книги / Техника высоких напряжений

Совершенно

естественно,

что

наибольший

интерес

для

техники

в процессе

эксплуатации

первона­

высоких

напряжений.

Несколько

чальные

диэлектрические

свойства

особое значение в этом разделе за­

изоляции постоянно ухудшаются под

нимает глава, посвященная потерям

влиянием

внешних

воздействий.

на коронный разряд в линиях элек­

В эксплуатации многие виды изо­

тропередачи, которая по своей на­

ляционных

конструкций

(изоляция

правленности ближе к курсу элек­

генераторов,

трансформаторов,

ка­

трических сетей. Однако для изу­

белей

и т. д.) работают

при повы­

чения короны на проводах линий

шенных

температурах,

подвергают­

электропередач необходима вся сум­

ся механическим воздействиям

(на­

ма сведений, полученных в осталь­

пример, при коротких замыканиях);

ных главах раздела «Разряды в га­

в эксплуатации возможно также за­

зах», поэтому этот вопрос обычно

грязнение

и увлажнение

изоляции.

рассматривается

в

курсе техники

Все эти факторы способствуют уско­

высоких напряжений.

рению процесса старения изоляции,

Разделы 2 и 3 посвящены изу­

во время которого в изоляции мо­

чению изоляции линий электропере­

гут развиваться различные дефекты,

дачи,

трансформаторов,

генерато­

снижающие ее электрическую проч­

ров,

кабелей

и

высоковольтных

ность. В конце концов она может

конденсаторов. В этих разделах ос­

уменьшиться

настолько,

что изоля­

новное

внимание

уделяется

не

ция будет пробита под действием

столько

деталям

конструкции

раз­

перенапряжений или даже нормаль­

личных

изоляционных

устройств,

ного

напряжения установки.

По­

сколько

ее основным

характеристи­

скольку

каждое

повреждение

изо­

кам, условиям работы в эксплуата­

ляции означает аварию в системе, а

ции и основным видам заводских

короткое замыкание в аппарате при­

испытаний. Условия

работы изоля­

водит

к

его

серьезному

поврежде­

ции

трансформаторов

и

вращаю­

нию,

необходимо

заранее

заменить

щихся машин тесно связаны с пере­

дефектную изоляцию новой или ор­

ходными процессами в их обмотках,

ганизовать ее ремонт до того, как

без

знания

которых

невозможно

она будет пробита в эксплуатации.

правильное конструирование их изо­

Для

своевременного

обнаружения

ляции. Поэтому в соответствующих

развивающихся

дефектов

в изоля­

главах уделяется определенное вни­

ции должна быть разработана си­

мание

основным

закономерностям

стема эксплуатационных

испытаний

переходных процессов в обмотках.

изоляции, которые называются про­

Раздел

4

целиком

посвящен

филактическими

испытаниями.

профилактическим испытаниям изо­

В соответствии с весьма кратко

ляции, причем рассматриваются как

перечисленными

выше

вопросами,

физические

основы

различных

ме­

составляющими

основу

проблемы

тодов

испытаний, так

и практиче­

изоляции

электрических

систем,

ские

рекомендации по применению

курс

техники

высоких

напряжений

этих

методов.

делится на две части, обычно читае­

Вторая

часть

курса

отведена

мые в двух смежных семестрах.

проблеме перенапряжений, защите

Первая часть курса, в которой

от перенапряжений

и

координации

рассматриваются

устройство

и

изоляции.

основные

характеристики

различи

Раздел 5 начинается

специаль­

ных типов

изоляции,

применяемых

ной главой, в которой сообщаются

в электрических системах, начинает­

основные сведения о разряде мол­

ся с газовой изоляции. В этом раз­

нии, являющейся

источником

гро­

деле

основное внимание

уделяется

зовых перенапряжений. В гл. 2 это­

разряду

в

газах

при

атмосферном

го раздела

рассматриваются

вол­

и более высоких давлениях, так как

новые процессы в линиях электропе­

именно

этот

случай

представляет

редачи,

которые

всегда

сопровож-

12

Введение

дают разряды молнии, причем изу­

вольтных

лабораторий

и

высоко­

чаются только те вопросы, которые

вольтным измерениям. В настоящем

имеют прямое отношение к расчетам

учебнике

такие

разделы

отсутст­

грозовых перенапряжений

в элек­

вуют. Длительный опыт преподава­

трических

системах.

