Как рассчитать напряжение пробоя

Практическое применение понятия пробоя

Понятие пробоя широко применяется в различных областях науки и техники. Рассмотрим несколько примеров, где понимание и контроль напряжения пробоя играют важную роль.

1. Электроника и электротехника

В электронике и электротехнике понятие напряжения пробоя используется для определения напряжения, при котором происходит пробой диэлектрика в электрическом устройстве или материале

Например, при проектировании и изготовлении полупроводниковых приборов, таких как диоды или транзисторы, важно знать напряжение пробоя, чтобы устройство не вышло из строя. Использование компонентов с правильным напряжением пробоя также помогает защитить электрические сети от повреждений и пожаров

2. Медицина

В медицине понятие напряжения пробоя может быть использовано для оценки безопасности медицинских приборов, таких как электрокардиографы, электрохирургические инструменты и другие электротерапевтические устройства. Как правило, эти приборы используются для передачи электрического тока через человеческое тело, и они должны быть разработаны таким образом, чтобы предотвратить возможные повреждения или шоки при определенных напряжениях.

3. Обработка материалов

Пробой может использоваться в промышленности для обработки материалов. Если напряжение превышает предел пробоя определенного материала, это может вызвать разрушительную электрическую дугу или плазму, которая может быть использована для резки, сварки или обработки поверхности различных материалов, таких как металлы или пластмассы. Например, процессы электродуговой резки или электрошлаковой обработки основаны на контроле напряжения пробоя.

4. Безопасность электроустановок

Различные технические стандарты в области электрической безопасности устанавливают необходимые пределы напряжения пробоя для электрооборудования и электротехнических материалов. Знание и контроль напряжения пробоя помогает обеспечить безопасность электроустановок и предотвратить возникновение коротких замыканий, возгораний и других несчастных случаев, связанных с электрическими системами.

5. Исследования и образование

Понятие пробоя широко используется в научных исследованиях и образовательных целях. Ученые и инженеры могут измерять и анализировать напряжение пробоя для изучения электрических свойств различных материалов или для разработки новых технологий и материалов с улучшенными характеристиками.

Примеры практического применения понятия пробоя
Область применения
Пример

Электроника и электротехника
Защита электрической сети от повреждений

Медицина
Безопасность медицинских приборов

Обработка материалов
Электродуговая резка металла

Безопасность электроустановок
Предотвращение коротких замыканий

Исследования и образование
Изучение электрических свойств материалов

Воздействие на устройства

Напряжение пробоя может оказывать серьезное воздействие на различные устройства и электронные компоненты. Первым и наиболее очевидным последствием может быть повреждение самих элементов, таких как диоды, конденсаторы, транзисторы и прочие полупроводники, которые могут перегореть или выйти из строя. Кроме того, пробойное напряжение может вызывать короткое замыкание, что приводит к потере электрической цепи и обрыву работы устройства.

Воздействие напряжения пробоя может быть особенно опасным для устройств, которые содержат дорогостоящие или сложные компоненты, например, микропроцессоры, микросхемы или иные электронные блоки. Даже небольшое повышение напряжения может привести к их немедленной поломке или искажению функциональности. Более того, пробойное напряжение может создавать электромагнитные помехи, которые могут влиять на работу других устройств и систем, расположенных поблизости.

Чтобы защитить устройства от повреждения или неправильного функционирования, используются различные методы защиты от напряжения пробоя. Одним из распространенных способов является применение специальных защитных устройств, таких как вольтовые клапаны (диоды пробоя) или тиристоры, которые открываются при достижении порогового напряжения и перенаправляют избыточное напряжение на заземление. Также часто применяется использование стабилизаторов напряжения и фильтров, которые помогают поддерживать стабильное и безопасное напряжение в системе.

Какое напряжение пробивает 5см воздуха?

Задача определения напряжения, способного пробить 5 см воздуха, является важной и интересной. Этот параметр имеет большое значение в различных областях науки и техники, таких как электротехника, электроника и физика

В данной статье мы рассмотрим факторы, влияющие на пробивное напряжение воздуха и методы его измерения.

