С появлением искусственного волокна и с широким применением синтетических материалов в технике и быту явления статического электричества и связанные с ними технологические проблемы и опасности приобрели особое значение. Электростатические заряды возникают при разделении двух сред, из которых по меньшей мере одна должна быть диэлектриком. Возникновение зарядов объясняется накоплением носителей заряда одного знака. Разделение зарядов получается, например, при сбегании полотен бумаги или синтетического материала с роликов (текстильная промышленность, ротационные печатные машины, кинопленочная промышленность, производство стекловаты и т. д.), при протекании изоляционных жидкостей по трубопроводам (заправка топливом самолетов, налив бензина в пластмассовые канистры), при завихрении пыли, разбрызгивании аэрозолей и т. д. Природа электростатических зарядов очень сложна и до настоящего времени полностью не объяснена [Л. 202, 203].
Для разработки способов эффективного подавления и ликвидации электростатических зарядов необходимы точные измерительные приборы и соответствующие методы измерений. Применение дорогих измерительных приборов при измерении электростатических зарядов само по себе не является гарантией получения правильных результатов измерения. Достоверности испытаний способствуют правильный выбор типа применяемого измерительного устройства и правильная интерпретация измеренных значений. При измерении электростатических зарядов необходимо учитывать влияние измерительного устройства на измеряемый объект. Влияние устройства для измерения напряжений на измеряемый объект отсутствует тогда, когда его внутреннее сопротивление очень велико по сравнению с внутренним сопротивлением источника, напряжение которого должно быть измерено. К сожалению, это требование редко выполняется при измерении электростатических зарядов. Поэтому в большинстве случаев следует учитывать влияние измерительного устройства и дополнительно корректировать результат измерения.
Величина электростатического заряда у заряженного тела зависит главным образом от его сопротивления изоляции [Л. 213], которое в свою очередь зависит от климатических условий. К ним относятся, помимо относительной влажности воздуха и температуры, атмосферное давление (максимально достижимый заряд или его плотность зависят от пробивной прочности воздуха). Кроме того, следует иметь в виду, что электризация может быть расчленена на два процесса. К первичному процессу относится собственно разделение зарядов в месте внутреннего соприкосновения обеих сред. Вторичные процессу (ограничение максимального напряжения заряда из-за разряда в газах, токи утечки и т. д.) приводят к распределению заряда, которое и определяется измерительными приборами. Чтобы избежать погрешностей при оценке результатов измерений, нужно провести четкую разграничительную линию между этими процессами.
К измеряемым параметрам у электростатических зарядов относятся: потенциал или разность потенциалов по отношению к земле, плотность заряда и напряженность поля. Целесообразность измерения того или иного параметра определяется тем, идет ли речь об объеме диэлектрика или об изоляции провода.
Приборы для измерения электростатических зарядов
К измерительным приборам, пригодным для исследования электростатических зарядов, относятся механические и электронные электрометры, генерирующие и роторные вольтметры и, наконец, приборы, основанные на применении изотопов [Л. 223].
Принцип действия механического электрометра, как и электростатического вольтметра, основан на силовом взаимодействии электрических полей. Электростатические вольтметры при измерении высоких постоянных напряжений не нагружают источник, так как для получении стационарного показания нс отбирают от него тока; кратковременным импульсом тока при начальном заряде емкости измерительного механизма в большинстве встречающихся в ТВН случаен можно пренебречь. После отсоединения электростатического вольтметра от источника напряжения отклонение его указателя сохраняется еще некоторое время, которое зависит от сопротивления изоляции прибора. Особенно большое время разряда получается у электрометров, благодаря их очень большому сопротивлению изоляции (порядка 1010 Ом).
Однако при исследовании электростатических зарядов импульс тока при заряде емкости измерительного прибора оказывает влияние на объект, подлежащий измерению. Поэтому принимают меры к тому, чтобы путем соответствующих конструктивных мер получить возможно малую емкость измерительного механизма. Одновременно при этом достигается повышение чувствительности к заряду, так как силы, действующие на подвижный элемент измерительного механизма,
пропорциональны квадрату напряжения, а при постоянном заряде — обратно пропорциональны емкости.
Вследствие склонности чувствительных механических электрометров к вибрациям область их применения ограничивается в первую очередь лабораторными исследованиями. Поэтому описания различных конструкций механических электрометров здесь не приводятся. Эти описания можно найти в многочисленной специальной литературе [Л. 214—218].
Для технических измерений более пригодны электронные электрометры. При использовании электронных электрометров возникают некоторые трудности, в частности при измерении напряжения источников с очень высокими внутренними сопротивлениями. Искажения напряжения могут быть, однако, ликвидированы принятием соответствующих мер. Очень часто электростатические связи возникают из-за индуктирующего воздействия на неэкранированный вход электрометра других не замеченных электростатически заряженных предметов. Это могут быть, например, детали одежды из искусственного волокна или даже электростатически заряженная карманная расческа. Для устранения этого влияния лучше всего применять полное экранирование всех входных цепей электрометра (коаксиальные подводящие провода, устройства с защитным кольцом). Часто искажения измеряемого напряжения возникают даже от перемещения измерительного кабеля или зонда. Механическая нагрузка измерительного кабеля также является причиной возникновения напряжения помех на входе электрометра из-за трения жил кабеля о диэлектрик и пьезоэлектрического эффекта внутри диэлектрика. Специальные кабели с малыми напряжениями помех и графитовым слоем между диэлектриком и экраном значительно уменьшают уровень помех. Напряжения помех, вызванные колебаниями входной емкости из-за перемещения подводящих проводов или измерительного зонда (Q=∆C∆U), могут быть исключены прочным механическим креплением зонда.
