Факторы, определяющие эмиссию частиц с контактной поверхности

В работе проведен анализ факторов, которые, возможно, определяют движение электрической дуги по рабочей поверхности контактов. Приведенные предположения основаны на квантовомеханической теории твердого тела, процессах термоэлектронной эмиссии и диффузионных явлениях....

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2006
Автор:	Павленко, Т.П.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут технічних проблем магнетизму НАН України 2006
Назва видання:	Електротехніка і електромеханіка
Теми:	Електричні машини та апарати
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/142710
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Факторы, определяющие эмиссию частиц с контактной поверхности / Т.П. Павленко // Електротехніка і електромеханіка. — 2006. — № 3. — С. 27-30. — Бібліогр.: 3 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-142710
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1427102018-10-15T01:23:14Z Факторы, определяющие эмиссию частиц с контактной поверхности Павленко, Т.П. Електричні машини та апарати В работе проведен анализ факторов, которые, возможно, определяют движение электрической дуги по рабочей поверхности контактов. Приведенные предположения основаны на квантовомеханической теории твердого тела, процессах термоэлектронной эмиссии и диффузионных явлениях. У роботі запроваджен аналіз факторів, щодо можливого руху електричної дузі по робочої поверхні контактів. Дані припущення основані на квантовомеханічної теорії твердого тіла, процесах термоелектронної емісії та дифузійних явищах. The paper analyzes factors concerning feasible movement of voltaic arc on the contact surface. Assumptions based on quantum-mechanical solidstate theory, thermal electron emission and diffusion phenomena are given. 2006 Article Факторы, определяющие эмиссию частиц с контактной поверхности / Т.П. Павленко // Електротехніка і електромеханіка. — 2006. — № 3. — С. 27-30. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. 2074-272X http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/142710 612.315.57 ru Електротехніка і електромеханіка Інститут технічних проблем магнетизму НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Електричні машини та апарати Електричні машини та апарати
spellingShingle	Електричні машини та апарати Електричні машини та апарати Павленко, Т.П. Факторы, определяющие эмиссию частиц с контактной поверхности Електротехніка і електромеханіка
description	В работе проведен анализ факторов, которые, возможно, определяют движение электрической дуги по рабочей поверхности контактов. Приведенные предположения основаны на квантовомеханической теории твердого тела, процессах термоэлектронной эмиссии и диффузионных явлениях.
format	Article
author	Павленко, Т.П.
author_facet	Павленко, Т.П.
author_sort	Павленко, Т.П.
title	Факторы, определяющие эмиссию частиц с контактной поверхности
title_short	Факторы, определяющие эмиссию частиц с контактной поверхности
title_full	Факторы, определяющие эмиссию частиц с контактной поверхности
title_fullStr	Факторы, определяющие эмиссию частиц с контактной поверхности
title_full_unstemmed	Факторы, определяющие эмиссию частиц с контактной поверхности
title_sort	факторы, определяющие эмиссию частиц с контактной поверхности
publisher	Інститут технічних проблем магнетизму НАН України
publishDate	2006
topic_facet	Електричні машини та апарати
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/142710
citation_txt	Факторы, определяющие эмиссию частиц с контактной поверхности / Т.П. Павленко // Електротехніка і електромеханіка. — 2006. — № 3. — С. 27-30. — Бібліогр.: 3 назв. — рос.