Пробивное напряжение

Пробивное напряжение (также известное как пробивное поле) представляет собой минимальное напряжение, при котором воздух или другой диэлектрик начинает проводить электрический ток. Это происходит в результате ионизации атомов и молекул, что приводит к пробою изоляции.

Факторы, влияющие на пробивное напряжение

Существует несколько факторов, которые влияют на пробивное напряжение воздуха:

Расстояние между электродами: Чем больше расстояние между электродами, тем больше напряжение требуется для пробоя воздуха.

Форма и размеры электродов: Электроды различной формы и размеров могут вызывать различные проявления пробоя воздуха. Острые электроды, например, требуют меньшего напряжения для пробива.

Влажность воздуха: Влажность воздуха также влияет на пробивное напряжение. Влажный воздух менее диэлектрический, чем сухой воздух, и это может уменьшить пробивное напряжение.

Давление воздуха: Высокое давление воздуха может увеличить пробивное напряжение, так как более высокое давление препятствует ионизации атомов и молекул.

Измерение пробивного напряжения

Пробивное напряжение может быть измерено с помощью специализированных испытательных установок, таких как пробивные стенды или генераторы импульсного напряжения. Эти устройства позволяют генерировать высокое напряжение и измерять пробивной ток и напряжение.

Применение пробивного напряжения

Понимание пробивного напряжения важно для многих технических приложений. Например, в электротехнике и электронике требуется знание этого параметра для правильного изоляционного соединения и защиты от пробоев

Также пробивное напряжение играет важную роль в физике и науке о плазме, где изучаются свойства ионизированного газа. Вакуумная техника также требует знания пробивного напряжения для управления ионами и электронами в вакуумных системах.

Вывод

Пробивное напряжение воздуха является важным параметром, который зависит от нескольких факторов, таких как расстояние между электродами, форма и размеры электродов, влажность и давление воздуха. Измерение пробивного напряжения позволяет лучше управлять электрическими системами и разрабатывать более безопасные и надежные технологии.

Изоляторы

В отличие от проводников, у изоляторов есть электроны, которые тесно связаны с их атомами, которые сопротивляются свободному электронному потоку. Сила, удерживающая эти электроны на месте, не бесконечна, и при достаточном напряжении эти электроны могут получить достаточно энергии, чтобы преодолеть эти связи, и изолятор становится проводником. Пороговое напряжение, при котором это происходит, известно как напряжение пробоя или диэлектрическая прочность. В газе напряжение пробоя определяется законом Пашена.

Закон Пашена — это уравнение, которое дает напряжение пробоя как функцию атмосферного давления и длины зазора и записывается в виде

V _b = Bpd /]

где V _b — напряжение пробоя постоянного тока, p — давление газа, d — расстояние зазора в метрах, A и B — постоянные, которые зависят от окружающего газа, а γ _se — коэффициент вторичной электронной эмиссии. Коэффициент эмиссии вторичных электронов — это точка, в которой падающие частицы обладают достаточной кинетической энергией, чтобы при столкновении с другими частицами они вызывали эмиссию вторичных частиц.

Значения вольтажа на клеммах аккумулятора

И так, вы решили измерить напряжении на АКБ вашего автомобиля. Но как понять, о чем говорят полученные вами вольты? Если измеренное напряжение располагается в пределах 12,6 – 12,9 В, то ваш аккумулятор исправен и заряжен на 100%. Помните, заряжать такой аккумулятор лучше не стоит. Новые зарядки, которые используют правильный алгоритм работы, ему не навредят. Но если подключить полностью заряженный аккумулятор к старым зарядкам с постоянным током, то электролит в АКБ может выкипеть, и батарея выйдет из строя. При проверке напряжения нового аккумулятора можно получить значения в районе 12,5 В. Не стоит пугаться, это нормально для АКБ, который не используется. Минимальное напряжение на клеммах аккумулятора должно быть не ниже 10,5 В. При проседании напряжения ниже этого значения, бортовая сеть авто не будет работать от аккумулятора.

