У повітрі при атмосферному тиску необхідно напруга в 30 тис. В, щоб пробити зазор в 1 см між кулями з радіусом також в 1 см. Розсунемо кулі. Доведеться докласти більш високу напругу, щоб пробити повітряний проміжок.

Мимоволі напрошується аналогія з механіки. В сталевий балон накачується повітря. Він тисне на стінки. При дуже високому тиску вони зрештою можуть розірватися. Чим товщі стінки, тим більш високе тиск витримує балон. При електричному пробої здається природним, що більший шар повітря витримує більшу напругу.

Замість того щоб збільшувати відстань між електродами, можна збільшити щільність навколишнього їх повітря, помістити електроди в стиснений газ. Це також збільшить пробивна напруга.

У двигунах внутрішнього згоряння суміш підпалюється електричною іскрою. У циліндр двигуна угвинчується «свічка» з двома нікелевими електродами на відстані близько міліметра один від іншого. При атмосферному тиску цей зазор між електродами пробивається при 3-5 кв. А коли суміш в циліндрі стиснута, потрібна напруга, у кілька разів більше.

Інша залежність пробивної напруги від тиску і зазору в електровакуумних приладах. У тиратронах, наприклад, зменшують зазор між сіткою і анодом, щоб збільшити пробивну напругу. У тиратронах зменшення відстані збільшує електричну міцність приладу.

Пробій газового проміжку розвивається так: у зазорі між електродами завжди є деяка кількість вільних електронів. Коли до електродів прикладається напруга, то електрони починають рухатися до позитивного електрода. На своєму шляху ці електрони можуть зустрічати нейтральні молекули газу. Відстань між двома такими зустрічами, двома зіткненнями називається вільним пробігом електрона. Вільний пробіг залежить від щільності газу. При атмосферному тиску вільний пробіг – це незначні частки міліметра. А при високому розрідженні вільний пробіг досягає декількох сантиметрів.

Якщо електрон вдаряється об нейтральну молекулу з досить великою швидкістю, він розбиває її – вириває з неї один або навіть декілька електронів. Ці електрони спільно з початковими рухаються також до позитивного електрода. На шляху вони можуть зустріти ще нейтральні молекули, вирвати з них ще нові електрони. Коли напруга між електродами досить велике, то виникає електронна лавина. Невелике початкова кількість електронів в результаті численних зіткнень зростає, як сніжний ком, що котиться з гори.

Виникнення електронної лавини – це і є пр’обой. Коли щільність газу велика, то електрон на пробігу між двома зіткненнями може накопичити достатньо енергії, щоб вибити з молекули новий електрон лише при високій напрузі між електродами. Чим більше щільність газу, тим вище напруга, при якому може утворитися електронна лавина і відбудеться пробій.

Якщо ж щільність газу мала, вільний пробіг електронів великий, то велика їх кількість буде пролітати між електродами, взагалі не зустрічаючи молекул газу і не вибиваючи нових електронів.

У цьому випадку чим менше щільність газу або чим менше відстань між електродами, тим більша напруга необхідно, щоб викликати лавину електронів, зробити пробій.

На фіг. 7-22 наведена приблизна крива залежності пробивної напруги від твору щільності газу на зазор між електродами.

Фіг. 7-22. Залежність пробивної напруги між ‘двома електродами від твору щільності р газу, що оточує електроди, на відстань d між електродами.

Найменша пробивна напруга виходить, коли вільний пробіг електрона має величину одного порядку з відстанню між електродами. Пробивна напруга зростає в обох випадках: і коли вільний пробіг електрона значно менше відстані між електродами (область високих тисків) і коли вільний пробіг електрона значно більше відстані між електродами (область низьких тисків).

Найменша напруга потрібно для пробою, коли відстань між електродами одного порядку з вільним пробігом електрона. В електричних ланцюгах часто застосовуються розрядники. Вони діють як запобіжні клапани. Їх призначення бути найслабшим місцем в електричному ланцюзі. У розрядниках так підбирають конструктивні розміри, що вони відповідають мінімуму кривої пробою.

