Исследование параметров заряда конденсатора током индуктивности при высоковольтном разряде

В данной статье рассматриваются исследования зависимостей заряда конденсатора током индуктивной катушки, преобразованного посредством магнитного поля электрического высоковольтного разряда.

Аннотация статьи
ионизация
исследование
зависимость
высоковольтный разряд
заряд конденсатора
ток индуктивности
электрическое поле
электрическая дуга
плазма
Ключевые слова

ВВЕДЕНИЕ

В современном мире человечество стремится получать большее количество электрической энергии, при этом пытаясь снизить затраты на её производство. Было изобретено множество искусственных способов получения электроэнергии, например: воздушные ветрогенераторы, атомные электростанции, гидроэлектростанции, солнечная батарея, но природа уже позаботилась о природной «батарее» под названием облако.

Облако обладает очень сильным электрическим полем, собирая на себе заряды от Солнца, и, тем самым, создавая потенциал между Землёй и разноимённо заряженными облаками. Это и есть природная электрическая энергия.

Современная наука говорит о том, что разряды на облаках формируются за счёт, во-первых, дробления дождевых капель потоками воздуха, в результате которого падающие более крупные капли заряжаются положительно, а остающиеся в верхней части облака более мелкие – отрицательно. Во-вторых, электрические заряды разделяются электрическим полем Земли, имеющей отрицательный заряд. В-третьих, электризация возникает как результат избирательного накопления ионов находящимися в атмосфере капельками разных размеров.

Электрическое поле в облаках обусловлено распределением объёмных зарядов, создаваемых всеми носителями зарядов в данном облаке. В грозовых облаках происходит весьма быстрое накопление больших объёмных зарядов.

Гроза – атмосферное явление, при котором в кучевых облаках, находящихся на высоте 7–15 км, возникают многократные искровые электрические разряды – молнии, сопровождающиеся громом, ливнями, градом и усилением ветра.

Напряженность электрического поля внутри грозового облака составляет 100–300 В/см, но перед разрядом молнии в отдельных небольших объёмах она может доходить до 1 600 В/см.

По современным представлениям наиболее часто встречаются объёмы с максимальной плотностью зарядов (зоны неоднородности) размером 200–400 м. Процесс развития наземной молнии состоит из нескольких стадий. На первой стадии в зоне, где электрическое поле достигает достаточной величины, начинается ударная ионизация воздуха. Свободные электроны воздуха под воздействием электрического поля облака приобретают значительные скорости по направлению к земле и, сталкиваясь с молекулами воздуха, ионизируют их атомы.

Электронные лавины, переходящие в нити электрических разрядов, представляют собой проводящие каналы, которые, сливаясь, дают начало яркому термоионизированному каналу с высокой проводимостью – ступенчатому лидеру молнии. Движение лидера к земной поверхности происходит ступенями в несколько десятков метров, со скоростью примерно полкилометра в секунду, после чего его движение приостанавливается на несколько десятков микросекунд, а свечение сильно ослабевает.

В последующей стадии лидер снова продвигается на несколько десятков метров. Яркое свечение охватывает при этом все пройденные ступени; затем следуют снова остановка и ослабление свечения. Эти процессы повторяются при движении лидера до поверхности земли. По мере продвижения лидера к земле напряжение на его конце усиливается и под его действием из выступающих на поверхности Земли предметов выбрасывается ответный стример, соединяющийся с лидером. В заключительной стадии, по ионизированному лидером каналу следует главный разряд молнии. Главный разряд, характеризующийся токами от десятков до сотен тысяч ампер, яркостью, заметно превышающей яркость лидера, и большой скоростью продвижения.

Температура канала при главном разряде может превышать 25 0000С. Длина канала 1–10 км, диаметр несколько сантиметров.

Еще в 1928 – 1933 годы на горе Дженеросо в Швейцарии на высоте 80 метров над земной поверхностью подвешивалась металлическая решетка. Во время гроз эта решетка собирала заряд, достаточный для поддержания в течение 0,01 секунды электрической дуги длиной в 4,5 метра, что соответствовало силе тока в несколько десятков тысяч ампер и разности потенциалов порядка 1 миллиона вольт.

