Разряд в воздушном промежутке при длительном воздействии напряжения

Необходимым условием развития разряда в газах является нали- чие свободных электронов. Свободные носители зарядов могут воз- никать как за счет внешних воздействий, так и за счет эмиссии электронов с поверхности электродов. Свободные носители заряда, в основном электроны, под действием электрического поля могут приобретать энергию, достаточную для выбивания новых электро- нов при столкновении с молекулами или атомами. Этот процесс на- зывается ударной ионизацией. Образующиеся при этом положи- тельные ионы не играют роли в процессе столкновения, но они мо- гут искажать картину электрического поля и тем самым косвенно способствовать процессу ионизации.

Процесс ионизации газа при постоянной напряженности элек-

Если на длине l электрон приобретает энергию W > W и, то име- ет место выбивание свободного электрона (вторичного электрона). Вторичные электроны также могут приобретать энергию W > W и на длине пробега l и порождать при столкновении новые свободные электроны. Таким образом процесс ударной ионизации может но- сить лавинообразный характер.

Если W < W и, возникает возбужденное состояние электрона ато-

ма. Это состояние не является устойчивым и через

бужденный электрон возвращается на прежний энергетический уровень. При этом имеет место излучение кванта энергии. Если другой электрон сообщает возбужденному электрону энергию, не- обходимую для ионизации, то происходит ступенчатая ионизация. Одновременно с ионизацией всегда идет рекомбинация, которая сопровождается выделением энергии. Поэтому разряд сопровожда- ется свечением.

Длина свободного пробега l зависит от давления p, температу-

ние l можно определить по следующему выражению:

частиц (электронов или ионов) и диаметром молекул.

Поскольку величина l не является постоянной, то в теории га- зового разряда принято использовать коэффициент ударной иони- зации a, который представляет собой число ионизаций, осуществ- ляемых электроном на единичном пути вдоль линии поля:

– постоянные коэффициенты, зависящие от ха-

E – напряженность электрического поля между электродами. Эффективным коэффициентом ионизации называется

где h – коэффициент прилипания, число актов захвата электрона (рекомбинации) на 1 см пути.

После появления у катода хотя бы одного свободного электрона, он под действием электрического поля приобретает энергию, доста- точную для выбивания другого свободного электрона. В результате появляется новый свободный электрон, который может вызвать следующий акт ионизации. Такой непрерывно нарастающий поток электронов называется лавиной электронов.

На участке dx (рис. 1.2) приращение свободных электронов бу- дет равно

где n – число свободных электронов, образовавшихся на участке x, при наличии одного начального свободного электрона.

Рис. 1.2. Определение числа электронов в лавине

Образовавшиеся в процессе ионизации свободные ионы, как от- мечалось выше, в силу меньшей подвижности будут сконцентриро- ваны между катодом и фронтом лавины, что приводит к увеличе- нию напряженности электрического поля у катода и увеличению интенсивности ионизации.

Для возникновения самостоятельного разряда (лавины электро- нов) необходимо, чтобы в результате развившейся первоначальной лавины возник хотя бы один вторичный свободный электрон, спо- собный вызвать новую лавину. В этом случае условие развития раз- ряда в общем виде

– коэффициент вторичной ионизации, который представляет

собой число вторичных электронов, отнесенное к одному акту ио- низации в лавине;

L – расстояние между электродами. Для однородного поля

Для воздуха при атмосферном и более высоком давлении усло-

вием возникновения самостоятельного разряда будет пониженных давлениях – a L = 4.

Если соблюдается условие самостоятельного разряда a L = K, то число электронных лавин растет. При этом последующая лавина развивается еще до того, как положительные ионы предыдущей ла- вины успевают достичь катода. В таком случае лавины распростра- няются по всему промежутку L, и газ в промежутке приходит в со- стояние плазмы. Наступает искровой или дуговой разряд.

Значение пробивного напряжения U пр можно получить из усло-

вия самостоятельности разряда (1.8), подставив a (1.3) и приняв,

что напряженность в момент пробоя равна E пр = U пр L:

Выражение (1.10) является математическим выражением экспе- риментального закона Пашена, из которого следует, что пробивные

произведения давления p и расстояния между электродами L:

и увеличении плотности газа от значения, соот-

ветствующего минимуму кривой, электрическая прочность проме- жутка возрастает, т. к. уменьшается длина свободного пробега, уве- личивается число столкновений и уменьшается вероятность иони-

зации. При уменьшении плотности относительно минимума

возрастает за счет эффекта снижения числа столкновений. В связи с этим в изоляционных конструкциях используется газ под высоким давлением или под малым (вакуум).

Экспериментальная зависимость (1.11) при высоких и низких дав- лениях лежит несколько ниже теоретической (на рис. 1.3 показана штриховой линией). Это объясняется при больших давлениях влия- нием микровыступов, а при низких – автоэлектронной эмиссией.

Для практических расчетов пробивного напряжения можно ис- пользовать более простое выражение

где a, b – постоянные, зависящие от рода газа (для воздуха

где T 0 и p 0 соответствуют нормальным атмосферным условиям

личении L > 1 см E пр = 24,5 кВ/см. При L >> 1 м E пр =1,5-2,5 кВ/см.

На длинных промежутках пробивные напряжения значительно ниже значений, полученных расчетным путем исходя из теории ударной ионизации. Исследование разрядов в длинных промежут- ках привели к появлению стримерной теории разряда.

Сущность этой теории заключается в том, что после образования

начальной лавины 1 (рис. 1.4) на расстоянии x к от катода плотность

электронов во главе лавины резко возрастает, следовательно воз- растает и напряженность электрического поля во главе лавины. Та-

ром расстоянии D x от головы первоначальной лавины возможно

возникновение свободных электронов за счет фотонной ионизации. Фотоэлектроны, находящиеся в сильном электрическом поле

(E внеш + E внут), приобретают энергию, достаточную для образова-

ния новой лавины 2, которая перемещается к аноду. Таким образом, объемный заряд первой лавины оказывается «перенесенным» на

расстояние D x. Область между этими лавинами заполняется плаз-

мой, что приводит к перераспределению напряжения на промежут- ке L и увеличению напряженности поля на отдельных участках.

сти электронов в области фронта и составляет 107–108 см/с, а плот- ность заряда в стримере 1012 ион/см3. Вторая лавина может порож-

дать новую лавину на расстоянии D x ¢. После достижения стриме-

ром анода между электродами образуется область высокой прово- димости и возникает разряд. На начальной стадии развития, когда стример замыкается через емкость, амплитуда тока достигает 10 А. Когда стример достигает электродов, наступает главный разряд и ток резко возрастает. Рассмотренная схема развития называется ка- тодным стримером и характерна для однородного поля при U > U пр,

а x к << L. При напряжениях, близких к пробивному (U» U пр),

стример образуется после пробега начальной лавиной расстояния от катода до анода. Такой стример называется анодным.

Что вызывает тренды на фондовых и товарных рынках Объяснение теории грузового поезда Первые 17 лет моих рыночных исследований сводились к попыткам вычислить, когда этот...

Что делает отдел по эксплуатации и сопровождению ИС? Отвечает за сохранность данных (расписания копирования, копирование и пр.)...

Система охраняемых территорий в США Изучение особо охраняемых природных территорий(ООПТ) США представляет особый интерес по многим причинам...

Что делать, если нет взаимности? А теперь спустимся с небес на землю. Приземлились? Продолжаем разговор...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: