آموزش طراحی وب و برق - توزيع پتانسيل و ميدان الكتريكي در طول مقره‌هاي سيليكوني با قطرات آب

مطالعه فلش اور در مقره‌هاي سليكوني با آلودگي مصنوعي در تستهاي مه‌نمكي نشان مي‌دهد كه تخليه روي مقره كاملاً آلوده تابع مسير نشتي در طول سطح مقره است. در مقره‌هايي كه بصورت تكه‌تكه آلوده مي‌شوند، تخليه در مسير آلوده تابع مسير نشتي در قسمت آلوده سطح مقره است. وجود قطرات آب و لايه‌هاي آلودگي شدت ميدان الكتريكي را روي سطح مقره‌هاي سيليكوني افزايش مي‌دهد. بنابراين مطالعه توزيع پتانسيل وميدان الكتريكي در مقره‌هاي سيليكوني تحت شرايط مرطوب و آلوده، براي درك عميق شروع مكانيزم فلش اور ناشي از آلودگي بسيار مهم است.
قطرات آب نقشهاي متعددي در فلش اور ناشي از‌ آلودگي و پيري مقره‌هاي سيليكوني ايفا مي‌كند كه عبارتند از:
1- قطرات به علت پرميتيويته و رسانايي بالايشان ميدان الكتريكي را بشدت زياد مي‌كند.
2- تخليه‌هاي كروناي سطحي از قطرات آب، مواد چتركهاي مقره را پير مي‌كند.
3- تخليه كرونا خاصيت آبگريزي در قسمتهايي از سطح را از بين مي‌برد و سبب گسترش قطرات و بهم پيوستن آنها مي‌شود.


1- بدست آوردن مدل:
در اولين قدم، يك مدل نمونه بايدبدست آورد تا مشخصات اصلي توزيع ميدان الكتريكي اطراف قطره آب مطالعه شود. به همين دليل، يك سطح سيليكون رابر مسطح آبگريز با يك قطره آب مجزاي براي مطالعه افزايش ميدان الكتريكي در اطراف قطره آب مورد استفاده قرار گرفته است. براي ساده سازي بيشتر، قطره آب مجزاي منفردي كه نيمكره آن در شكلها آمده است فرض مي‌كنيم.
يك مقره بشقابي عمودي را فرض مي‌كنيم كه قطرات آب ساكن روي چترك و sheath عمورد بر خطوط هم پتانسيل قرار دارند. براي نشان دادن ناحيه sheath و ناحيه چترك مقره، دو الكترود با يك صفحه سيليكون رابر به ابعاد (cm10*cm10*cm10) را فرض مي‌كنيم. هدايت نسبي مواد سيليكوني 3/4 است.
دو الكترود به فاصله 10 سانتي‌متر و صفحه سيليكون دردو موقعيت متفاوت قرار مي‌گيرد. ناحيه sheath بوسيله صفحه سيليكوني كه بين دو الكترود مانند اسپيسر قرار گرفته است شبيه‌سازي مي‌شود و صفحه سيليكوني بصورت موازي، بين دو الكترود، براي شبيه‌سازي ناحيه چترك قرار مي‌گيرد.
در هر دو مورد ولتاژ اعمالي 100 ولت است كه ميانگين شدت ميدان الكتريكي v/cm (10= (10/100)) است. هدايت نسبي آب 80 است.