Мощный электрический разряд молнии вызывает желание применить его энергию в промышленных целях. Такие попытки осуществлялись неоднократно. Данная статья также посвящена этой теме получения и использования этой электрической энергии.

На сегодняшний день любой преобразователь имеет в себе промежуточный элемент, которому нужно сообщить какой-либо вид энергии для её преобразования в электрическую энергию.

Сама молния производит электроэнергию в огромных количествах и нужно придумать устройство, способное извлекать и сохранять эту энергию.

Опыт Швейцарских учёных, доказавших возможность сбора электрических зарядов из атмосферного воздуха и получения достаточно мощного электрического разряда, вызвал потребность изучения возможности накопления и сохранения энергии атмосферного электричества.

В настоящей работе для хранения электрических зарядов применяется конденсатор. Для преобразования электрического разряда в электрический ток применяется индуктивность, замедляющая процесс разряда и формирующая индуктивный ток заряда конденсатора.

«Электрическая дуга – вид плазмы ионизированного газа.

Плазма – ионизированный газ, носителями заряда которого являются свободные электроны, а также положительные и отрицательные ионы.

Плазма в воздухе – направленное движение заряженных частиц электрического тока высокого напряжения, вызывающее ионизацию окружающего воздуха и создающее условия для пробоя однородного диэлектрика (воздуха) в виде электрической дуги (линейной молнии).

В воздухе плазма перемещается по каналу проводимости, поэтому вокруг канала должна возникать магнитная индукция, т.е. магнитное поле.

Движение магнитного поля вокруг электрической дуги направлено так же, как и в проводнике с током, его направление определяется по правилу «буравчика» (рисунок 1) [1, с 5].

Рис. 1. Магнитное поле проводника с током

Для исследования свойств магнитной индукции вокруг электрической дуги были произведены эксперименты.

ЭКСПЕРИМЕНТ №1. Проверка гипотезы возможности использования магнитного поля электрического разряда.

Гипотеза: «Вокруг изменяющейся устойчивой электрической дуги должно возникать переменное магнитное поле».

Цель: провести эксперимент для исследования преобразования изменяющегося магнитного поля электрической дуги в индукционный импульсный ток.

Задачи:

  • для уменьшения влияния среды на разряд, два электрода размещаются в стеклянной трубке на максимальное расстояние и подключить к ним постоянное напряжение 25 кВ;
  • спроектировать электрическую схему преобразования магнитного поля в индукционный ток с дальнейшим его накоплением в конденсаторе.

Стеклянная трубка имеет разметку в миллиметрах для фиксации расстояния между электродами. Отрицательный электрод жёстко зафиксирован, его положение «0», положительный электрод будет перемещаться.

При включении источника высокого напряжения на расстоянии 14 мм электрическая дуга принимает устойчивое состояние (рисунок 2).

Рис. 2. Устойчивая электрическая дуга

Измерение величины индукционного импульсного тока определим индуктивной катушкой L1 индуктивностью 0,005 мкГн и конденсатором C1 ёмкостью 40 мкФ. Силовые линии магнитного поля электрической дуги будут пронизывать витки катушки индуктивности, возбуждая электродвижущую силу (ЭДС) самоиндукции. Для усиления магнитного поля используется катушка с сердечником, витки которой ортогональны образовавшемуся переменному магнитному полю. Конденсатор будет накапливать малые индукционные токи, выпрямленные включённым в цепь полупроводниковым диодом VD1 (рисунок 3).

Рис. 3. Электрическая схема эксперимента 1

В эксперименте микроамперметром (мкА) измеряется значение тока заряда конденсатора, миллиамперметром (мА) – ток короткого замыкания (полный ток разряда). Измерительные приборы представлены в таблице 1.

Таблица 1

Измерительные приборы эксперимента №1

№п/п

Наименование приборов

Предел измерения

Количество делений шкалы

Цена деления

1

микроамперметр

50 мкА

25

2 мкА

2

миллиамперметр

0,75 мА

150

0,005 мА

При проведении эксперимента конденсатор заряжается однополупериодным выпрямлением в течение 180 секунд. Во время заряда микроамперметр показывает ток, равный 10 мкА.

По окончании времени конденсатор разряжается на миллиамперметр, показывающий ток мгновенного разряда 0,125 мА.

Вывод эксперимента №1: Изменяющееся магнитное поле электрической дуги, пронизывая перпендикулярно витки катушки, вызывает в них переменную электродвижущую силу самоиндукции. Само магнитное поле вокруг электрической дуги постоянно по направлению (высокое напряжение источника постоянно), но изменяющееся по величине, поэтому создаётся переменный индукционный ток в катушке индуктивности.

ЭКСПЕРИМЕНТ №2.

Цель: накопление импульсного выпрямленного тока в конденсаторе.

Задачи: поэтапное проведение эксперимента при одном неизменном параметре.

Гипотеза: «Постоянный импульсный ток можно увеличить последовательным включением второй катушки индуктивности и диода на другом конце электрической цепи».

При последовательном включении катушек индуктивности L1 и L2 индуктивностью 0,005 мкГн каждая, их магнитные потоки складываются. Второй диод VD2 на обратном конце электрической цепи необходим для получения полного выпрямленного полупериодного импульса заряда конденсатора (рисунок 4).

Рис. 4. Электрическая схема эксперимента 2

Эксперимент будет проводиться в два этапа. На первом этапе проводятся три замера (опыта) при неизменном межэлектродном расстоянии Ɩ, равном 10 мм. На втором этапе – при неизменном времени заряда конденсатора Т, равном 180 с. Измерения значений токов заряда и разряда проводились измерительными приборами, ранее представленными в таблице 1.

Результаты проведения эксперимента приведены в таблице 2.

Таблица 2

Зависимость времени, токов заряда и разряда конденсатора от длины электрической дуги

Этап

Т заряда, с

I заряда, мкА

I разряда, мА

Ɩ дуги, мм

I

60

15

0,115

10

120

15

0,175

180

15

0,225

II

180

16

0,35

15

14

0,275

10

10

0,225

5

Анализ полученных данных I этапа.

При неизменном межэлектродном расстоянии Ɩ = 10 мм увеличивается время заряда конденсатора. Чем дольше заряжается конденсатор, тем больший разряд он может накопить. Соответственно, разряд конденсатора увеличивается эквивалентно длительности времени заряда Iразряда ~ Т, график 1.

График 1. Зависимость тока разряда конденсатора от времени заряда

При увеличении времени заряда конденсатора величина тока заряда снижается, так как увеличивается электрическое сопротивление конденсатора в процессе его заряда, что соответствует закону заряда конденсатора.

Анализ полученных данных II этапа.

При неизменном времени заряда конденсатора Т = 180 с межэлектродное расстояние меняется в трёх пределах: 15 мм, 10 мм и 5 мм. Чем меньше расстояние, тем меньше ток заряда конденсатора. Ток уменьшается эквивалентно расстоянию Iзаряда ~ Ɩ, следовательно, конденсатор, имея меньшую величину заряда, имеет меньший разряд, график 2.

График 2. Зависимость тока разряда конденсатора от межэлектродного расстояния

Эксперимент проводился в стеклянной трубке, так как стекло – диэлектрик, возможно, оно позволяло электронам «стекать» по его поверхности.

Проведённые исследования в малом объёме стеклянной трубки дали величину магнитного поля и тока, создаваемого разрядом электрической дуги, ничтожно малыми.

Вывод эксперимента №2: Данными результатами эксперимента показано, что электрический разряд формирует переменное магнитное поле, которое может быть преобразовано катушкой индуктивности в переменный ток с дальнейшей передачей его на зарядное устройство.

ЭКСПЕРИМЕНТ №3. Влияние индуктивностей обмоток броневого трансформатора.