Помните, напряжения на АКБ нужно постоянно контролировать для избежания ситуации глубоко разряда. Если на вашем аккумуляторе напряжение около 10,5 В, то можно смело подключать его к зарядке и не беспокоиться о сокращении срока его службы. Но при проседании напряжение ниже 9 В зарядить АКБ будет довольно сложно и справиться с этим смогут только качественные зарядки. Даже если удастся зарядить такой АКБ, то полностью восстановить его характеристики уже не получиться из-за переходных процессов в ячейках батареи. Поэтому, не стоит допускать глубокого разряда АКБ вашего авто.

Если вы хотите измерить напряжения на каждой отдельной ячейке аккумулятора, то помните, что нормальное значение напряжения ячейки – около 2 В. Если прибор регистрирует значения напряжения ниже 1,7 В, то она неисправна. Также можно измерить плотность электролитической жидкости в батарее

Очень важно, чтобы разброс по плотности электролита в ячейках был не больше 0,02 г/см3

Если вы измеряете напряжения аккумулятора при запущенном двигателе, то стоит ориентироваться на напряжение около 14,4 В. Такое значение напряжения нужно для зарядки от генератора, при меньшем вольтаже ток не сможет пройти внутреннее сопротивление и батарея не зарядится.

Постоянный недозаряд АКБ или её абсолютная разрядка в самый неподходящий момент — головная боль многих автовладельцев. Одним из источников этих проблем может быть генератор. Но как его проверить? Возможно, дело совсем не в нём? Давайте вместе разберёмся, сколько должен вырабатывать генератор для нормального функционирования всех систем автомобиля и поддержания АКБ в заряженном состоянии.

Аккумулятор в автомобиле — важный элемент системы, который отвечает за обеспечение бортовой сети машины электричеством. Генератор используется для зарядки АКБ во время её активности. Нестабильная работа устройства, генерирующего электроэнергию, становится причиной просадки напряжения в сети и отсутствия восстановления ёмкости источника питания.

Под нормальной производительностью генератора понимается своевременное и полноценное восполнение уровня заряда аккумуляторной батареи, который под нагрузкой уменьшается. Проверка величины зарядки аккумулятора от генератора проста и может быть выполнена владельцем авто самостоятельно.

Диагностика автомобильного устройства, генерирующего энергию, включает в себя визуальный осмотр агрегата, его элементов и сопутствующих деталей, а также осуществление замеров напряжения и силы тока. Как минимум два раза в год следует проверять натяжение ремня приводов, чрезмерное ослабление которого приводит к уменьшению работоспособности генератора, а иногда может повлечь за собой и поломку устройства. Раз в год можно осуществлять проверку элементов оборудования — креплений, диодного моста, регулятора напряжения и других. Гарантией отсутствия проблем будет и своевременное обслуживание аккумулятора — чистка клемм, добавление дистиллированной воды.

Диагностика таких показателей, как напряжение, сила тока, сопротивление, необходима также два раза в год. Для её осуществления вам понадобятся специальные приборы — вольтметр, мультиметр или нагрузочная вилка.

Причины возникновения напряжения пробоя

1. Повышение напряжения.

Одной из основных причин возникновения напряжения пробоя является повышение напряжения, которое превышает предельное значение, устанавливаемое для этого материала. При превышении критического напряжения возникает электрическая дуга или происходит пробой изоляции.

2. Увеличение толщины изоляционного материала.

Если толщина изоляционного материала увеличивается, то возрастает и напряжение пробоя. Это связано с тем, что чем больше путь пробоя, тем больше требуется энергии для преодоления изоляции.

3. Недостатки или дефекты материала.

Наличие недостатков или дефектов в материале может также способствовать возникновению напряжения пробоя. Пористость, трещины, включения и другие неоднородности могут служить источниками локального пробоя.