Поскольку электронные электрометры предназначены специально для измерения электростатических зарядов, их диапазон измерений напряжений лежит в пределах 1 В — несколько киловольт, а при градуировке показаний в единицах напряженности поля — 10 В/см—30 кВ/см.
На рис. 115 показана упрощенная принципиальная схема электрометра с одной лампой [Л. 219]. Приложенное к сетке лампы напряжение UM управляет анодным током электрометрической лампы. Сеточный ток Iс≈10-15 А. Если не хотят ставить специальное сопротивление утечки сетки, то в качестве него используют сопротивления изоляции лампы, и тогда получают еще меньшие сеточные токи. Этот режим работы электрометрической лампы называют способом «плавающей сетки». Вследствие сильных колебаний величины сопротивления изоляции и комплексных составляющих сеточного тока [Л. 220] предпочтительно, однако, иметь определенное сопротивление утечки сетки, величина которого примерно на два порядка ниже сопротивления изоляции лампы.
У электрометров, предназначенных для измерения напряженности поля, необходимо иметь фиксированную емкость. На рис. 116 показана принципиальная схема для измерения электростатических зарядов при помощи электрометра. Между поверхностью зонда S и расположенной против нее заряженной поверхностью возникает емкость C1, которая вместе с собственной емкостью прибора С2 образует емкостный делитель напряжения. Напряжение, снимаемое с емкости С2, подается на сетку электрометрической лампы и после усиления, практически без потребления мощности, измеряется прибором магнитоэлектрической системы (см. также рис. 112). Измеренное значение Um пропорционально напряжению заряда Ub
Как и все усилители постоянного тока, электрометрический усилитель имеет явно выраженный дрейф нуля. Колебания напряжения питания и нестабильность свойств лампы являются причинами смещения рабочих характеристик.
Рис. 115. Принципиальная схема электрометра с одной лампой.
Рис. 116. Электрометр с фиксированной измерительной емкостью.
Посредством модуляции приложенного к сетке постоянного напряжения, например при помощи динамического конденсатора, можно преобразовать сигнал на входе в переменное напряжение и затем обычным образом стабильно усилить усилителем переменного тока [Л. 221, 222]. Чтобы можно было учитывать также и знак напряжения на входе, схема выполняется в виде фазочувствительного выпрямителя. По аналогичному принципу работают многие серийные приборы. У современных приборов широкое применение находят также полевые транзисторы [Л. 224, 225] с входным сопротивлением порядка 10+14 Ом.
Измерительные приборы электростатической системы и приборы для измерения напряжения и напряженности поля, работающие на генераторном принципе, были нами подробно рассмотрены в гл. 3. По принципу действия и конструктивному выполнению приборы для измерения высоких напряжений и исследования электростатических зарядов одинаковы, так что здесь пет необходимости в повторном их рассмотрении.
В заключение остановимся на способе с применением изотопов, который позволяет производить непосредственное измерение напряженностей электрического поля при помощи радиоактивного вещества и соответствующим образом выполненных электродов. Принцип действия этих приборов аналогичен электронным счетчикам импульсов, применяемым в ядерной измерительной технике, и основан на увеличении проводимости газов при наличии радиоактивного излучения.
Рис. 117. Измеритель напряженности поля с радиоактивным веществом.
У электронных счетчиков импульсов к электродам с неоднородным распределением напряженности электрического поля приложено постоянное напряжение, которое при наличии радиоактивного излучения создает газовый разряд между обоими электродами. Подаваемое от измерительного прибора напряжение и неизвестное радиоактивное излучение, подлежащее измерению, совместно обеспечивают возникновение газового разряда. Если теперь поменять местами измеряемую и известную величины, то электронный счетчик импульсов можно использовать в качестве измерителя напряженности поля [Л. 206]. Внутри ионизационной камеры, изображенной на рис. 117, находится радиоактивное вещество (альфа-излучатель), которое создает в заполненном воздухом пространстве между двумя концентрично расположенными электродами известную проводимость. Если электрическое поле проникает внутрь через отверстие в передней торцевой стенке экранного электрода, то возникает газовый разряд, вследствие чего па сопротивлении R внешней разрядной цепи возникает падение напряжения. Это падение напряжения можно измерить электрометром, и оно является мерой напряженности поля, получающейся перед отверстием. Переключение пределов измерения производится посредством изменения диафрагмы, перекрывающей отверстие в передней стенке. При помощи радиоактивных препаратов, интенсивность излучения которых ниже допускаемой по технике безопасности для защитных устройств от излучения, можно измерять напряженности поля менее 10 В/см.
