пробою від відстані між електродами шар-площина (криві 1.. .3) і гіперболоїд-площина (криві 4 і 5) на частоті 50 і 1000 кГц
1 - r = 1,4 мм; 2 - r=3 мм; 3 - r=5,5 мм; 4 - r=2 мм; 5 - r = 10 мм
де I – відстань між електродами; r0- найменший радіус кривизни електродів; kH – коефіцієнт нерівномірності електричного поля; з - коефіцієнт, що залежить від форми імпульсу напруги та коефіцієнта нерівномірності електричного поля; δ - відносна щільність повітря.
Необхідність дослідження пробою в повітрі на високих частотах, крім загальновідомих причин, виникає для конструкцій із твердою ізоляцією у разі застосування некоростійких полімерних матеріалів (ПЕ, ПП, Ф-4 та ін) з метою створення системи ізоляції, що гарантує відсутність пробою вздовж поверхні тіла ізолятора.
З підвищенням частоти спостерігається зниження розрядних напруг порівняно з постійною напругою та напругою промислової частоти.
З рис. 3.5 видно характер зміни напруги зі зростанням міжелектродної відстані та зміною радіусів кривизни електродів.
Залежність напруги пробою від частоти для зазначених електродів чітко виявляється лише у кривих 1 і 2, де напруга на частоті 50 кГц приблизно на 6% більше, ніж частоті 1000 кГц. На інших розрядних проміжках різниця становить 1...2% і не може чітко фіксуватися. Це зниження пов'язане з накопиченням об'ємного заряду позитивних іонів у розрядному проміжку, який спотворює електричне поле та збільшує його в активній області біля катода.
Роботами групи А. А. Жукова знайдено, що освіту на високих частотах струмів негативних та позитивних іонів при низьких значеннях напруги свідчить про початок формування об'ємного заряду до значень передпробійних напруг і лише перед пробоєм починається його швидке зростання. При цьому слабо нерівномірних полях напруга пробою в дослідженому діапазоні частот 0,05... 5 МГц залежить від частоти, а при різко нерівномірному полі такої залежності не спостерігається.

< 3 ... 4. Характерным размером разрядного промежутка в этом случае считают длину промежутка.
При К > 4 амплітуда коливань іонів та електронів може виявитися меншою за довжину проміжку ще задовго до досягнення частотою значення першої критичної. Характерним розміром проміжку вважають тут протяжність активної зони, тобто зони, де ефективний коефіцієнт іонізації електронним ударом аеф> 0 ·
Таблиця 3.5

У табл. 3.5 наведено значення розрядної напруги при постійній відстані 30 мм у нормальних умовах. Дані таблиці свідчать про зниження напруги із зростанням частоти на 7...35% у міру збільшення коефіцієнта нерівномірності електричного поля.

При цьому слабо нерівномірних полях напруга пробою в дослідженому діапазоні частот 0,05... 5 МГц залежить від частоти, а при різко нерівномірному полі такої залежності не спостерігається.
Накопичення об'ємного заряду стає можливим, коли амплітуда дрейфових коливань іонів у змінному електричному полі з підвищенням частоти стає менше розміру розрядного проміжку. Частота, коли починається зниження напруги, називається першої критичної частотою. Значення критичної частоти для ізоляційних конструкцій залежить від коефіцієнта нерівномірності електричного поля, характерного розміру довжини проміжку, від і тиску газу. З подальшим підвищенням частоти зниження розрядної напруги сповільнюється. Нове різке зниження розрядної напруги з підвищенням частоти спостерігається, коли амплітуда дрейфових коливань електронів стає меншою за характерний розмір розрядного проміжку. Відповідна частота називається другою критичною частотою. Її виникнення зазвичай виявляється у діапазоні частот, відповідному мегагерцам.
Описана залежність розрядної напруги від частоти чітко спостерігається в проміжках з коефіцієнтом нерівномірності kH< 3 ... 4. Характерным размером разрядного промежутка в этом случае считают длину промежутка.
При к> 4 амплітуда коливань іонів і електронів може виявитися меншою за довжину проміжку ще задовго до досягнення частотою значення першої критичної. Характерним розміром проміжку вважають тут протяжність активної зони, тобто зони, де ефективний коефіцієнт іонізації електронним ударом аеф > 0.
Таблиця 3.5

У табл. 3.5 наведено значення розрядної напруги при постійній відстані 30 мм у нормальних умовах. Дані таблиці свідчать про зниження напруги зі зростанням частоти на 7...35% зі збільшенням коефіцієнта нерівномірності електричного поля.