series	Електротехніка і електромеханіка
work_keys_str_mv	AT pavlenkotp faktoryopredelâûŝieémissiûčasticskontaktnojpoverhnosti
first_indexed	2025-07-10T15:35:08Z
last_indexed	2025-07-10T15:35:08Z
_version_	1837274720662192128
fulltext	Електротехніка і Електромеханіка. 2006. №3 27 УДК 612.315.57 ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ЭМИССИЮ ЧАСТИЦ С КОНТАКТНОЙ ПОВЕРХНОСТИ Павленко Т.П., к.т.н., доц. Национальный технический университет "Харьковский политехнический институт" Украина, 61002, Харьков, ул. Фрунзе, 21, НТУ "ХПИ", кафедра "Электрические аппараты" тел. (057) 707-62-81 В работе проведен анализ факторов, которые, возможно, определяют движение электрической дуги по рабочей по- верхности контактов. Приведенные предположения основаны на квантовомеханической теории твердого тела, про- цессах термоэлектронной эмиссии и диффузионных явлениях. У роботі запроваджен аналіз факторів, щодо можливого руху електричної дузі по робочої поверхні контактів. Дані при- пущення основані на квантовомеханічної теорії твердого тіла, процесах термоелектронної емісії та дифузійних явищах. ВВЕДЕНИЕ Проведенные ранее исследования контактного материала, которые были отражены в работах [1-3], показали, что на износ контактной поверхности очень большое влияние оказывает эмиссия электронов и других частиц. Кроме этого, обнаружены следы диф- фузии, образованные после введения в композицию контактного материала активатора. Это подтверждение основано на том, что контактная поверхность после испытания имеет вид равномерной дисперсной струк- туры. Работы по исследованию полученной компози- ции еще недостаточно изучены, в результате чего ве- дется постоянный поиск причин такого равномерного износа контактной поверхности по всему периметру. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ Исходя из основных положений теории твердого тела можно сказать, что если вне тела нет силовых линий, то потенциальная энергия U(r) электрона во всем пространстве одинакова и обычно принимается равной нулю. При этом и полная энергия с покояще- гося вне тела электрона также равна нулю. Если элек- трон вне тела движется, то его полная энергия Ен при этом может быть только положительной. Таким обра- зом, в отсутствие силовых полей вне тела Ен ≥0. Внут- ри тела возможны состояния электронов с энергиями ЕВ как положительными, так и отрицательными (рис.1). ЕВ=ЕВО+ΔЕ ΔЕ ЕВО<Е0 Т=0 0 х Е0<0 2 Е,U(х) ЕН>0 Е=0, U=0 ЕН<0 ( ) xexU ⋅ε⋅−= { { } } ЕВ>0 ЕВ<0 1 Рис. 1. Наиболее низкие уровни электроны занимают в невозбужденном состоянии системы при Т=0 с энер- гиями ЕВО вплоть до уровня (ЕВ)max,=Е0, причем Е0<0, значит и ЕВО<0. Таким образом, электроны не могут выходить из тела. Следовательно, эмиссия электронов при U(r)=0 и Т=0 невозможна. Для того, чтобы элек- троны могли выйти (эмитировать), им необходимо сообщить энергию ΔЕ такую, чтобы их энергия в воз- бужденном состоянии ЕВ, равная ЕВО+ΔЕ стала поло- жительной (переход 1). Различают эмиссии с предва- рительным и без предварительного возбуждения. Эмиссия с предварительным возбуждением может происходить от нескольких источников, а эмиссия без предварительного возбуждения может происходить за счет силового поля, расположенного вне тела и вбли- зи его поверхности, которое тянет электроны от гра- ницы тела, а именно, если к поверхности приложено внешнее однородное электрическое поле, напряжен- ностью ε, то потенциальная энергия в нем на расстоя- нии х от границы тела равна ( ) xeUxU ⋅ε⋅−= 0 (где 0U - потенциальная энергия электрона при х=0, т.е. на границе тела 00 =U , тогда ( ) xexU ⋅ε⋅−= . Полная энергия, с которой теперь может сущест- вовать электрон в области пространства с ∗> xx , Ен ≥ ( ) ∗⋅ε⋅−= xexU , т.е. при наличии силовых полей у поверхности тела, энергия электрона вне его может быть отрицательной и, в частности, принимать значе- ния Ен=ЕВО ≤ Е0. Хотя эти области, в которых могут двигаться электроны с ЕВО= Ен, разделены простран- ственно - потенциальным барьером, где U(х)>ЕВО, в соответствии с представлениями о квантовой механи- ке, возможен переход электрона из тела во внешнее пространство путем туннельного эффекта (переход 2), эмиссия электрона при этом не требует предваритель- 28 Електротехніка і Електромеханіка. 