В

остальных

ния на

электроэнергетическом

фа­

главах раздела 5 обсуждаются во­

культете МЭИ и неоднократное об­

просы

грозозащиты отдельных эле­

суждение этого вопроса с предста­

ментов

электрической

системы

и

вителями других специальностей по­

описываются

устройство

и

основ­

казали, что для студентов, не спе­

ные характеристики защитных аппа­

циализирующихся

по

технике

вы­

ратов

и схем грозозащиты.

соких

напряжений,

ознакомление

Раздел 6 посвящен в основном

с основным высоковольтным обору­

внутренним перенапряжениям,

но

дованием

и измерениями

достаточ­

начинается он главой о способах за­

но производить во время лабора­

земления

нейтрали

электрических

торных занятий, на которые по

систем,

имеющей

несколько более

учебному

плану электроэнергетиче­

общее

значение. Затем

последова­

ского факультета

МЭИ

отводится

тельно

рассматриваются

основные

около 60 ч. С целью облегчить это

виды

внутренних

перенапряжений,

ознакомление, кафедрой ТВН МЭИ

причем

последняя самая

обширная

выпущено

специальное

пособие

по

глава

посвящена

перенапряжениям

высоковольтным

установкам и

из­

в дальних передачах, которые в по­

мерениям,

причем

этот

материал

следнее время приобрели особо важ­

практически не излагается на лек­

ное значение.

высоких напряжений

циях. Зато профилактическим испы­

В технике

таниям

изоляции

и

в

учебнике и

весьма большое значение имеют экс­

в лекциях уделяется большое вни­

периментальные

исследования,

по­

мание, так как именно с этим видом

этому в большинстве издававшихся

испытаний

будущим

инженерам-

ранее курсов имелись разделы, по­

энергетикам придется

больше

все­

священные

оборудованию

высоко­

го иметь дело.

ЧАСТЬ ПЕРВАЯ

ИЗОЛЯЦИЯ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

			Р А З Д Е Л П Е Р В Ы Й
			РАЗРЯДЫ		В ГАЗАХ
				ГЛАВА ПЕРВАЯ
	ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ГАЗОВОЙ						ИЗОЛЯЦИИ
Воздух		или другие газы		в той	ние	которой	приобретает		принци­
или иной степени всегда присутст­					пиально важное значение.
вуют в любой изоляционной конст­					Но воздух или другой газ имеют
рукции. Шины распределительных					значение не только естественной га­
устройств,		провода	линий электро­		зовой среды, в которой находятся
передачи,		выводы	высокого	напря­	изоляционные конструкции,				как это
жения	трансформаторов и			других	было в приведенных			выше	приме­
аппаратов изолированы друг от дру­					рах.	Газ может		использоваться
га воздушными промежутками, в ко­					также в качестве одного из основ­
торых	воздух играет роль			единст­	ных изоляционных материалов в ка­

венного изолирующего вещества. белях, конденсаторах и других

Опорные

изоляторы

подстанций,

электрических

аппаратах.

подвесные

изоляторы

линий элек­

Основным

недостатком газовой

тропередачи и другие изоляционные

изоляции

является

ее недостаточ­

конструкции находятся в воздушной

ная

электрическая

прочность.

На­

среде.

Нарушение

электрической

пример,

слой

воздуха

толщиной

прочности изоляторов

и изоляцион­

0,5 см выдерживает напряжение по­

ных

конструкций может

произойти

рядка 17 /се, а слой чистого транс­

путем пробоя твердого диэлектрика,

форматорного масла той же толщи­

из

которого

изготовлен

изолятор,

ны около 150 /се. Поэтому целесо­

или путем развития разряда в воз­

образность применения газовой изо­

духе

вдоль

поверхности

твердого

ляции тесно связана с возможно­

диэлектрика. Так как

пробой

ди­

стью

увеличения ее

электрической

электрика приводит к полному вы­

прочности.

прочность

газа

ходу изолятора из строя, а пере­

Электрическая

крытие по поверхности в большин­

увеличивается

при повышении дав­

стве случаев не приносит изолятору

ления от атмосферного до более вы­

существенного

вреда,

напряжение

соких. Например, тот же слой воз­

пробоя изолятора всегда стараются

духа толщиной 0,5 см при давлении

сделать больше

напряжения

пере­

15 ата * будет иметь прочность око­

крытия по поверхности. Таким обра­

ло 190 /се, т. е. больше, чем у транс­

зом,

фактическая

электрическая

форматорного масла. С другой сто­

прочность очень

многих

изоляцион­

роны, известно, что

прочность

воз­

ных конструкций определяется элек­

трической прочностью воздуха, зна­

* Здесь

и далее давление

абсолютное,

духа сильно возрастает и при глубо­

Воздух

имеет

большое

преиму­

ком

вакууме.

