4.6 Термическая диссоциация и ионизация.

Частицы газа движутся с различными скоростями, и с разными энергиями. Скорости частиц соответствуют макcвелловскому распределению частиц по скоростям Скорость частицы υ (в см/с) зависит от ее абсолютной температуры Θ и плотности m (в кг/cм3) и определяется из уравнения 0,5mυ² = 1,5k/Θ, где k — постоянная Больцмана.. Большинство частиц имеет наиболее вероятную скорость. Столкновение двух молекул может закончиться распадом этих молекул на атомы. Такой процесс называется диссоциацией. На дисcоциацию молекул расходуется определенная энергия (см. табл. 4.1). Эта энергия забирается от газа, и его температура понижается. Образовавшиеся при диссоциации нейтральные атомы диффундируют в окружающую среду и там снова соединяются в молекулы, выделяя тепловую энергию. Поэтому диссоциация ускоряет перенос тепловой энергии от ствола дуги в окружающее пространство. Степень диссоциации, зависит от температуры в давления газа (рис. 4.1). Она может быть определена по формуле Саха:

, (4.6)

где р ‑ давление газа, Па; Θ ‑ температура газа, К; U_и ‑ потенциал ионизации, В.

Для О2 и Н2 при давлении 0,1 МПа диссоциация начинается при 2250 К и заканчивается при 6000 К, для N₂ — соответственно при 4000 и 14 000 К, а для SF₆ — при 2100 К и 5000 К.

При более высокой температуре столкновение частиц может закончиться ионизацией. Термическая ионизация также может проходить ступенчато, при первом столкновении молекула или атом переходит в возбужденное состояние, а при последующем столкновении происходит ионизация.

Как следует из (4.6), степень ионизации зависит от давления, температуры и потенциала ионизации. В воздухе при давлении 0,1 МПа ионизация начинается примерно при 8000 К и заканчивается примерно при 22000 К (см. рис.4.1). При повышении давления степень термической ионизации существенно снижается.

Смесь газов имеет эффективный (эквивалентный) потенциал ионизации определяемый формулой

, (4.7)

где N_n ‑  концентрация частиц n-го газа в смеси; N ‑ суммарная концентрация; Θ ‑ температура смеси, К; U_ип — потенциал ионизации n-го газа, эВ; N_n/N ‑ доля n-го газа в объеме смеси.

Из (4.7) следует, что небольшое количество паров металла в смеси газов существенно снижает ее эффективный потенциал ионизация и увеличивает степень ионизации смеси. Например, эффективный потенциал ионизации смеси воздуха с 12 % паров меди при температуре 6000 К. Равен

В.

Поэтому небольшая доля паров металлов в воздухе значительно снижает эффективный потенциал ионизации смеси газов.

4.7 Деионизация дугового промежутка осуществляется путем рекомбинации и диффузии.

4.7.1 Рекомбинация (воссоединение)

Процесс соединения двух противоположно заряженных частиц и образовании нейтральной частицы (атома или молекулы) называется рекомбинацией. При рекомбинации, выделяется энергия, равная начальной энергии, затраченной на ионизацию. Эта энергия выделяется в виде энергии светового кванта. Столкновение электрона с положительным ионом не всегда приводит к образованию нейтральной молекулы или атома. При таком столкновении возможно образование возбужденной молекулы. Выделившаяся при рекомбинации ионов энергия может перейти также в кинетическую энергию.

Выделение энергии происходит обычно в течение нескольких наносекунд. Для рекомбинации двух частиц, они должны на протяжении определенного времени находиться вблизи друг от друга. Поэтому, рекомбинация происходит интенсивнее при более низких температурах, чем при повышенных.

Скорость рекомбинации зависит от плотности газа, температуры, состояния газа (неподвижен, в состоянии движения) и наличие в зоне дуги нейтральных тел- плоскостей. Рекомбинация может происходить на поверхности твердых материалов или в объеме газов.

Весьма эффективно происходит рекомбинация на поверхности, так как положительные ионы и электроны попадая на поверхность диэлектрика или металла, адсорбируются ею (задерживаются поверхностью) и покидают ее как нейтральные частицы. В неподвижном газе около нейтральных поверхностей образуется слой нейтрального газа, затрудняющий проникновение ионов и электронов к этой поверхности. Если газ находится в движении, то нейтральный слой разрушается и доступ ионов и электронов к поверхности облегчается. Наличие в зоне дуги изолирующих поверхностей увеличивает рекомбинацию в тысячи раз в зависимости от различных условий и свойств газа. Это явление используется в ДУ электромагнитных выключателей имеющих лабиринтно - щелевую камеру, для таких выключателей рекомбинация на поверхности является определяющей. В ДУ газовых выключателей процесс рекомбинации на поверхности не является определяющим, так как средняя длина свободного пробега (порядка 10-5 см и менее) слишком мала, чтобы ионы канала дуги могли достичь твердой поверхности. В вакуумном ДУ, где средняя длина свободного пробега электрона достигает нескольких сантиметров, процесс рекомбинации на поверхности твердого тела также является определяющим. В таких ДУ ионизируются пары металлов, образующиеся при коммутации, деионизируются при их осаждении на поверхности защитных экранов и электродов. Т.е скорость рекомбинации, число ионов, адсорбируемых единицей поверхности (1 см2) диэлектрика в единицу времени определяется выражением:

, (4.8)

где n_и — плотность ионов (т. е. число ионов в 1 см3 объема дуги) на границе ствола дуги, ион/см3 или 1/см3 ; υ_и — средняя арифметическая скорость движения ионов, см/с.

Вероятность столкновения двух частиц противоположной полярности будет тем больше, чем больше тех и других частиц находится в единице объема газа, т. е. чем больше плотность электронов nэ и ионов nи. Поэтому число столкновений, заканчивающихся рекомбинацией, dn за время dt (скорость рекомбинации) пропорционально произведению nэnи и равно:

, (4.9)

где β_р— коэффициент рекомбинации, см3/с; при давлении 105 Па его можно приближенно определить по формуле ; Θ— температура газа, К.

Знак минус означает, что при рекомбинации уменьшается число ионизированных частиц. Так как в стволе дуги nэ=nи, то , и скорость рекомбинации пропорциональна квадрату плотности ионов (электронов). Коэффициент рекомбинации βP обратно пропорционален температуре газа. Ионная рекомбинация имеет более высокую вероятность, чем электронно-ионная, так как ионы при данной температуре газа движутся значительно медленнее, чем электроны, и поэтому более длительное время находятся вблизи друг от друга. Однако в дуге существование отрицательных ионов маловероятно и, следовательно, этот вид рекомбинации не имеет большого значения.

Электронно-ионная рекомбинация играет преобладающую роль при дуговом разряде