2006. №3 ного возбуждения. Аналогичная ситуация имеет ме- сто, если вблизи поверхности тела находится положи- тельный ион, создающий кулоновскую потенциаль- ную яму (рис. 2). Е=0 + х 2 1 Еi2 Еi1 Еi3 Е0 ЕВ2 ЕВ1 ЕВ1-Еi1 Рис. 2. Атомные частицы (ионы, атомы, молекулы) так- же как и электроны могут быть эмитированы тверды- ми телами при нагревании их или бомбардировке их поверхности атомными частица, электронами и фото- нами. При этом эмитируемыми атомными частицами могут быть молекулы, атомы и ионы вещества мише- ни или адсорбированных на ее поверхности веществ, а в случае бомбардировки мишени атомными части- цами также и сами эти бомбардирующие частицы. Для того чтобы атом поверхностного слоя веще- ства мишени или адсорбированного вещества мог уйти с поверхности, он также должен обладать доста- точной энергией, за счет которой он может преодо- леть силы, удерживающие этот атом на поверхности. Это означает, что акту испускания атомной частицы должен предшествовать акт передачи энергии актива- ции, не меньше энергии связи частицы с поверхно- стью. Эту энергию активации частица может полу- чить за счет тепловой энергии тела, либо за счет кине- тической энергии бомбардирующей поверхность это- го тела частицы. В настоящее время различают большое разнооб- разие эмиссий. Их изучение затруднено тем, что во многих случаях одновременно происходит несколько видов эмиссии, как электронов, так и атомных частиц. Например, при высоких температурах может одно- временно с термоэлектронной эмиссией происходить эмиссия атомных частиц с тепловым возбуждением всех видов. При ударе быстрых ионов о поверхности мишени наряду с кинетическим и потенциальным вырыванием электронов могут протекать процессы испускания атомных частиц. При этом, если разделе- ние положительно заряженных частиц и отрицательно заряженных без особого труда осуществляется с по- мощью электрического поля (задерживающего части- цы одного знака и ускоряющего - другого знака), то разделение различных отрицательно и положительно заряженных частиц значительно сложнее. Сопоставляя эмиссионные процессы как электро- нов, так и атомных частиц, можно сказать, что выход электронов и частиц из потенциальной ямы и преодо- ление потенциального барьера, в основном, зависит от работы выхода. Испускание электронов и частиц с кон- тактной поверхности под действием температуры оп- ределяется явлением термоэлектронной эмиссии. Термоэлектронная эмиссия характеризуется ве- личиной плотности тока насыщения. ⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡ ⋅ ϕ⋅ −⋅⋅−⋅= Tk eTRAjs exp)1( 2 0 (1) где 0A - универсальная постоянная для всех видов эмит- теров; R - средний коэффициент отражения электронов от границы; 0Ee −=ϕ⋅ - работа выхода эмиттера. При рассмотрении процесса термоэмиссии и вы- воде основного уравнения для плотности термоэмис- сионного тока (1) можно показать два пути: Во-первых, задачу можно решать, исходя из зако- нов термодинамики, используя аналогию между испа- рением атомов и испусканием электронов. Это означа- ет, что между процессами эмиссии частиц, зависящими от свойств тела и процессами их конденсации, завися- щими от свойств закономерности эмиссии существует определенная связь. Поэтому закономерности эмиссии электронов можно определить, исходя из рассмотрения свойств насыщенного электронного газа. Такие про- цессы называются "термодинамическими". Во-вторых, к изучению закономерностей термо- эмиссии можно подойти, исходя из рассмотрения свойств электронного газа внутри эмиттера. Такие процессы называются "статистическими". К сожалению, эти две задачи не могут быть ре- шены по-отдельности и не могут быть доведены до конца, т.к. в первом случае для получения выражения плотности тока эмиссии необходимо привлечение законов квантовой статистики, во втором - решение уравнения плотности тока в конечном виде можно получить только для одного частного случая - систе- мы свободных электронов. Таким образом, необходимо искать пути для ре- шения таких задач, и по всей вероятности они долж- ны быть комбинированными. Проведенные исследования показали, что наи- лучшими эмиссионными свойствами обладают окис- лы щелочноземельных металлов (оксидные катоды), которые были тщательно изучены и исследованы ав- тором для возможности их применения в конструкци- ях контактных систем низковольтных электрических аппаратов. Как показали исследования, распределение рабо- ты выхода по поверхности оксидного катода зависит от температуры и от степени его активирования; раз- брос работы выхода уменьшается по мере улучшения активирования. В процессе активирования, оксид превращается в проводник, т.