Хорошие

диэлектри­

щество

с

точки

зрения

предельно

ческие

свойства

глубокого

вакуума

низкой стоимости, поэтому при по­

широко

используются

в

электрон­

вышенных давлениях нашел некото­

ных приборах и в ряде

специаль­

рое

применение

в

конденсаторах,

ных

установок.

В

промышленной

кабелях и др. Но он не удовлетво­

изоляции глубокий вакуум в на­

ряет

второму

требованию, так

как

стоящее

время

применяется редко.

ионизация

воздуха

сопровождается

Дело в том, что газ в изоляционных

выделением озона, окиси и закиси

конструкциях

применяется

всегда

азота,

вызывающих

интенсивную

в сочетании с другими изоляцион­

коррозию

всех

металлических

ча­

ными материалами, которые, сопри­

стей аппарата и окисление органи­

касаясь с вакуумом, выделяют га­

ческой изоляции, приводящее к по­

зы и тем самым приводят к посте­

степенному ухудшению

ее

изоли­

пенному

увеличению

давления

й

рующих

свойств.

Поэтому

вместо

уменьшению

прочности

изоляции.

воздуха чаще применяют азот, ко­

В таких конструкциях вакуум прак­

торый имеет такую же электриче­

тически

невозможно

поддерживать

скую

прочность,

невысокую стои­

и в промышленной изоляции для

мость и является инертным газом.

увеличения

электрической

прочно­

Для

того

чтобы

электрическая

сти

преимущественно

применяют

прочность воздуха или азота сде­

повышенные давления, а не глубо­

лалась

соизмеримой с

прочностью

кий вакуум.

в

качестве

твердых

или жидких диэлектриков,

Газ,

применяемый

таких

как

масло,

слюда,

фарфор

изоляции,

должен

удовлетворять

и т. д., давление в этих газах не­

следующим основным требованиям.

обходимо поднимать до 10—15 ат.

Газ

должен

быть

химически

Применение

столь

высоких

давле­

инертным и не вступать в реакции

ний,

естественно,

утяжеляет

всю

с диэлектриками, в комбинации с ко­

конструкцию

и

создает

серьезные

торыми он применяется, и с други­

затруднения

в

эксплуатации.

По­

ми

материалами,

использованными

этому в последнее время серьезное

в конструкции аппарата.

которая

внимание

уделяется

различным га­

При

ионизации

газа,

зам, имеющим электрическую проч­

в какой-то степени всегда возмож­

ность,

значительно

большую,

чем

на в аппаратах высокого напряже­

у воздуха и азота. Некоторые из

ния, также не должно выделяться

этих

газов

приведены

в

табл.

1-1.

химически активных веществ.

Таблица /•/

Газ

должен

обладать

низкой

Относительная

электрическая

температурой

сжижения, так

как

прочность некоторых газов

в противном случае его нельзя будет

Химические состав

проч­Электрическая отношениюпоность воздухук

сжиТемпература- градження,

применять

при

повышенных давле­

ниях

(при

увеличении

давления

температура,

при

которой

газ пре­

Газ

вращается в жидкость, возрастает).

Газ

должен

обладать

возможно

большей

электрической

прочностью

и высокой

теплопроводностью. По­

следнее

особенно важно

в тех слу­

Воздух .

1,0

чаях, когда газ одновременно яв­

Водород

н ,

0,6

ляется и изолирующей и охлаждаю­

А зо т .............................

N ,

1,0

щей средой.

Элегаз

(гексафторид

SF,

2 .5

—62

Стоимость газа должна быть до­

серы) . . .

Фреон

(дихлордиф-

2,5

статочно низкой, чтобы сделать его

торметан)

. . .

CCIJFJ

—30

применение экономически оправдан­

Трихлорфторметан .

CCljF

4,5

+49

ным.

Тетрахлорметан

ССЦ

6,3

+76

Последние два

вещества имеют

очень высокую электрическую проч­

ность. Но тетрахлорметан при нор­

мальной температуре

представляет

Собой жидкость, а в газообразном

состоянии он разлагается под дей­

ствием

ионизации

с

выделением

углерода, образующего проводящие

слои на поверхности твердых ди­

Рис.