تجزيه و تحليل افزايش ميدان الكتريكي بوسيله قطرات آب

خطوط هم پتانسيل و خطوط ميدان الكتريكي اطراف قطره آب كه روي صفحه سيليكوني قرار گرفته است، ناحيه sheath و ناحيه چترك را شبيه‌سازي مي‌كند كه به ترتيب در شكلهاي 2 و 3 نشان داده شده است. خطوط پيوسته براي نشان دادن خطوط هم پتانسيل وخط چين‌ها براي مسير ميدان الكتريكي بكار رفته است.
از شكلهاي 2 و 3 چنين به نظر مي‌رسد كه وجود قطره آب سبب انحراف قابل توجهي در ترتيب خطوط هم پتانسيل و مسير ميدان الكتريكي در اطراف قطره اب شده است. براي ناحيه sheath شبيه‌سازي شده، شدت ميدان الكتريكي در خطوط مرزي قطره آب؛ هوا و مواد عايقي بشدت زياد شده است. براي ناحيه چترك شبيه‌سازي شده شكل 3، شدت ميدان الكتريكي در نوك قطره آب زياد شده است.
بردار شدت ميدان الكتريكي هم از نظر كميت و هم از نظر جهت در طول سطح مقره آب تغيير مي‌كند. بدنبال اين تغييرات، كميتهاي متعددي تغيير مي‌كنند كه بعنوان مثال مي‌توان به مولفه‌هاي x و y و z بردار شدت ميدان الكتريكي يا كميت بردار اشاره كرد.
كميت شدت ميدان الكتريكي روي سطح قطره آب در ناحيه sheath و ناحيه چترك، بترتيب در شلكهاي 4 و 5 نشان داده شده است. هر نقطه روي سطح قطره آب بوسيله سه مولفه x و y و z مشخص شده است.
در حقيقت بعد چهارمي نياز است تا توزيع كميت (بزرگي) شدت ميدان الكتريكي را نشان دهد. به عبارت ديگر، بايد بتوانيم توزيع شدت ميدان الكتريكي روي سطح قطره آب را بوسيله دياگرام سه بعدي نشان دهيم. به عبارت ديگر، تمام نقاط روي سطح قطره آب بوسيله تصوير آنها روي صفحه x و y نشان داده مي‌شود. بنابراين بعد z مي تواند براي نشان دادن كميت بردار شدت ميدان الكتريكي درتمام نقاط سطح قطره آب استفاده شود.
واحدهاي x و y به سانتيمتر و شدت ميدان الكتريكي به v/cm است.
براي قطره در ناحيه sheath بيشترين مقدار شدت ميدان الكتريكي روي سطح قطره آب و در سطوح مرزي قطره آب، هوا و مواد عايقي است كه v/cm 29 است شكلهاي 2 و 4 و براي قطره در ناحيه چترك، حداكثر مقدار شدت ميدان الكتريكي در بالاي قطره اب است كه v/cm 6/27 است شكلهاي 3 و 5
اگر هدايت نسبي و رساناي قطره آب با هم مطالعه شوند حداكثر مقدار شدت ميدان الكتريكي ذكر شده در بالا كم است. اگر هدايت نسبي 80 باقي بماند و رسانايي s/cmµ 250 است، حداكثر مقدار شدت ميدان الكتريكي براي قطره آب در ناحيه sheath برابر v/cm 5/35 و در ناحيه چترك v/cm7/31 است كه افزايش ميدان الكتريكي زياد است.

تجزيه و تحليل توزيع پتانسيل تحت شرايط باراني و مه‌اي
مقره‌اي سيليكوني با چهار چترك كه ابعاد آن در شكل 6 آمده است مدل مي‌شود. براي كاهش زمان محاسبات فقط يك قسمت 10 درجه از سطح چترك مدل شده است و ولتاژ اعمالي 100 ولت است. سه مدل زير براي شبيه‌سازي شرايط آب و هوايي خاص مورد استفاده قرار گرفته است.

1- مدل خشك و تمييز:
اين مدل براي مقره‌هاي سيليكوني تمييز و خشك بكار مي‌رود.

2- مدل باراني:
در اين مدل، هفت قطره آب روي هر سطح 10 درجه چترك فرض مي شود كه 256=36*7 قطره روي هر چترك و 1008=4*252 قطره آب روي چهار چترك مقره مي‌افتد. شكل تمام قطرات آب نيمكره با قطره mm2 است. هدايت نسبي قطرات آب 80 و رسانايي آنها µs/cm 250 است. سطح عمودي sheath و زير چتركها خشك است.


3- مدل مه‌اي:
در اين مدل توزيع قطره آب شبيه‌ مدل باراني است، با اين تفاوت كه زير چتركها بوسيله لايه نازك آب پوشانده شده است. هدايت نسبي قطرات آب 80 و رسانايي آنها µs/cm 250 است.
خطوط همپتانسيل در هر سه مورد فوق در شكل 7 نشان داده شده است. شكل (7-الف) توزيع يكنواخت ميدان الكتريكي در طول قره تمييز و خشك را نشان مي‌دهد. (7-ب) نشان مي‌دهد كه فرض كردن شرايط باراني، شدت ميدان الكتريكي را در اطراف نواحي انتهاي چترك به آرامي نسبت به مدل خشك و تمييز كم مي‌كند. وجود قطرات آب روي چتركهاي، توزيع ميدان الكتريكي را روي هم رفته كمي غيريكنواخت‌تر از حالت خشك مي‌كند، (البته شدت ميدان الكتريكي موضعي در اطراف هر مقره آب بيشتر است). نتيجه اينكه، ميدان الكتريكي روي هم رفته، در مناطق محل تقاطع سه گانه (پوشش، هوا و فيتينگها) كمي كوچكتر از حالت خشك و تمييز است. در نهايت شكل (7-ج) نشان مي‌دهد كه فرض كردن مدل شرايط مه‌اي، نواحي خشك در طول sheath مقره، حداكثر مقدار ولتاژ را تحميل مي‌كند. شدت ميدان الكتريكي روي هم رفته در طول نواحي انتهايي مقره بيشتر از حالت خشك تمييز است.