При атмосферному тиску, щоб отримати мале пробивна напруга, треба давати зазор між електродами розрядника кілька мікрон. Зручніше помістити електроди розрядника в колбу з пониженим давши ленням. Тоді мінімальне пробивна напруга відповідає зазору в кілька міліметрів.

Мінімальна пробивна напруга може бути 100-200 в. Якщо зменшити щільність газу, що оточує електроди, величина пробивної напруги зросте. У газотронах (фіг. 2-4) відстань між катодом і анодом таке ж, як і в розрядниках, але в розрядниках тиск газу в балоні – кілька міліметрів ртутного стовпа, а в газотронах тиск дорівнює всього лише декільком десятитисячний міліметра ртутного стовпа. Пробивна напруга газотрона близько 20 000 в. При ще більшому розрідженні між електродами пробивна напруга зростає до кількох сотень тисяч вольт.

Плоскогір’я замість вершини

Буває, що точка максимуму виражена нечітко.

При індукційному нагріві в плавильній печі (фіг.

7- 9), або для поверхневого гарту (про загартування буде розказано в наступних розділах) важливо отримати високий к. П. Д. Змінний струм, що циркулює в індукторі, створює навколо його провідників бистропеременних електромагнітний потік. Цей потік пронизує поміщене в індуктор виріб, збуджує у виробі вихрові струми. Ставлення потужності, що виділяється у виробі вихровими -Ток, до всієї потужності, що підводиться до індуктора, – це і є цікавий для нас електричний к. п. д. індуктора.

При низькій частоті струму в індукторі виріб, як уже говорилося, прозоро для магнітного потоку. Вихрові струми у виробі слабкі, потужність, ними виділяється, нікчемна в порівнянні з втратами в індукторі. З підвищенням частоти струму в індукторі потужність у виробі зростає спочатку як квадрат частоти. Швидко зростає к. П. Д. Але потім зростання к. П. Д. Сповільнюється. Вихровий струм у виробі не може бути інтенсивніше, ніж породив його ток індуктора. Коефіцієнт корисної дії наближається до деякого граничного значення. Его граничне значення к. П. Д. Η “залежить від опору матеріалу індуктора рь опору матеріалу нагрівається вироби рв і від співвідношення поверхонь, що омиваються бистропеременних магнітним потоком в індукторі St і виробі Sa.

Можна підвищити частоту струму в 10 або навіть в. 100 раз, але к. П. Д. Ніколи не досягне значення η0 При ще більшому підвищенні частоти к. П. Д. Може почати падати через те, що індуктор стане випромінювати електромагнітну енергію в усі сторони, як антена широкомовної радіостанції, і з’являться великі втрати в оточуючих індуктор предметах. Але до цієї межі зазвичай ніколи не доходять по ряду інших причин.

Фіг. 7 · 23. Коефіцієнт корисної дії індуктора, що нагріває куля, залежно від частоти струму. Розміри кулі і індуктора показані у верхньому леЕсм кутку малюнка.

Крива «- Шар з магнітною сталі (у; Єльне електроопір р ■ »1C · ‘ом. см і магнітна пронііаемость μ ■» 100); γ- сталь немагнітна (нагріта вьше 7oSe С); р – ΙΟ-4, Μ – 1; С – графіт: р – 5 · 10-5, Μ – 1; Сі – мідь: р-1,7 * 10 · *, μ-1 *

На фіг. 7-23 представлений хід кривих к. П. Д. Для випадку нагріву куль діаметром 50 мм з різних матеріалів, які розміщені всередину індуктора у вигляді циліндричної спіралі з висотою і діаметром, рівним 100 мм (Криві побудовані на основі розрахунків, проведених мною перед війною на заводі «Світлана»).

Як тут визначити найвигіднішу частоту? Точки максимуму на цих кривих немає. Після крутого підйому йде перегин, а потім майже горизонтальний ділянку.

Насамперед треба вказати, що нагрівальний індуктор – це лише одна ланка установки високочастотного нагріву. З індуктором завжди з’єднана (безпосередньо або через трансформатор) конденсаторна батарея. І вартість цієї батареї, і втрати в ній залежать від частоти. При одній і тій же переданої корисної потужності витрати на батарею конденсаторів для різних частот можуть відрізнятися в кілька разів.