1*1.

Зависимость

тока

в

газе от на­

электриков,

и хлора, вызывающего

коррозию

металлических

деталей

пряжения между

электродами.

конструкции.

По причине

высокой

мер,

в

1 см3

атмосферного

воздуха

температуры

сжижения

и химиче­

каждую

секунду создается

несколь­

ской активности при наличии иони­

ко десятков пар ионов, которые через

зации

не нашел

себе применения и

трихлорфторметан,

имеющий элек­

определенное время рекомбинируют

друг с другом и снова превращают­

трическую

прочность

в

4,5

раза

ся

в

нейтральные

молекулы. Если

больше, чем

воздух.

к газовому промежутку с плоскими

Наиболее

широко

применяются

электродами

подвести

постоянное

в качестве

изолирующей среды два

напряжение,

величину

которого

газа: фреон и элегаз, имеющие при­

можно изменять, то ионы начнут

близительно одинаковую электриче­

двигаться вдоль силовых линий по-

скую прочность. Оба эти газа хими­

ля, создавая ток / во внешней цепи.

чески

инертны,

но

при

ионизации

По

мере

увеличения

приложенного

выделяют

некоторое количество хи­

напряжения

этот

ток

возрастает

мических веществ, вызывающих кор­

(рис. 1-1) за счет того, что все

розию. Преимуществом элегаза яв­

большая часть ионов успевает до­

ляется его более низкая температу­

стичь

электродов,

не

рекомбиниро^

ра сжижения, позволяющая исполь­

вав

в

пространстве.

Затем

насту*

зовать его при давлениях до 20 ат,

пает режим насыщения, как в элек­

в то время как фреон можно сжи­

тронных лампах, когда ионы в про­

мать только до 6 ат. Но даже при

странстве практически не рекомби-8

давлении в 3 ат, применение кото­

нируют, а при дальнейшем возра^

рого не вызывает существенных тех­

стании

напряжения

ток

начинает

нических

трудностей,

напряжение,

снова

возрастать,

что

свидетельст­

выдерживаемое

слоем

фреона

или

вует о начавшемся процессе иони»

элегаза толщиной 0,5 см, достигает

зации в газе под действием элек­

140 кв, т. е. имеет тот же порядок,

трического поля. Этот процесс раз­

что и для трансформаторного масла.

вивается весьма интенсивно и при

Общим

недостатком

этих

двух

некотором

значении

напряжения

газов

является

их

большая

стои­

происходит резкое увеличение тока,

мость, которая, однако, существенно

которое

свидетельствует

о

внезап­

снижается при массовом изготовле­

ном качественном изменении состоя­

нии.

ния газа. Это напряжение называет­

Идеальный газ, состоящий толь­

ся разрядным напряжением газово­

ко из нейтральных молекул, абсо­

го промежутка и при достижении

лютно

*не

проводит электрического

этого напряжения газ теряет свой­

тока. В реальных газах за счет раз­

ства

диэлектрика

и

превращается

личных внешних воздействий

(уль­

в проводник.

также сле­

трафиолетовое

излучение

солнца,

Весьма существенна

радиоактивное

излучение

почвы,

дующая

особенность

прохождения

космические лучи и т. д.)

всегда

тока

через газ. При

напряжениях

имеется некоторое

количество ионов

меньше

разрядного,

непременным

и электронов, сообщающих

газу оп­

условием прохождения тока являет­

ределенную

проводимость.

Напри-

ся

наличие

внешнего

ионизатора.

непрерывно

создающего электроны

даря ее высокой температуре, кото­

и ионы в межэлектродном простран­

рая достигается за счет непрерыв­

стве. Если этот внешний ионизатор

ных

столкновений

электронов,

дви­

убрать, ток в промежутке немед­

гающихся под действием поля, с мо­

ленно прекращается,

прекращается

лекулами и ионами плазмы. Чем

и

ионизация

под

действием

сил

больше

число

двигающихся

элек­

электрического

поля.

Процесс

яв­

тронов,

т. е. чем

больше

проходя­

ляется несамостоятельным, т. е. он

щий через плазму ток, тем выше ее

не

может

поддерживаться

только

температура,

а

следовательно,

и

за счет внутренних ресурсов самого

проводимость.