Гипотеза: «Большее число витков катушек, связанных общим замкнутым магнитопроводом, должны увеличить преобразуемое электрическое поле разряда в большую магнитную индукцию и, соответственно, большую величину заряда конденсатора».

Данные эксперимента №2 показали, что необходимо провести исследования на открытом воздухе, исключая ограниченное воздушное пространство стеклянной трубкой.

Цель: провести исследования заряда конденсатора вторичной катушкой трансформатора за счёт магнитной индукции первичной катушки, на которую подаётся электрический разряд.

Проведение эксперимента №3 выполнится на открытом воздушном пространстве с незначительными изменениями электрической схемы и длительностью промежуточных измерений.

В качестве индуктивностей используется броневой трансформатор ТШ, имеющий замкнутый магнитный контур с коэффициентом трансформации 36,66. Ожидая увеличения заряда, будет установлен конденсатор C2 ёмкостью 58 мкФ с двухполупериодным выпрямителем.

Выводы высокого напряжения подключены к первичной обмотке с воздушным зазором, вторичная обмотка – к выпрямителю в цепь заряда конденсатора (рисунок 5).

Рис. 5. Электрическая схема эксперимента 3

Так как ток электрической дуги очень мал, трансформатор не выйдет из строя. Межэлектродное расстояние максимально, при котором происходит устойчивая электрическая дуга.

Не рационально использовать трансформатор как повышающий, так как нет необходимости увеличивать выходное напряжение.

Результаты проведения эксперимента приведены в таблице 3.

Таблица 3

Измерения физических величин эксперимента №3

№ п/п

ист, кВ

Скачок заряда, мА

max заряда, мА

I разряда, мА

UC, В

Ɩ, мм

Т, с

1

14

6,8

2,4

82

173

10

60

2

13

7

2,8

80

171

10

60

3

13,5

7,2

2,8

84

174

10

60

4

13,5

6,8

2,6

86

175

10

60

5

13,4

7,4

2,6

86

174

10

60

6

13,5

7,2

2,6

84

174

10

60

7

13,5

7,4

2,8

84

174

10

60

8

13,5

7,2

2,8

88

177

10

60

9

13,8

7,2

2,8

88

178

10

60

10

13,5

7,2

3

84

176

10

60

11

16

6,8

2,4

84

169

15

60

12

16

7,4

3

78

161

15

60

13

16

7,6

2,8

80

156

15

60

14

17

7

2,6

74

155

15

60

15

17,5

6,8

2,6

84

172

15

60

16

17

7,6

3,2

74

151

15

60

17

16

7,4

3,2

86

176

15

60

18

15,5

7,4

2,6

90

179

15

60

19

15

7,2

2,8

84

175

15

60

20

16

7,6

2,8

86

176

15

60

21

20

0,92

33

58

20

60

22

21

0,28

25

46

20

60

23

20,5

0,6

35

75

20

60

24

21

2,4

31

60

20

60

25

20

0,3

26

45

20

60

26

21

1,2

8

14

20

60

27

20

0,68

14

22

20

60

28

20,5

2,4

22

35

20

60

29

20,5

0,8

17

30

20

60

30

21

1,4

27

55

20

60

Согласно полученным данным таблицы 3, необходимо сравнить значения токов и напряжений относительно межэлектродного расстояния, составив таблицу 4 средних значений.

Таблица 4

Средние значения измерений физических величин эксперимента №3

Ɩ, мм

ист, кВ

Скачок заряда, мА

max заряда, мА

I разряда, мА

UC, В

10

13,5

7,14

2,72

84,6

175

15

16,2

7,28

2,8

82

167

20

20,6

1,1

0

23,8

44

По данным таблицы 4 известно, что напряжение источника питания стабильно увеличивается. При включении источника питания пустой конденсатор очень быстро начинал заряжаться, поэтому в эксперименте также регистрировался скачок тока заряда, потому что было невозможно замерить ток заряда при больших межэлектродных расстояниях.

Анализ полученных данных на графиках зависимости напряжения на конденсаторе от межэлектродного расстояния, график 3, при постоянном времени заряда (Т = 60 с) и график 4, зависимости тока разряда от межэлектродного расстояния, исключая скачок тока заряда конденсатора, так как скачок – величина не стабильная.

График 3. Зависимость напряжения от межэлектродного расстояния

График 4. Зависимость тока разряда от межэлектродного расстояния

В пределах межэлектродного расстояния от 15 до 20 миллиметров на конденсаторе происходит резкое падение напряжения до среднего значения 44 вольта. Необходимо найти величину этого расстояния.

Результаты дополнительных измерений интервала (от 15 до 20 мм) межэлектродного расстояния представлены в таблице 5.

Таблица 5

Дополнительные измерения физических величин эксперимента №3

№ п/п

ист, кВ

Скачок заряда, мА

max заряда, мА

I разряда, мА

UC, В

Ɩ, мм

Т, с

1

16,6

8,4

3

88

187

16

60

2

16,6

7,6

3,6

92

193

16

60

3

16,6

7,2

3,2

92

191

16

60

4

17,2

7,2

3

94

194

16

60

5

18

6,4

3,4

90

186

16

60

6

17,2

6,2

2,6

92

191

16

60

7

17

8

3,2

94

190

16

60

8

18

6,8

3

92

187

17

60

9

19

8

3,2

84

169

17

60

10

19

6,8

2,8

78

152

17

60

11

19

5,8

2,6

66

139

17

60

12

19

3,2

82

166

17

60

13

19,5

4,2

1,8

74

153

17

60

14

19,5

2,8

60

108

17

60

15

19,5

1

0,48

38

154

18

60

16

19,7

0,6

0,44

22

70

18

60

17

21

3

2,4

29

128

18

60

18

20,5

2,2

1,4

47

87

18

60

19

21

2

0,6

28

45

18

60

20

20

3

1,8

57

130

18

60

21

20

3

1,88

46

97

18

60

Также составляется таблица 6 средних значений дополнительных измерений эксперимента.

Таблица 6

Средние значения дополнительных измерений физических величин эксперимента №3

Ɩ, мм

ист, кВ

Скачок заряда, мА

max заряда, мА

I разряда, мА

UC, В

16

17

7,29

3,14

91,7

190

17

19

6,32

2,77

76,6

153

18

20,2

2,11

1,29

38,1

102

Из данных таблицы 6 средних значений видно, что расстояние между электродами, равное 16 миллиметров может являться критической точкой, с увеличением которого произойдёт резкий спад всех физических величин, замеряемых в эксперименте.

График 5. Зависимость напряжения от межэлектродного расстояния

График 6. Зависимость тока разряда от межэлектродного расстояния

В процессе исследования расстояние между электродами от 10 до 16 мм были стабильными. При расстоянии 16 мм электрическая дуга показала относительную стабильность с небольшими колебаниями, в пределах погрешности измерений.

При расстоянии 17 мм параметры дуги стали неустойчивыми, появились резкие падения и увеличения напряжения и тока.

При расстоянии 18 мм показатели тока и напряжения стали непредсказуемыми.

Вывод: исследования, проведенные до межэлектродного расстояния, равного 16 мм, давали стабильные результаты, поэтому это расстояние считается наиболее рациональным. Критической точкой является максимальное расстояние между электродами, при котором сохраняются устойчивые параметры дуги. Наиболее устойчивы и реальные параметры заряда конденсатора наблюдались при расстоянии между электродами от 10 до 16 мм, описываемые формулой 1:

    (1)

где: E – напряжённость электрического поля;

l – расстояние между электродами;

K – коэффициент, учитывающий сопротивление межэлектродной среды.

Расстояние и среда играют роль нелинейного сопротивления.

Текст статьи
  1. Валов В. В., Творогов Б. М. Исследование формы и параметров электрического поля высокого напряжения между электродами различной формы / ФМВДК – Технические науки. №0154, 2019. – 56 с.
Список литературы