Для практичних цілей можна скористатися значеннями розрядної напруги в нормальних умовах для коефіцієнта нерівномірності електричного поля k< 4 при частотах 150 КГц (в числителе) и 1500 кГц (в знаменателе), приведенных в табл. 3.6.
Таблиця 3.6

Для слабо нерівномірних електричних полів має місце монотонне зменшення розрядної напруги із зростанням частоти.
Таблиця 3.7

Коефіцієнти нерівномірності електричного поля та напруженості освіти ЧР можна визначити із рівнянь, наведених у табл. 3.7 де I - відстань між електродами;

r – радіус кривизни; р = r/l; δ - відносна щільність повітря.
Для експериментальних даних розрядних напруг між електродами шар-куля, шар-площина, гіперболоїд обертання - гіперболоїд обертання, гіперболоїд обертання - площина і для коаксіальних систем були визначені з використанням програми AXIAL значення максимальних напруг, які порівнювалися зі значеннями, визначеними по Бенінгу для частот до 20 МГц.
Таблиця 3.8
Розрядні характеристики для електродів куля - куля (амплітудні значення)

Характеристики, наведені у табл. 3.8...3.10 можуть бути використані для наближених розрахунків значень k і l конструкцій з близькими геометріями.
Розраховані за табл. 3.7 значення kн для міжелектродних відстаней 5...20 мм відповідно дорівнюють 1,18; 1,37;
1,57; 1,78.

Таблиця 3.9
Розрядні характеристики для електродів куля - площина при r0 = 10 мм
(амплітудні значення)

Аналізуючи експериментальні значення пробою повітряних проміжків шар-куля радіусом 10 мм (табл. 3.8), можна спостерігати, що при однаковій формі електродів зі зростанням ізоляційного проміжку, крім відомого зниження Еср, істотно зростає значення Еmах.
Значення величин Emаx, розрахованих по Бенінгу і Піку, мають значні розбіжності. Різниця значень збільшується зі зростанням відстані між електродами, що характерно і для електродів шар-площина (табл. 3-9).
Таблиця 3.10
Розрядні характеристики для електродів куля - площина при r=3 мм та f=5-103..1-106 Гц (амплітудні значення)

Величини Етаx, визначені за програмою AXIAL і Бенінгом, практично не відрізняються і можуть бути використані для визначення ізоляційних проміжків і вибору геометрії електродів.

Порівняння табл. 3.8 і 3.9 показує, що при однакових радіусах кривизни куль і відстанях між електродами великі значення напруги пробою мають місце для електродів шар-куля, що, очевидно, викликано більш рівномірним електричним полем і, отже, більш рівномірним розподілом заряду вздовж поверхні електрода. З порівняння також видно, що при відстанях більше 15 мм великі значення Ета не свідчать про більше значення напруги пробою. Тому попередній вибір форми та розмірів ізоляційних проміжків доцільно виробляти не за значенням Етах, а до. Значення Етах не є абсолютним критерієм для вибору системи ізоляції, у той час як зменшення k завжди забезпечує суттєві переваги в порівнянні з нерівномірними полями.
Для електродів шар-площина радіусом 3 мм (табл. 3.10) напруги пробою для діапазону частот 5103...106 Гц близькі за своїми значеннями.
Значення Етах в 1,5 рази вище, ніж напруженість для електродів типу кулі радіусом 10 мм, але напруженість пробою менше 1,5... 2 рази. Отже, при рівних міжелектродних проміжках значення для кулі радіусом 3 мм майже в 2 рази перевищують k для кулі радіусом 10 мм. Це додатковим свідченням універсальності вибору геометрії поля з урахуванням коефіцієнта kH.
Розрядні характеристики (амплітудні значення) для різних відстаней між гіперболоїдами обертання та r0 = 10 мм наведені у табл. 3.11.
Таблиця 3.11