промежутка. При напряжении, рав­

Таким образом,

разряд

в

газе

ном разрядному, процесс приобре­

сопровождается

переходом

в со­

тает

самостоятельный

характер,

стояние

плазмы

всего пространства

т. е. он больше не нуждается в по­

между электродами или его части.

мощи внешнего ионизатора. Поэто­

Устанавливающийся

при

этом

в

му часто говорят, что условием про­

промежутке

режим

может приобре­

боя промежутка является

условие

тать различные качества в зависи­

превращения

разряда

в самостоя­

мости

от конфигурации электриче­

тельный.

ского поля, мощности источника и

Как известно, высокую проводи­

давления газа. Можно назвать сле­

мость газ может приобретать только

дующие основные виды разряда.

в

особом

состоянии,

называемом

Тлеющий

разряд

возникает

в

плазмой,

когда значительная

часть

промежутке

при

малых

давлениях

молекул газа ионизирована, причем

газа, когда плазма даже при высо­

проводимость

плазмы

возрастает

кой степени ионизации не может

по

мере

увеличения

числа

HOIHOB,

приобрести большую

проводимость

содержащихся

в единице

объема.

из-за недостаточного числа молекул

Количество положительных

и отри­

газа в единице объема. Поэтому аб­

цательных зарядов в единице объ­

солютная величина

тока,

проходя­

ема плазмы практически одинаково,

щего в газе, не может быть очень

причем

носителями

положительных

большой, невелико также и взаимо­

зарядов являются ионы, а носителя­

действие между отдельными ирна-

ми отрицательных зарядов — ионы и

ми,

находящимися

в

промежутке.

электроны.

Тлеющий разряд

обычно

занимает

Содержащиеся

в

плазме

элек­

все пространство

между электрода­

троны

собственно

и

обеспечивают

ми. Характерным

примером являет­

ее

проводимость, природа которой,

ся

тлеющий

разряд,

используемый

таким

образом,

весьма

сходна

в

газосветных

трубках,

лампах

с природой проводимости металлов.

дневного света

и др.

образуется

в

Существенное

различие

между

га­

Искровой

разряд

зом в состоянии плазмы и металли­

промежутке

при

достаточно

боль­

ческим

проводником

заключается

ших давлениях газа р и расстоя­

в том, что в плазме заряды разных

ниях

между

электродами

5 (ps>

знаков

все

время

рекомбинируют

>1 000

см •мм

рт. ст.)

в

случае,

друг с другом, следовательно, в объ­

если

мощность

источника

питания

еме, заполненном

плазмой,

непре­

невелика или если напряжение при­

рывно должен идти процесс иониза­

ложено к промежутку на

очень ко­

ции,

поддерживающий

плотность

роткое время. При больших давле­

зарядов

на

неизменном

уровне.

ниях газа разряд уже не занимает

В противном случае газ постепен­

всего

поперечного

сечения

проме­

но вернется к своему нормальному

жутка, а развивается в виде узко­

нейтральному состоянию. Одним из

го

канала.

Концентрация

ионов

основных

механизмов

ионизации

в плазме, заполняющей этот

узкий

Вплазме является термическая канал, может достигать больших

ионизация, осуществляемая благо­ величин, поэтому по каналу мог бы

§ 2-1 ]

Общие сведения

17

проходить

значительный

ток,

одна­

турами

и

значительной

степенью

ко

его

величина

ограничивается

ионизации газа.

мощностью

источника.

Благодаря

Коронный разряд является свое­

этому

интенсивность

термической

образной формой

разряда,

харак­

ионизации в канале может оказать­

терной

для

резконеоднородных по­

ся

недостаточной для

поддержания

лей,

когда

ионизация

возникает

его проводимости и канал разряда

только в небольшой области вбли­

распадается. Это,

.например,

имеет

зи электрода. При этом между

место при переменном напряжении,

электродами

промежутка

не возни­

когда разряд в газовом промежутке

кает

сквозного проводящего кана­

происходит

в виде

перемежающих­

ла, что исключает возможность про­

ся

искр,

последовательно

возни­

хождения большого

тока

независи­

кающих между электродами.

после­

мо от давления газа и мощности

Дуговой разряд является

источника. Таким

образом,

образо­

дующей стадией искрового разряда

вание коронного разряда не озна­

при большой мощности

источника.

чает полной потери газовым проме­

В этом случае через промежуток мо­

жутком

изолирующих

свойств, од­

жет проходить большой ток, кото­

нако в изоляционных

конструкциях

рый способствует разогреву канала,

образование

коронного разряда яв­

возрастанию

его

проводимости,

ляется нежелательным.