к. в нем создаются избыточные атомы металла, приводящие к появлению локальных донор- ных уровней. Это вызывает подъем уровня электро- химического потенциала и уменьшает работу выхода электронов с поверхности катода. Проведенные исследования также показали, что плохо активированный катод является не электрон- ным, а дырочным проводником. Т.е. иными словами можно сказать, что в оксидном катоде кроме доноров могут находиться акцепторы. Анализ распределения частиц показывает, что до- норы появляются в процессе активирования. Сначала их число меньше, чем акцепторов, поэтому все элек- троны с донорных уровней переходят на акцепторные и еще остаются свободные акцепторные уровни, обу- словливающую дырочную электропроводность оксид- ного слоя в этом состоянии. По мере активирования Електротехніка і Електромеханіка. 2006. №3 29 число доноров растет и для хорошо активированного катода намного превышает число акцепторов; при этом число электронов с уровней доноров перейдет на уров- ни акцепторов, заполнив уже все эти уровни. Но может оставаться еще много доноров с электронами, способ- ными возбуждаться в зону проводимости оксида и соз- давать электронную электропроводность. По мнению автора, этот процесс, может быть, объясняет быстрое перемещение дуги по контактам, но он не последний. По представлениям Ленгмюра, процесс активи- рования заключается в том, что на эмитирующей по- верхности адсорбируется моноатомный слой электро- положительных атомов примеси (активатора) по от- ношению к металлу-основе. Атомы активатора в ре- зультате высокой температуры диффундируют через металл-основу и, поляризуясь на границе металл- вакуум образуют на поверхности электрический ди- поль, направленный отрицательным полюсом к ме- таллу-основе (рис. 3а). Δϕ + - х 0 V а) А - + - + - + - + - + Ме б) Рис. 3. Совокупность таких диполей образует двойной электрический слой, вызывающий скачок потенциала в нем (рис. 3б), за счет чего понижается работа выхо- да электрона. Скачок потенциала в этом двойном слое равен pn ⋅⋅π⋅=ϕΔ 4 (2) где n - число диполей на 1 см2; р - момент отдельного диполя. В процессе работы контактов моноатомный слой разрушается под действием электрической дуги. Од- нако, в результате объемной и поверхностной диффу- зии атомов активатора, моноатомный слой восстанав- ливается. Таким образом, можно сказать, что ресурс работы активированного катода зависит от количест- ва растворенного в материале-основе активатора. Диффузия является немаловажным процессом, происходящим в металлах. Она объединяет многие разделы физики твердого тела (перемещение микро- частиц в поле сил, отсюда и связь с неравновесной термодинамикой, физической кинетикой, учением о дефектах в кристаллах и т.д.). Обсуждению физики диффузии посвящено очень много работ. Диффузия в твердых телах - это резуль- тат случайных периодических скачков атомов из од- ного узла решетки в соседний. Скачки случайны в том смысле, что движение атомов не зависит от того, как перед этим он двигался сам. Возможные механизмы диффузии в кристаллах показаны на рис. 4.: 1) простой обменный (два соседних атома меня- ются местами); 2) циклический обменный (совместное переме- щение группы атомов, при котором каждый занимает место предыдущего); 3) вакансионный (обмен местами атома и вакан- сиями, т.е. пустого узла); 4) простой междоузельный (атом движется по междоузлиям); 5) междоузельный механизм вытеснения (атом вытесняет в междоузлие другой атом, занимая его место в узле; каждый смещается на половину рас- стояния между соседними междоузлиями); 6) краудионный (эстафетное смещение группы атомов). 3 4 6 1 2 5 Рис. 4. Основным механизмом диффузии, и самодиффу- зии, по мнению автора, является вакансионный. Вакан- сия является дефектом кристалла, и свободная энергия кристалла с вакансиями меньше, чем кристалла без ва- кансий. Минимуму свободной энергии кристалла соот- ветствует равновесная концентрация вакансий. .expexp expexpexp ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⋅ ⋅+ −⋅⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ⋅ = =⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ⋅ −⋅⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ⋅ =⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ⋅ −= υυυ υυυ υ TR VpU TR S TR H TR S TR G N fff fff e (3) Здесь fffff VUHSG υυυυυ ,,,, - изменение свобод- ной энергии, энтропии, энтальпии, энергии объема образца при образовании в нем вакансий. 30 Електротехніка і Електромеханіка. 2006. №3 Как следует из уравнения (3), равновесная кон- центрация вакансий экспоненциально растет с темпе- ратурой; она достигает вблизи Тпл значений порядка 10-4, т.