Таблиця 3.12

Таблиця 3.13

Для електродів гіперболоїд обертання – площина та гіперболоїд – гіперболоїд (табл. 3.11) з радіусами кривизни 10мм характерне зниження значень Еср та Етах зі збільшенням відстані між електродами і відповідно зі зростанням kH. Вищі значення Uпр, відповідно і Етах, Еср, при рівних радіусах кривизни і відстанях між електродами мають місце для електродів гіперболоїд - гіперболоїд.
З даних, наведених у табл. 3.8... 3.11, слід, що при виборі високочастотних ізоляційних проміжків з електродами рівного радіусу кривизни доцільно застосовувати їх у наступному порядку: гіперболоїд-гіперболоїд, куля-куля, куля-площина, гіперболоїд-площина, які забезпечують велику електричну міцність при інших умовах.
При виборі тих же ізоляційних проміжків, виходячи з напруги утворення ЧР, переваги знижуватимуться для електродів шар-площина, шар-куля, гіперболоїд-гіперболоїд, гіперболоїд - площина.
Розрядні характеристики для коаксіальної системи із зовнішнім діаметром 40 мм наведені в табл. 3.12.
Як очевидно з табл. 3.12 для коаксіальної системи характерні ті ж залежності, що і для інших елементів - зростання напруги пробою зі зменшенням kH і зниження його з підвищенням частоти.
Розрядні характеристики коаксіальної системи для різних значень внутрішнього та зовнішнього радіусів кривизни на частоті 100 кГц (амплітудні значення) наведені у табл. 3.13.
Дані таблиці. 3.13 свідчать про те, що зі збільшенням радіусу зовнішнього електрода при незмінному значенні радіуса кривизни внутрішньої, тобто зі зростанням міжелектродної відстані, зростають напруга розряду та максимальна напруженість електричного поля. При постійній відстані між електродами та зростанні радіусів внутрішнього та зовнішнього електродів, тобто зі зменшенням коефіцієнта нерівномірності електричного поля, мають місце збільшення розрядної напруги та зменшення значення максимальної напруженості.
Смолоскипний, або одноелектродний, розряд є різновидом високочастотного розряду і виникає при частотах в кілька мегагерц а ділянках електрода з максимальною напруженістю і максимальними градієнтами температурного поля. Іонізація та підвищення температури повітря в цих ділянках призводить до появи стовпа іонізованого повітря, яке піднімається, набуваючи форми смолоскипа. Факел (табл. 3.14), що утворився, пересувається разом з рухом повітря, руйнуючи ізоляцію та інші елементи конструкції, так як його температура перевищує 2000° С.
Потрапляючи в область зниженої напруженості електричного поля, смолоскип згасає.

Поряд з впливом на факельний розряд температури іонізованого повітря, на порогову напругу та критичну частоту можуть впливати теплопровідність провідника, площа поверхні охолодження, кліматичні фактори (вологість, запиленість).
Створення умов, що виключають створення ізоляційної конструкції факельного розряду, зустрічає труднощі внаслідок впливу на його утворення випадкових факторів, що призводять до виникнення локальних напруженостей або температурних випромінювань, скупчення пилу або вологи, утворення коротких замикань або надмірних перенапруг, наприклад, при комутаціях. Спостерігалися випадки утворення факельного розряду у разі комах на високочастотних проводах.
Наявність факельного розряду неприпустима через небезпеку перегорання проводів, значних втрат енергії та зниження форми сигналу, що передається.

Зниження напруги пробою вздовж поверхні ізоляції до 20...25% зі зростанням частоти для конструкцій із слабо нерівномірним полем спостерігається вже за 10...20 кГц. Більш раннє, порівняно з пробоєм повітряних проміжків, досягнення першої критичної частоти можна пояснити підвищенням напруженості електричного поля на межі діелектрика, присутністю макро- та мікронеоднорідностей на поверхні внаслідок недостатньої чистоти обробки поверхні діелектрика, осідання пилу, вологи тощо. Зменшення напруги поверхневої , Порівняно з повітряним, розряду обумовлено також зростанням ємнісних струмів та процесом об'ємної іонізації повітря зі збільшенням діелектричної проникності твердої ізоляції. Звідси випливають особливі вимоги до зниження ємності, що пред'являються високочастотним ізоляційним конструкціям - зниження площі арматури, збільшення ізоляційного проміжку, зниження діелектричної проникності матеріалу та ін.
Проведені групою А. А. Жукова випробування циліндричних зразків з міполону, фторопласту-4 та стеатиту марки Б-17, поміщених між електродами Рогівського в діапазоні 1-5 МГц, показали:

в порівнянні з аналогічним повітряним проміжком, що має пробій при напрузі 9,4 кВ, напруга пробою вздовж поверхні міполону склала 8,5 кВ, для Ф-4 - склало 8,75 кВ, а для Б-17 - знизилося до 5 кВ;
на відміну від пробою в повітрі після пробою вздовж поверхні за відсутності високочастотної напруги спостерігається повільне (до 5 хв) спадання струмів позитивних та негативних іонів.

Передбачається, що причина цих явищ - заряд, що накопичується на поверхні діелектрика. Поверхневий пробій відбувається за наявності змінного високочастотного поля та постійної складової об'ємного заряду, що не враховується вимірювальною апаратурою.