во всех

а следовательно, дальнейшему уве­

Возникновение

разряда

личению тока. В конце концов бу­

газах

происходит

приблизительно

дет достигнуто

состояние

равнове­

одинаковым путем, хотя и имеются

сия, когда тепловые потери из ка­

важные различия в деталях про­

нала прекратят

дальнейшее

повы­

хождения процесса. В последующих

шение

температуры.

Этот

процесс

главах

изложение

ведется

главным

длительный,

вследствие

чего искро­

образом применительно

к

самому

вой разряд не переходит в дуговой

распространенному

газу

воздуху,

в

случае приложения напряжения

но в гл. 6 будут приведены экспери­

на очень короткое время. Канал ду­

ментальные данные и для других

гового

разряда

характеризуется,

газов.

следовательно,

высокими

темпера­

ГЛАВА ВТОРАЯ

ОСНОВНЫЕ ПРОЦЕССЫ ИОНИЗАЦИИ В ГАЗЕ

2-1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ						нию электрона между двумя точ­
Для	того		чтобы	ионизировать		ками,	разность потенциалов между
нейтральную молекулу, т. е. удалить						которыми равна 1 в. Так как заряд
из нее один электрон, необходимо						электрона			17= 1,6 • 10~19 /с, то 1 эв =
затратить		определенную			работу,	= 1,6 - 10-19 дж= 1,6 . 10-12 эрг.
которая	называется энергией иони­					Чтобы помимо первого электрода
зации И7и. Эту работу принято из­						удалить из молекулы газа еще один
мерять с помощью разности потен­						электрон,			требуется совершить зна­
циалов t/и, проходя которую в элек­						чительно			большую	работу,	поэтому
трическом		поле, электрон			приобре­	соответствующий				(второй)	потен­
тает энергию, равную энергии иони­						циал	ионизации значительно боль­
зации. Величина Un называется по­						ше первого.				газа сообщается
тенциалом		ионизации		и	численно	Если		молекуле
равна энергии ионизации, выражен­						энергия,		меньшая		энергии	иониза­
ной в	электронвольтах.				Энергия	ции, то внешний электрон, не поки­
в 1 эв равна совершаемой электри­						дая пределов молекулы, может пе­
ческим	полем		работе	по перемеще­		рейти	на		другой,	более	высокий

2

энергетический уровень. Такой про­

образуются

и представляют

собой

цесс называется возбуждением. Мо­

прочные соединения» Такие газы на­

лекула

в

возбужденном

состоянии

зываются электроотрицательными.

обычно может находиться очень не­

Если положительный ион «столк­

продолжительное

время,

порядка,

нется»

со

свободным

электроном

10“8 сек, после чего она самопроиз­

или отрицательным

ионом, возмож­

вольно переходит в нормальное со­

на их рекомбинация, т. е. присоеди­

стояние, а затраченная на возбуж­

нение лишнего электрона к положи­

дение энергия выделяется в виде

тельному

иону

с

образованием

кванта света. Однако молекулы мно­

нейтральных частиц. При рекомби­

гих химических элементов обладают

нации

энергия,

ранее

затраченная

Некоторым

количеством

так

назы­

на ионизацию, выделяется в виде

ваемых

метастабильных

уровней

излучения

с определенной

длиной

энергии, попадая на которые, элек­

волны. Частота излучения v в об­

трон

может

задерживаться в тече­

щем

случае определяется равенст­

ние более длительного времени по­

вом

рядка

10"2 сек.

Ь = № и+ Д№к,

(2-1)

Положительные ионы также мо­

где

Л = 6,5 • 10"27

эрг • сек — кванто­

гут переходить в возбужденное со­

стояние,

причем энергия,

затрачи­

вая

постоянная;

кине­

ваемая на возбуждение исина, зна­

ДЯ7К— разность

суммарной

чительно больше энергии возбужде­

тической энергии

участвую­

ния нейтральной молекулы и обыч­

щих

в столкновении

частиц

но превышает первую энергию иони­

до и после столкновения.

зации. Для иллюстрации в табл. 2-1

Таким

образом,

ионизационные

приведены

потенциалы

ионизации

процессы

в

газе всегда

сопровож­

и возбуждения некоторых газов.

даются выделением большого коли­

Таблица 24

чества

фотонов,

обладающих

раз­

Потенциалы ионизации и возбуждения

личными энергиями.

