Описание лабораторной работы "Капельный метод исследования объёмного заряда в электроизолирующей среде"

СПбГУ

Физический факультет

Направление

 «Прикладные математика и физика»

НОЦ «Электрофизика»

Описание лабораторной работы

Капельный метод исследования объёмного заряда в электроизолирующей среде

Составили: проф. Стишков Ю.К., программист Афанасьев С.Б.

Санкт Петербург

2007

Оглавление:

1.  Цель работы

2.  Предварительные сведения

3.  Описание экспериментальной установки

4.  Принцип работы стенда

5.  Задание на предварительную подготовку

6.  Задания на проведение работы

7.  Порядок проведения экспериментов

8.  Обработка экспериментальных данных

9.  Контрольные вопросы

10. Литература

Лабораторная работа №3

Капельный метод исследования объёмного заряда в электроизолирующей среде

1. Цель работы

Экспериментально исследовать интенсивность поверхностного зарядообразования на границе раздела «металл - жидкий диэлектрик» и её зависимость от напряжения для различных материалов электрода и различных расходах жидкости.

2. Предварительные сведения

Высоковольтные процессы в жидких диэлектриках, включающие нелинейность вольтамперной характеристики (ВАХ), появление объемного заряда в жидкости, а также ЭГД-течения обычно начинаются с некоторого порогового напряжения, составляющего 0,3¸3 кВ. Объемный заряд образуется, «инжектируется в жидкость», на поверхности электродов. Ключевые проблемы электрогидродинамики требуют информации о распределении объемного заряда в электроизолирующей среде как в предпороговых режимах, так и в режимах ЭГД-течений. Однако до настоящего времени указанную информацию получали лишь косвенными методами, например при помощи эффекта Кэрра [2]. В то же время современная аппаратура позволяет измерять распределение объемного заряда в жидкости непосредственно - путем взятия пробы из межэлектродного промежутка с последующим измерением заряда этой пробы.

В лаборатории электрогидродинамики НИИРФ СПбГУ (ЛГУ) разработан капельный метод исследования объемного заряда [1,4]. Результаты этих исследований опубликованы в работах [3,4].

Процесс зарядообразования на границе электрод-жидкость является контактным процессом. Контактные процессы на границе металл – полупроводник (диэлектрик) обусловлены различием их работ выхода. Поскольку токопрохождение через жидкий диэлектрик сопровождается растворением электродов или выделением на них веществ, рассмотрим элементарный акт ионообразования, протекающий по окислительно-восстановительному механизму:

 – катод,

 – анод.

          Элементарный акт ионообразования сопровождается переходом электронов через границу раздела фаз металл – жидкий диэлектрик. Межфазная граница является контактом двух тел, поэтому ее свойства в некотором смысле аналогичны свойствам контакта металл – твердый диэлектрик (полупроводник). Вместе с тем контактирующие среды обладают принципиально разными механизмами проводимости: металл – электронным, жидкий диэлектрик – ионным, а также различными агрегатными состояниями сред – твердым и жидким.

Акт ионизации в реальном растворе является сложным гетерогенным процессом, сопровождающимся целым рядом превращений. Если жидкий диэлектрик характеризуется как хороший изоляционный материал, то его электрические свойства определяются примесными ионами, обладающими повышенными электронно-донорными либо электронно-акцепторными качествами. Поэтому считают, что перенос заряда на межфазной границе осуществляется преимущественно на примесные молекулы. Обозначим энергию ионизации восстановленной формы через E_red, а энергию сродства к электрону окисленной формы через E_ox. Уровень Ферми окислительно-восстановительной реакции определяется в виде

,

где E_p– энергия, необходимая для реорганизации состояния растворителя при появлении в нем частицы окисленной или восстановленной формы. Для водных растворов величина этой энергии колеблется в пределах 0,52 эВ. В соответствии с теорией кинетики приэлектродного обмена, плотность катодного и анодного токов равны, соответственно:

,

,

гдеej_M – уровень Ферми металла; Е_и, Е_ср – энергии ионизации и сродства к электрону примесной молекулы. Таким образом, в приэлектродной области образуется заряженный слой. Прохождение тока в любой электрохимической системе состоит их нескольких стадий: транспортировка ионов к границе раздела «электрод – жидкость», процесс разряда иона либо ионизации нейтральной частицы у электрода и отвод продуктов реакции из приэлектродной зоны.

Кинетика приэлектродных процессов также содержит несколько стадий, например стадию переноса электронов через границу раздела «электрод – жидкость», т.е. электрохимическую, и стадию отвода продуктов электрохимических реакций в объем жидкости. Рассмотрим классические схемы электрохимических реакций.

В жидкости до включения напряжения имеются диссоциированные комплексы А⁺ и В^-, и, кроме того, на каждом из электродов могут возникать ионы из молекул ионогенных примесей С. В общем случае расчеты поверхностного рождения и гибели ионов можно записать в виде:

      

        – катод,

       

         –  анод.

В соответствии с этим механизмом скорость зарядообраэования на границе «катод-жидкий диэлектрик» определяется, с одной стороны, электронно-донорными свойствами катода, а с другой - электронно-акцепторными свойствами жидкости. Несколько иначе картина обстоит на поверхности анода.