Від частоти струму залежить і тип генератора. Якщо частота струму вище 10 000 гц, то доцільно застосовувати тільки генератори з електронними лампами. Втрати енергії в цих лампах можуть перевищувати 20% від преобразуемой потужності. При більш низьких частотах можна застосовувати і машинні генератори, і генератори з іонними лампами, в яких втрати менше 10%. Може виявитися вигідним кілька пожертвувати к. П. Д. Індуктора, але зате виграти на к. п. д. генератора.

Можна побудувати криву повного к. П. Д. І повних експлоатаціонних витрат нагрівальної установки в залежності від частоти струму. Але і ця крива здебільшого не має виду гострого піка, а нагадує собою плоскогір’я.

Але тут електрик повинен прислухатися до голосу металурга і машинобудівника. При високочастотному нагріванні металів енергетика – тільки служниця технології. Основне призначення нагрівальної установки – це не економити енергію, а давати продукцію вищої якості. При поверхневому загартуванню часто доводиться вибирати частоту, значно вищу, ніж це потрібно з міркувань к. П. Д. Так буває при нагріванні виробів складної форми. Тільки високочастотний струм може обійти ‘по всіх виступах і западин вироби. Іноді ж, навпаки, вибирають явно занижену з точки зору електрика частоту, для того щоб отримати прогрів відразу в товстому шарі і вузьку перехідну зону між нагрітим і серцевинним металом.

Тому на кривій залежності к. П. Д. Нагрівального індуктора від частоти струму треба мати тільки якусь опорну точку. Точку, нижче якої к. П. Д. Росте швидко, а вище – повільно. Але це не така певна річ, як точка максимуму або мінімуму, що визначається математично абсолютно однозначно. Точка переходу від крутого схилу до пологої частини (коліно на кривій) це поняття умовне.

У моїй книзі «Індукційний нагрів металів» я так визначив мінімально допустиму частоту струму, або, що одне і те ж, максимальну припустиму довжину хвилі:

«При нагріванні циліндра. або кулі з немагнітного матеріалу треба, щоб довжина електромагнітної хвилі в цьому циліндрі або кулі була менше його радіуса. Коефіцієнт корисної дії сильно погіршується, якщо ток має більш низьку частоту і, отже, більш довгу хвилю. При нагріванні кулі з магнітного матеріалу коліно кривої к. П. Д. Відповідає хвилі, яка в магнітну проникність (μ) разів менше радіуса кулі. Коли нагрівається не кульове і не циліндричне виріб, а плоска плита, то бажано, щоб ширина індуктора була більше довжини хвилі ».

Різні автори неодноразово пропонували інші формулювання дляграніци «достатнього електричного к. П. Д.». Одні писали, що хвиля повинна в півтора, два рази бути менше радіуса нагреваемого циліндра, а інші, навпаки, вважали, що достатньо мати хвилю, рівну трьом чвертям від радіуса.

Мені доводилося чути суперечки: «Ваш критерій не точний, а ось формула такого-то дає прекрасні [результати». Інші, навпаки, хвалили моє визначення. Хто ж правий? Та ніхто. Визначення «достатнього електричного к. п. д. »- це не формула і не критерій, це скоріше мнемонічне правило. Ніякої особливої ​​точки на коліні не існує. Це правило тільки вказує «швидко» або «повільно» зростає к. П. Д. На даній ділянці кривої. А конкретні значення цього к. П. Д. Треба отримувати повним розрахунком.

І в інших областях електротехніки доводиться стикатися з кривими, що не мають максимуму. Крива намагнічення стали йде спочатку круто, а потім переходить в пологий ділянку. Де тут точка насичення? При якому значенні індукції відбувається перегин в кривій? І тут не можна дати точну однозначного зазначення, а можна лише відзначити деяку область магнітної індукції. Нижче немає насичення, вище воно є.

Джерело: Електрика працює Г.І.Бабат 1950-600M