атомов и молекул

различных газов

Газ или пар

Первый потенциал ионизации,

Второй потенциал ионизации,

потенциал возбуждения, в

Потенциал возбуждения нона, в

2-2. ВИДЫ ИОНИЗАЦИИ

Первый

1.

Ударная ионизация

Если

какая-либо

частица

с мас­

в

в

сой tfi (электрон, ион или нейтраль­

ная молекула), летящая со скоро­

н

13,6

10,2

стью v, столкнется

с

нейтральным

Н2

15,4

—

11,2

—

атомом или молекулой, то кинетиче­

N

14,5

2 9,6

6 ,3

—

м,

15,5

—

6,1

—

ская энергия летящей частицы мо­

О

13,6

3 5,2

9,1

—

жет быть затрачена

на совершение

0 2

12,2

—

—

акта ионизации,

если

выполнено не­

54,1

19,8

40,6

Не

2 4,6

равенство

Cs

3 ,8 8

23,4

1 ,38

—

С02

13,7

—-

10,0

—

(2-2)

Образованные

в

процессе

иони­

В ряде случаев важное значение

зации

электроны

могут

существо­

имеет

так

называемая

ступенчатая

вать

в

газе

либо

в

свободном со­

ионизация,

осуществляемая

части­

стоянии, либо присоединяться к ней­

цами

(например,

электронами),

тральным

атомам,

образуя отрица­

энергия которых меньше Wn. Сту­

тельные

ионы. Возможность

обра­

пенчатая ионизация может осущест­

зования отрицательных

ионов зави­

вляться

путем следующих

процес­

сит

от

конструкции атома

газа.

сов:

Электрон

с энергией

меньше

В ряде газов

(кислород, хлор, фтор

а)

и др.)

отрицательные

ионы

легко

Wn переводит атом в возбужденное

состояние. Летящий вслед за ним

дают длины волны не менее 150—

электрон, сталкиваясь с возбужден­

200

ммк,

поэтому

непосредствен­

ным атомом, сообщает ему недо­

ную ионизацию с их помощью

стающую энергию, необходимую для

можно

было

бы

получить

только

ионизации.

в газах,

энергия

ионизации

ко*

б)

При столкновении электронаторых

№и= (6—8)

эв.

В

действи­

с возбужденным атомом происходит

тельности

наблюдается

ионизация

переход атома в нормальное со­

ультрафиолетовыми

лучами

почти

стояние.

Освобождающаяся

при

всех

газов.

Это

объясняется,

во*

этом энергия сообщается электрону,

первых,

ступенчатой

фотоионизаци­

скорость его возрастает и при сле­

ей, когда фотоны сначала возбужда­

дующем столкновении он уже может

ют молекулы газа, а затем новые

ионизировать.

фотоны

переводят

их

в ионизиро­

в)

Происходит столкновение двухванное

состояние;

во-вторых,

при

возбужденных атомов, один из них

наличии

в газе взвешенных

посто­

переходит в

нормальное

состояние,

ронних частиц (пыль, туман) элек­

а освободившаяся энергия затрачи­

троны освобождаются не только из

вается на ионизацию второго атома.

молекул газа, но и с поверхности

Поскольку

все

перечисленные

этих частиц, для чего требуется зна­

процессы для

своего

завершения

чительно

меньшая

энергия.

требуют

определенного

времени,

Мощным

источником фотоиони­

ступенчатая

ионизация

может

про­

зации является газовый разряд. Пе­

исходить только в тех газах, моле­

реход

возбужденных

молекул

и

кулы

которых

обладают

метаста-

ионов в нормальное состояние, про­

бильными уровнями.

цесс рекомбинации, приводят к по­

явлению большого количества фото­

2. Фотоионизация в объеме газа

нов,

значительная

часть

которых

Вторым важным

источником об­

обладает

энергией,

превышающей

энергию

ионизации

газа.

Как

мы

разования

свободных

электронов

увидим в дальнейшем, эти фотоны

является фотоионизация, т. е. иони­

играют весьма важную роль в раз­

зация газа под действием коротко­

витии

разряда.

волнового излучения. Для того что­

бы воздействие

на

газ

излучения

3.

