1. スパークギャップの動作原理
スパークギャップはガス放電の原理に基づいて動作します。2つの電極間に十分な高電圧が印加されると、電極間のガスがイオン化し、導電チャネルが形成され、スパーク放電が発生します。この過程は雷雲と地面との間で発生する放電現象に似ています。ガスのイオン化は、ガス分子中の電子が原子または分子からの束縛から解放されるのに十分なエネルギーを得るためには、電界強度が十分に強いことが必要です。これらの自由電子とイオンは電界の作用により加速し、他のガス分子と衝突してさらにイオン化プロセスを生成し、最終的にガスの絶縁破壊とスパーク放電の形成につながります。
パッシェンの法則によれば、ガスの絶縁破壊電圧はガス圧、電極間距離、およびガス種類の関数です。特定のガス種類と圧力が与えられた場合、電極間距離と絶縁破壊電圧の間に一定の関係があります。一般的に、電極間距離が大きいほど、絶縁破壊電圧も高くなります。
2. スパークギャップを使用して電圧を決定する基本的な方法
スパークギャップ装置の校正
まず、既知の電圧を使用してスパークギャップを校正する必要があります。高精度の直流または交流電圧発生器などの標準電圧源を使用し、スパークギャップの電極に接続します。徐々に電圧を上げてスパークが発生するまで観察し、そのときの電圧値と対応する電極間距離を記録します。例えば、空気を媒体とするスパークギャップの場合、電極間距離が1 mmのとき、標準電圧源を使用して測定した絶縁破壊電圧が3 kVであれば、これが1つの校正データ点となります。
電極間距離を変えて上記のプロセスを繰り返すことで、異なる電極間距離に対応する一連の絶縁破壊電圧データを得ることができます。そして、電極間距離と絶縁破壊電圧の関係曲線を描くことができます。これは、未知の電圧の後続の測定における校正の基準を提供します。
未知の電圧の測定
未知の電圧を決定する際は、未知の電圧源を校正されたスパークギャップ装置に接続します。徐々に電圧を上げてスパーク放電が観察されるまで増加させます。そのときの電極間距離を測定し、以前に描いた校正曲線に基づいて対応する電圧値を見つけることができます。この電圧値は未知の電圧の近似値です。例えば、高電圧パルスの電圧を測定する際、電極間距離が2 mmのときにスパークが発生し、校正曲線から得られる対応する電圧が6 kVであれば、高電圧パルスの電圧は約6 kVと判定されます。
3. 注意事項と誤差の原因
ガス条件の影響：ガスの種類、圧力、湿度は絶縁破壊電圧に大きな影響を与えます。例えば、湿度が高い環境では、空気中の水蒸気含量の増加によりガスの絶縁破壊電圧が低下します。そのため、測定過程では可能な限りガス条件を安定させる必要があります。可能であれば、標準大気圧下で乾燥した環境下で測定を行うか、ガス条件の変化に対する補正を行います。
電極形状と表面状態の影響：電極の形状（球形、針形、平板形など）と表面状態（粗さ、酸化層の存在など）もスパークギャップの絶縁破壊電圧に影響を与えます。異なる形状の電極は不均一な電界分布を引き起こし、絶縁破壊電圧を変える可能性があります。例えば、針-平板電極構造では針電極の先端に電界が集中し、絶縁破壊がより容易になり、その絶縁破壊電圧は相対的に低くなります。電極表面の粗さや酸化層はガス分子を吸着したり電界分布を変えたりする可能性があります。そのため、測定過程では電極形状と表面状態の一貫性を確保するか、これらの要因を考慮に入れて補正を行う必要があります。
測定精度の制限：スパークギャップを使用して電圧を測定することは比較的粗い方法であり、その精度は複数の要因によって制限されます。上記のガス条件と電極の要因に加えて、スパーク放電自体は瞬間的かつある程度ランダムな過程であり、正確に制御および測定することが困難です。さらに、高電圧状況では複数回の放電や連続的なアークが発生し、これも測定結果の精度に影響を与えます。したがって、この方法は通常、高精度の電圧測定ではなく、電圧の概算に使用されます。