е. примерно один пустой узел на десять тысяч. При самодиффузии по межузельному механизму ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⋅ + −⋅ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ + ⋅ν⋅Δ⋅⋅γ= TR HH R SS fD m i f i m i f ii expexp2)( ,(4) где γ - коэффициент термодинамической активности компонента ≈1; f - коэффициент самодиффузии ≈1; Δ - длина скачка (величина постоянная и равная расстоянию до ближайшего соседа), А; ν - частота колебаний атомов (1012 с-1); i - индекс относится к атому в междоузлии. Структурный аспект диффузии, т.е. связь ее со структурой твердого тела, в частности, с дефектами структуры, известен давно. Развитие теории несовер- шенства кристаллической решетки подчеркнуло прак- тическое значение диффузионных измерений. По геометрическим признакам дефекты делятся на точечные (нульмерные), линейные (одномерные), поверхностные (двумерные). Точечные дефекты малы во всех 3-х измерениях, параметры их не превышают нескольких атомных диаметров. К ним относятся вакансии (дефекты Шоттки), т.е. узлы решетки, в которых атомы отсут- ствуют. Вакансии чаще образуются в результате пе- рехода атомов из узла решетки на поверхность или полного испарения с поверхности кристалла и реже в результате их перехода в междоузлие (рис.5). Точечные вакансии вызывают местное искаже- ние кристаллической решетки. Смещение (релакса- ция) вокруг вакансий обычно возникает в первых двух-трех слоях соседних атомов и составляют доли межатомного состояния. Точечные несовершенства появляются и как результат присутствия атомов при- месей. Атомы примесей или замещают атомы основ- ного металла в кристаллической решетке или распо- лагают в междоузлии, искажая решетку. Наличие ва- кансий предопределяет возможность диффузии, т.е. перемещение атомов в кристаллическом теле на рас- стояния, превышающие средние межатомные для данного металла. Точечные дефекты влияют на неко- торые физические свойства металла (электрическую проводимость, магнитные свойства и др.) а также на фазовые превращения. Вакансия Переход атома на поверхность Дислоцированный атом Рис. 5. Если перемещения атомов не связаны с измене- нием концентрации в отдельных объемах, то такой процесс называется самодиффузией и наоборот - ге- теродиффузией. Атомы металла при самодиффузии, а также при- меси, атомы которых замещают атомы основного ме- талла в кристаллической решетке, перемещаются пу- тем обмена местами с вакансиями, примеси, распола- гающиеся в междоузлии (при диффузии) передвига- ются путем перехода из одного междоузлия в другое ЗАКЛЮЧЕНИЕ В результате проведенных исследований кон- тактной поверхности после испытания и теоретиче- ского анализа системы твердого тела можно сказать что, на эмиссию электронов влияет работа выхода, распределение которой по поверхности контакта (ка- тода) зависит от температуры и степени активирова- ния, а именно, с улучшением активации работа выхо- да уменьшается. По всей вероятности, быстрое пере- мещение опорных пятен дуги по поверхности контак- та (как показали испытания), объясняют процессы, которые происходят в кристаллической решетке под действием температуры и влияния электрического поля, а именно: образование двойного электрического слоя, вызывающего скачок потенциала, за счет чего работа выхода уменьшается, а также влияние процес- са диффузии, который связан с термодинамическими явлениями (энтальпия, энтропия, свободная энергии) и фазовыми превращениями. Совокупность рассмот- ренных явлений приводит к уменьшению работы вы- хода электронов и сокращению эмиссии, что застав- ляет дугу перескакивать на другое место, а на преды- дущих местах идет процесс восстановления моно- атомного слоя за счет вакансий, т.е. происходит пере- ход атома из узла решетки на поверхность. ЛИТЕРАТУРА [1] Крыгина Т.П., Павленко Ю.П. Электрические контакты высокой эрозионной стойкости. Сб. научн. тр. "Низко- вольтные аппараты защиты и управления",-Харьков, ВНИИЭА, 1993, C.230-235. [2] Павленко Т.П. Контактные композиции повышенной дуговой стойкости для сильноточных электрических ап- паратов. Вестник ХПИ, Сб. научн. тр. "Новые решения в современных технологиях", №84, - Харьков, ХПИ, 2000, С.154-157. [3] Павленко Т.П. Термоэмиссионная активность компози- ционных контактных материалов., Вестник НТУ "ХПИ", Сб. научн. тр. "Проблемы совершенствования электри- ческих машин и аппаратов" № 48, - Харьков, НТУ "ХПИ", 2005, С.115-119. Поступила 1.12.2005

Факторы, определяющие эмиссию частиц с контактной поверхности

Репозитарії

Схожі ресурси