4. Воздействие механических факторов.

Механическое воздействие на изоляционный материал может вызвать его повреждение или деформацию, что приведет к ухудшению его изоляционных свойств и возникновению напряжения пробоя.

5. Повышение температуры.

При повышении температуры изоляционного материала его изоляционные свойства могут измениться. Это может привести к снижению напряжения пробоя и возникновению пробоя при более низком напряжении, чем при нормальной температуре.

Важно отметить, что каждый изоляционный материал имеет свое уникальное напряжение пробоя, которое зависит от его характеристик и условий эксплуатации

Электрический пробой — воздух

Электрический пробой воздуха случается при 30 кВ / см, а молнии возникают при гораздо меньших величинах поля — несколько киловольт на сантиметр. На каждый квадратный сантиметр поверхности атмосферы Земли падают 2 — 3 сверх-высокоэнергетические частицы в секунду, тратя свою энергию на ионизацию. В 1 см3 образуется около тысячи положительных и отрицательных ионов. Независимо от погоды на площади 1 км2 возникает ежесекундно несколько ШАЛ. Мириады частиц, разлетающихся от ствола ливня образует диск диаметром до 1 км на высоте 1 — 6 км.
 

Напряженность электрического пробоя воздуха составляет 30 кВ / см. Рассчитайте предельную объемную плотность энергии электрического поля в воздухе.
 

Явление короны, аналогичное явлению факельного истечения, представляет собой явление электрического пробоя воздуха, окружающего провод, которое наступает, когда напряжение на проводе достигает определенной большой величины Этот электрический пробой воздуха, переходящий в газовый разряд в воздухе при работе на длинных и средних волнах проявляется внешне в виде свечения вокруг провода, которое по форме напо минает корону. Поэтому оно и получило название короны, а то напряжение, при котором оно возникает, называется критическим напряжением короны.
 

Двухкамерная измерительная ячейка с регулируемым градиентом напряженности электрического поля в рабочем зазоре.| Повышение уровня н-декана ( 1 и н-нонана ( 2 в рабочем зазоре ячейки с увеличением напряженности электрического поля.

В / м и существенно усиливается в области напряженностей, близких к условиям электрического пробоя воздуха.
 

Пониженное атмосферное давление снижает электрическую прочность воздушного промежутка между проводящими деталями резисторов, находящихся под различным напряжением, создавая благоприятные условия для электрического пробоя воздуха, идя для перекрытия по поверхности резисторов. Кроме этого, при пониженном атмосферном давлений ухудшается отвод температуры от резисторов.
 

Явление короны, аналогичное явлению факельного истечения, представляет собой явление электрического пробоя воздуха, окружающего провод, которое наступает, когда напряжение на проводе достигает определенной большой величины Этот электрический пробой воздуха, переходящий в газовый разряд в воздухе при работе на длинных и средних волнах проявляется внешне в виде свечения вокруг провода, которое по форме напо минает корону. Поэтому оно и получило название короны, а то напряжение, при котором оно возникает, называется критическим напряжением короны.
 

Следует отметить, что расчет а, выполненный при использовании графика 2 — 12 для радиуса контакта — значение которого меньше некоторой критической величины б, соответствующей предельной величине плотности зарядов, определяемой механизмом контактного заряжения, оказывается завышенным по сравнению с экспериментальными данными. Это объясняется тем, что плотность заряда, обеспечиваемая механизмом заряжения, становится меньше плотности заряда, необходимой для электрического пробоя воздуха при данных радиусах площади контакта.
 

Это свечение вызывается различными формами коренного разряда, возникающего при повышении напряженности электрического поля ( в частности, перед грозой) в результате электрического пробоя воздуха.
 