Термическая

ионизация

с частотой V (длиной волны Х=-~,

Под термической ионизацией по­

с — скорость света)

привело к иони­

нимаются все процессы ионизации,

обусловленные тепловым состоянием

зации

газа,

необходимо

выполнить

газа. При высокой температуре име­

условие

ются следующие возможности иони­

hy> W a или

(2-3)

зации:

ионизация

при

соударениях

а)

Наименьшую

энергию

иониза­

между

молекулами

газа,

которые

ции имеют пары цезия (№и=3,88эв),

при высоких температурах двигают­

следовательно, ионизирующее излу­

ся с большими скоростями;

чение должно иметь длину волны во

б)

фотоионизация за счет тепло­

всяком

случае

не

более

вого

излучения нагретого газа;

,

3>10и -6,55- Ю- ”

о 10

в)

ионизация

при

соударениях

ММК.

молекул

с электронами, образовав­

' 3,88-1 ,6 -10~ia~ = 3 1 8

Волны с такими длинами лежат в

шимися в результате первых двух

процессов.

кинетической

теории

ультрафиолетовой

части

спектра,

Согласно

так что видимый свет практически

молекулы газа двигаются со все­

не ионизирует. Искусственные источ­

возможными

скоростями.

Поэтому

ники

ультрафиолетовых

и

лучей

теоретически

при

любой

темпера­

(ртутно-кварцевые

лампы

др.)

туре имеется 1некоторая вероятность

2*

ионизации при столкновениях меж­ ду молекулами. Однако эта вероят­ ность при низких температурах ис­ чезающе мала. Во всей атмосфере земного шара, если бы она находи­ лась при температуре порядка 20° С, ионизирующее столкновение проис­ ходило бы только 1 раз в 10500 лет. При увеличении температуры веро­ ятность ионизации сильно возра­ стает. У гелия, например, при ком­ натной температуре из 10825 моле­ кул ионизирует только одна, а при

температуре	10 000° К — одна		из
1024. У паров	цезия при	10 000° К
необходимую	для ионизации		энер­
гию имеет одна молекула		из 2 000.
Аналогичные рассуждения			мож­

но привести и относительно иони­ зирующего действия теплового из­ лучения газа, которое содержит волны с самыми разнообразными длинами. При /низких температурах вероятность ионизации за счет теп­ лового излучения невелика, с ро­ стом температуры спектр теплового излучения смещается в область бо­ лее коротких волн и ионизация де­ лается значительно более вероят­ ной.

Одновременно с ионизацией мо­ лекул газа происходит и обратный процесс — рекомбинация ионов про­ тивоположного з/нака. Интенсив­ ность ионизации определяется толь­ ко температурой газа, рекомбина­ ция же происходит тем более энер­ гично, чем больше ионизированных частиц находится в единице объема. Поэтому для каждой температуры

Рис.		2-1. Зависимость степени ионизации
(	т =	NA
1		-ÿÿr J от температуры для двух газов,

имеющих энергию ионизации 7,5 и 15 эв.

Давление атмосферное.

существует определенное состояние равновесия, при котором число воз­ никающих и рекомбинирующих ча­ стиц в единицу времени равно друг другу. Степень ионизации газа т , т. е. отношение числа ионизирован­ ных молекул NK к общему числу молекул N в единице объема, для равновесного состояния, может определяться по формуле Саха:

р t _ ^ a- = 2 ,4 - 10—4• Т2>*е		кТ,	(2-4)
Nn			га­
где m = -fi— степень ионизации
за;		газа,
р — давление
мм pm. cm.;
Wa —энергия	ионизации,
эрг;	эрг/°К—по­
£ = 1,37.10-1в
стоянная	Больцмана;
Т — абсолютная		темпера­
тура.

На рис. 2-1 показаны кривые за­ висимости степени ионизации от тем­ пературы для двух газов, имеющих энергии ионизации 7,5 и 15 эв, что приблизительно всоответствует па­ рам меди и воздуху.

4. Ионизация на поверхности электродов

До сих пор мы связывали появ­ ление в газе свободных электронов и ионов с процессами объемной иони­ зации, т. е. с ионизацией самого га­ за находящегося в пространстве между электродами. Между тем электроны в газе могут появляться и путем эмиссии с катода. Осво­ бождение электрона из толщи ме­ талла также требует совершения определенной работы, называехмой энергия выхода, которая у разных металлов различна и зависит от со­ стояния их поверхности. В табл. 2-2 приведены значения энергии выхода для некоторых чистых металлов и окислов.

Энергия, необходимая электрону для выхода из металла, может со­ общаться ему различными спосо­ бами.