توزيع پتانسيل و ميدان الكتريكي در طول مقره*هاي سيليكوني با قطرات آب

توزيع پتانسيل و ميدان الكتريكي در طول مقره*هاي سيليكوني با قطرات آب
مطالعه فلش اور در مقره*هاي سليكوني با آلودگي مصنوعي در تستهاي مه*نمكي نشان مي*دهد كه تخليه روي مقره كاملاً آلوده تابع مسير نشتي در طول سطح مقره است. در مقره*هايي كه بصورت تكه*تكه آلوده مي*شوند، تخليه در مسير آلوده تابع مسير نشتي در قسمت آلوده سطح مقره است. وجود قطرات آب و لايه*هاي آلودگي شدت ميدان الكتريكي را روي سطح مقره*هاي سيليكوني افزايش مي*دهد. بنابراين مطالعه توزيع پتانسيل وميدان الكتريكي در مقره*هاي 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 مقره*هاي سيليكوني ايفا مي*كند كه عبارتند از:
1- قطرات به علت پرميتيويته و رسانايي بالايشان ميدان الكتريكي را بشدت زياد مي*كند.
2- تخليه*هاي كروناي سطحي از قطرات آب، مواد چتركهاي مقره را پير مي*كند.
3- تخليه كرونا خاصيت آبگريزي در قسمتهايي از سطح را از بين مي*برد و سبب گسترش قطرات و بهم پيوستن آنها مي*شود.


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 مي*كنيم.
يك مقره بشقابي عمودي را فرض مي*كنيم 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 مي*كنيم. هدايت نسبي مواد سيليكوني 3/4 است.
دو الكترود به فاصله 10 سانتي*متر و صفحه سيليكون دردو موقعيت متفاوت قرار مي*گيرد. ناحيه sheath بوسيله صفحه سيليكوني كه بين دو الكترود مانند اسپيسر قرار گرفته است شبيه*سازي مي*شود و صفحه سيليكوني بصورت موازي، بين دو الكترود، براي شبيه*سازي ناحيه چترك قرار مي*گيرد.
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 شبيه*سازي مي*كند كه به ترتيب در شكلهاي 2 و 3 نشان داده شده است. خطوط پيوسته براي نشان دادن خطوط هم پتانسيل وخط چين*ها براي مسير ميدان الكتريكي بكار رفته است.
از شكلهاي 2 و 3 چنين به نظر مي*رسد 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 شبيه*سازي شده، شدت ميدان الكتريكي در خطوط مرزي قطره آب؛ هوا و مواد عايقي بشدت زياد شده است. براي ناحيه چترك شبيه*سازي 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 مي*كند. بدنبال اين تغييرات، كميتهاي متعددي تغيير مي*كنند كه بعنوان مثال مي*توان به مولفه*هاي 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 مي*شود. 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 مه*اي
مقره*اي سيليكوني با چهار چترك كه ابعاد آن در شكل 6 آمده است مدل مي*شود. 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 شبيه*سازي شرايط آب و هوايي خاص مورد استفاده قرار گرفته است.
1- مدل خشك و تمييز:
اين مدل براي مقره*هاي سيليكوني تمييز و خشك بكار مي*رود.
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 مي*افتد. 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 مه*اي:
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 مي*دهد. (7-ب) نشان مي*دهد كه فرض كردن شرايط باراني، شدت ميدان الكتريكي را در اطراف نواحي انتهاي چترك به آرامي نسبت به مدل خشك و تمييز كم مي*كند. وجود قطرات آب روي چتركهاي، توزيع ميدان الكتريكي را روي هم رفته كمي غيريكنواخت*تر از حالت خشك مي*كند، (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 مي*دهد كه فرض كردن مدل شرايط مه*اي، نواحي خشك در طول sheath مقره، حداكثر مقدار ولتاژ را تحميل مي*كند. شدت ميدان الكتريكي روي هم رفته در طول نواحي انتهايي مقره بيشتر از حالت خشك تمييز است.