5.3. Пробой газообразных диэлектриков.

Пробой газовых диэлектриков имеет чисто электрические причины, и поэтому имеет наиболее простой и хорошо изученный механизм пробоя.

В результате действия внешнего ионизирующего излучения в воздухе всегда имеется некоторое число свободных электронов и ионов, которые, также как и нейтральные частицы, участвуют в хаотическом тепловом движении. Под действием приложенного внешнего поля эти частицы приобретают преимущественное направление перемещения. Важную роль в формировании пробоя принадлежит электронам. Эти частицы, благодаря малым размерам и массе, имеют намного большую подвижность, чем ионы. Кроме того, электроны обладают намного большей длиной свободного пробега.

В упрощенном виде механизм пробоя газов сводится к следующему. Под действием приложенного электрического поля электрон начинает равноускоренное движение и приобретает дополнительную энергию, равную для случая однородного поля W = e∙λ∙E, гдее– заряд электрона,Е– напряженность электрического поля,λ – средняя длина свободного пробега электрона. Средняя длина свободного пробега электронаλ – это путь пройденный электроном между двумя последовательными столкновениями. Величинаλ в газе равнаλ =kT/pσ_эфф ,гдеk– постоянная Больцмана (k= 1.3806504∙10^-23Дж/K),Т– абсолютная температура,р– давление газа,σ_эфф – эффективное сечение столкновения, зависящая как от геометрических размеров молекул газа, так и от кинетической энергии электрона.Так, например, для столкновений молекул в воздухе при обычных условиях эффективное сечение столкновения будет около 10^-14 см². Средняя длина свободного пробега электронаλ в воздухе составит (4,5 – 5)10^-4м.

Если в момент столкновения эта энергия окажется выше, чем онизации W_и, то произойдет расщепление молекулы на положительный ион и электрон. Энергия однократной ионизации для воздухообразующих газов лежит в пределах от 12,5 до 15,8 эВ. Электронвольт (сокращённо эВ или eV) — внесистемная единица измеренияэнергии, широко используемая ватомнойиквантовойфизике. Один электронвольт равен энергии, которая необходима для переносаэлектронавэлектростатическом полемежду точками с разницейпотенциаловв 1В.

Если акт ионизации произошел успешно, то количество свободных электронов практически удваивается. Процесс разгона электронов с их последующим столкновением повторяется. В направлении анода со скоростью примерно равной (1-3)∙10⁶начинает нарастать электронная лавина, рис. 5.3.1, участок АБ. Параллельно электронной ударной ионизации протекает процесс фотоионизации. Если энергия электрона оказывается ниже энергии ионизации, то молекула не распадается на ион и электрон, а переходит в т.н. возбужденное состояние, т.е. один из ее электронов перейдет на более высокий энергетический уровень. Это состояние молекулы является неустойчивым, и спустя примерно 10-8 с электрон вернется на прежний энергетический уровень, а молекула испустит квант света.

Ф

Рис.5.3.1.Схематическое изображение развития электронной лавины и электроотрицательного стримера при пробое газа.

отоны распространяются со скоростью примерно в 100 раз большей скорости электронов и значительно опережают фронт породившей их лавины. Сталкиваясь с нейтральной молекулой фотон также может ее ионизировать, вызывая новую лавину, расположенную далеко впереди фронта родительского участка лавины. На рис.5.3.1. траектории фотонов обозначены черными отрезками. Этот процесс называется фотоионизацией. Образовавшийся при фотоионизации электрон, двигаясь к аноду, может порождать дочерние лавины. При этом если электронная лавина распространяется прямолинейно, то фотоны излучаются случайно в разные стороны. Основная и дочерние лавины, двигаясь к аноду, растут, сливаются и образуютэлектроотрицательный стример. Стример имеет явно выраженный зигзагообразный характер. Одновременно с ростом электроотрицательного стримера в объеме диэлектрика накапливаются положительные ионы, концентрация которых особенно велика возле анода. Положительные ионы двигаются к катоду, образуяэлектроположительный стример.

Подходя к катоду, положительные заряды ударяются о его поверхность и если они имеют достаточную энергию, выбивают из поверхности катода т.н. вторичные электроны. Этот процесс называется холодной эмиссией электроновиз катода. Вторичные электроны начинают новый цикл образования лавин и стримера. Газовый канал заполняется заряженными частицами от стримеров, вторичными электронами и частицами от ударной и фотоионизации. Электропроводность такого канала очень высока и по нему будет течь ток короткого замыканияI_кз.

Образование плазменного газоразрядного канала и является пробоем газового диэлектрика. Пробой может проявляться в виде искры или дуги. Без работающего процесса холодной эмиссии электронов из катода невозможно появление самостоятельного разряда в газовом диэлектрике.

Из вышеизложенного следует, что электрическая прочность газов зависит от соотношения значений энергии ионизации и энергии электрона. Последняя зависит как от величины приложенного напряжения, так и от длины свободного пробега электрона λ. Значение энергии ионизацииW_изависит от природы диэлектрика, а длина свободного пробега электронаλ также зависит и от его состояния (давления, температуры). Введение в состав молекул газа атомов фтора и хлора повышает энергию ионизации таких молекул, а увеличение давления - снижает длину свободного пробега электронаλ, что приводит к повышению электрической прочности газообразного диэлектрика.