Весьма перспективными для лидаров являются лазеры на красителях. Мощность лазерного импульса, который можно использовать в лидарах, ограничена тем, что когда плотность лазерного излучения превышает 108 ВТ См 2, возникает электрический пробой воздуха ( искра) и энергия излучения расходуется на образование плазмы. Это явление, к сожалению, ограничивает допустимые плотности возбуждающего излучения и для дальнейшего повышения дальнодействия требуется совершенствование приемной системы.
 

Таким образом, в отношении энергетики шаровой молнии приходим к следующему заключению, В большинстве случаев шаровая молния поддерживается за счет внутреннего химического источника. Шаровая молния активно взаимодействует с электрическими и электромагнитными полями и может стать причиной электрического пробоя в воздухе, в результате которого выделяется энергия, значительно превышающая содержащуюся в шаровой молнии. При этом у нас нет оснований утверждать, что шаровая молния, существующая внутри помещений, и шаровая молния, вызывающая электрический пробой воздуха, имеют разную природу.
 

Как проверить напряжение генератора на аккумуляторе

Разность потенциалов можно диагностировать двумя способами — непосредственно на генерирующем оборудовании и через аккумулятор. Генератор напрямую связан с источником питания толстым проводом, потому для проверки уровня разницы потенциалов можно измерить напряжение на источнике питания. Для этого потребуются специальные устройства — вольтметр, мультиметр или нагрузочная вилка.

Провода первых измерительных приборов подключаются к АКБ в любой последовательности. Вилка должна быть соединена с клеммами аккумуляторной батареи со строгим соблюдением полярности. Принято считать, что нормальное напряжение в сети должно быть не ниже 12 вольт. На холостом ходу без включения всех электрических приборов автомобиля этот показатель должен быть на уровне 13,5-14В. Падение значений напряжения до 13,3-13,8 вольта считается допустимым.

В то же время обычным тестирующим оборудованием можно проверить сопротивление элементов генератора — ротора, статора и диодного моста. Диагностика роторного оборудования осуществляется по его обмотке. Необходимо соединить щупы устройства с контактными кольцами. Если мультиметр даёт показания от 2, 3 до 5,1 Ом, то этот элемент исправен. Потребление тока обмоткой должно быть в пределах 3-4,5 ампер.

Её нормальное сопротивление — 0,2 Ома. Проверка диодного моста осуществляется по наличию или отсутствию сопротивления, показатели не имеют значения. Единственное, стоит учесть — нулевого измерения быть не должно. Замеры осуществляются попарно — плюсовой выход и все пластины с этой стороны или минус и все элементы.

Напоминаем, что для нормальной зарядки автомобильного аккумулятора напряжение, выдаваемое генератором, должно быть от 13,5 до 14 вольт.

Факторы, влияющие на напряжение пробоя

Напряжение пробоя воздуха – это значение электрического напряжения, при котором происходит разряд электрической дуги в воздухе. Это является важным параметром при разработке и эксплуатации электрических устройств и систем.

Существует несколько факторов, которые влияют на напряжение пробоя воздуха:

1. Расстояние между электродами: Чем меньше расстояние между электродами, тем ниже будет напряжение пробоя. Так, для приблизительно 1 см расстояния между электродами, напряжение пробоя воздуха составляет около 30 кВ.

2. Форма электродов: Форма электродов также влияет на напряжение пробоя. Острые электроды пробивают воздух при меньшем напряжении, чем плоские или закругленные электроды. Это связано с более высокой плотностью электрического поля в конце острого электрода.

3. Влажность: Влажность воздуха оказывает существенное влияние на напряжение пробоя. Влажный воздух имеет более низкое напряжение пробоя из-за возникновения ионизации водяных молекул.

   

   

   

   

   

   

   

   

4. Давление: Давление воздуха также влияет на напряжение пробоя. При увеличении давления напряжение пробоя увеличивается, а наоборот, при снижении давления, напряжение пробоя снижается. Это связано с изменением плотности воздуха и количеством свободных электронов, способных ионизировать воздух.

5. Загрязнение: Наличие загрязнений воздуха, таких как пыль, масла или другие вещества, также влияет на напряжение пробоя. Загрязнения могут создавать дополнительные пути для ионизации воздуха и уменьшать напряжение пробоя.

Эти факторы необходимо учитывать при проектировании систем, а также при оценке и подборе электрического оборудования и материалов, чтобы обеспечить надежную работу и предотвратить возможность пробоя воздуха.

От чего зависит электропрочность

Значения относятся к веществам высокой чистоты при комнатной температуре и атмосферном давлении. Электрическая прочность – чувствительная величина к внешним условиям, не говоря уже о загрязнении изолятора, что значительно ухудшает его параметры. И есть еще один, менее очевидный момент. Бывает, что напряжение намного ниже предельного, а изолятор все равно разрушается. Как это происходит и почему? Давайте посмотрим на два примера на рисунке ниже:

По разным данным, напряжение между нижними частями грозовых облаков и землей колеблется от 100 кВ до 100 МВ. Предположим в среднем 10 миллионов вольт. Расстояние от земли до такого облака около 8 километров. Разделив одно значение на другое получается, что напряженность электрического поля непосредственно перед ударом молнии составляет 1250 В / м. Так как же происходит разряд, когда значение интенсивности даже близко не к 3 МВ / м?

Второй пример в правой части рисунка показывает конденсатор, то есть устройство, состоящее из двух противоположно заряженных пластин, расположенных очень близко друг к другу. Расстояние между двумя пластинами конденсатора может отличаться от напряжения. В показанном примере напряженность электрического поля составляет всего 1500 В / м, поэтому пока очень далеки от предела пробоя. Расчеты показывают, что можно увеличить напряжение такого конденсатора до 3000 В и ничего не должно произойти. Но в действительности все обстоит иначе, и максимальное напряжение воздушных конденсаторов, рекомендованное производителями, примерно в три раза ниже расчетного. Почему так?

Напряжение пробоя

Диоды и полупроводники

Диоды обычно изготавливаются из полупроводниковых кристаллов, обычно кремния или германия. Примеси добавляются для создания области отрицательных носителей заряда (электронов) с одной стороны, создавая полупроводник n-типа и положительные носители заряда (дырки), чтобы сделать полупроводник p-типа на Другие.

instagram story viewer

Когда материалы p-типа и n-типа объединяются, мгновенный поток заряда создает третью область или область обеднения, где нет носителей заряда. Ток протекает, когда к стороне p приложена достаточно большая разность потенциалов, чем к стороне n.

Диод обычно имеет высокое сопротивление в обратном направлении и не позволяет электронам течь в этом режиме с обратным смещением. Когда обратное напряжение достигает определенного значения, это сопротивление падает, и диод начинает работать в режиме обратного смещения. Потенциал, при котором это происходит, называетсянапряжение пробоя​.

Изоляторы

В отличие от проводников, изоляторы имеют электроны, которые прочно связаны со своими атомами, что препятствует свободному потоку электронов. Сила, удерживающая эти электроны на месте, не бесконечна, и при достаточном напряжении эти электроны могут получить достаточно энергии, чтобы преодолеть эти связи, и изолятор становится проводником. Пороговое напряжение, при котором это происходит, известно как напряжение пробоя илидиэлектрическая прочность. В газе напряжение пробоя определяетсяЗакон Пашена​.

Закон Пашена — это уравнение, которое дает напряжение пробоя как функцию атмосферного давления и длины зазора и записывается как

V_b = \ frac {Bpd} {\ ln {(Apd)} — \ ln {(\ ln {(1 + 1 / \ gamma_ {se})})}}

гдеV​_б напряжение пробоя постоянного тока,пдавление газа,dрасстояние в метрах,Аа такжеB- константы, зависящие от окружающего газа, аγ​_se — коэффициент вторичной электронной эмиссии. Коэффициент вторичной электронной эмиссии — это точка, в которой падающие частицы обладают достаточной кинетической энергией, чтобы при столкновении с другими частицами они вызывали эмиссию вторичных частиц.