ЛЕКЦИЯ 4

РАЗДЕЛ 2 (продолжение) Физические процессы в ионизированных газах

2.6Развитие разряда и пробивные напряжения промежутков с однородным электрическим полем

2.6.1Развитие разряда в промежутке с однородным электрическим полем

2.6.2Зависимость значений разрядных напряжений от длины промежутка и давления газа. Закон Пашена.

2.7Развитие разряда и пробивные напряжения промежутков с неоднородным электрическим полем

2.7.1Развитие разряда и начальные напряжения промежутков с неоднородным электрическим полем

2.6.1.Развитие разряда в промежутке с однородным электрическим полем

Развитие разряда происходит за время значительно меньшее, чем полупериод переменного напряжения частотой 50 Гц, поэтому разрядные напряжения воздушных промежутков при постоянном и переменном напряжениях практически одинаковы. Рассмотрим качественно, на основе стримерной теории, развитие разряда при минимальном разрядном напряжении, когда L=xкр.

1) Под воздействием внешнего ионизатора (космические частицы, радиоактивное излучение земли, ультрафиолетовое излучение солнца) из катода выбивается начальный эффективный электрон.

Эффективный начальный электрон – начальный электрон, способный создать в разрядном промежутке лавину длиной хкр, что соответствует условию самостоятельности разряда.

2)Возникает лавина электронов, развивающаяся по направлению к аноду. Электрическое поле в промежутке искажается: усиливается на фронте лавины и у катода вследствие влияния заряда положительных ионов в следе лавины и ослабляется за лавиной электронов. Лавина растет, напряженность поля на ее фронте еще более усиливается.

3)Лавина растет, напряженность поля на ее фронте еще более усиливается. Становится возможной фотоионизация газа вследствие возбуждения положительных ионов и излучения фотонов большой энергии при переходе ионов в невозбужденное состояние.

4)Первоначальная лавина доходит до анода. Вторичные лавины, следуя по силовым линиям поля, втягиваются в область положительного объемного заряда, оставленного первоначальной лавиной и имеющего наибольшую концентрацию у анода.

5)У анода возникает канал разрядастример, имеющий на своем конце избыточный положительный заряд от вливающихся в него вторичных лавин. В промежутке стример-катод поле усиливается, что приводит к появлению многочисленных новых лавин.

6)Стример со скоростью порядка 108 см/с распространяется в направлении катода.

7)Возникает бурная фотоионизация на катоде. Проводимость не пробитой до этого небольшой части промежутка у катода резко возрастает.

8)Стример замыкает промежуток между электродами. Ток в цепи источник – канал разряда скачком возрастает, и канал ярко светится.

Если в качестве источника напряжения использовать заряженный конденсатор, то он, разряжаясь, не может долго поддерживать разряд. Канал разряда ярко вспыхивает и быстро затухает – возникла искра. Если же источник достаточно мощный то искра переходит в дуговой разряд (электрическую дугу). Канал дуги вследствие продолжительного прохождения тока и интенсивного разогрева отличается высокой проводимостью, вызванной термоионизацией.

Начальное напряжение – напряжение, при котором в промежутке выполняется условие самостоятельности разряда.

Пробивное (разрядное) напряжение – напряжение при котором происходит полная потеря электрической прочности промежутка.

При напряжении, превышающем минимально необходимое для пробоя промежутка, значение α велико и критическая длина лавины в соответствии с (2.35) меньше расстояния между электродами хкр<L.

В этом случае становится возможным развитие стримера от катода (рис.2.4). В задней части лавины, достигшей критической длины, напряженность недостаточна, для того чтобы отставшие электроны могли производить ионизацию, и в этой части лавины зарождается стример. С

другой стороны, на фронте лавины с nкр электронов поле значительно усиливается и становится возможной фотоионизация в результате возбуждения положительных ионов, особенно на катоде. Естественно, что в этом случае лавина может развиваться до критической длины, если начальный электрон возникает даже не у катода, а в промежутке.

2.6.2. Зависимость значений разрядных напряжений от длины промежутка и давления газа

Данная зависимость может быть получена на основе условия

самостоятельности разряда в форме (2.31): αL ≈ const = K , поскольку это условие в применении к промежутку с однородным полем означает его пробой.

(−Вр)

Возьмем уравнение для α вида (2.6): α = Арe Е , если подставить его в (2.31) и учесть, что в однородном поле Е=U/L, то получим уравнение:

		(−		B( pL)	)
A( pL)e				U р = K				(2.36) , откуда
U р =	B( pL)							(2.37)
	ln		A( pL)
				K

Уравнение (2.37) представляет собой аналитическое выражение закона Пашена, который первоначально установил зависимость Uр=f(pL) экспериментальным путем. (Фридрих Пашен 1865-1947).

Закон Пашена – при неизменной температуре пробивное напряжение газа в промежутке с однородным полем является функцией произведения давления на расстояние между электродами.

Другими словами: если во столько-то раз увеличить расстояние между электродами и во столько же раз уменьшить давление, то разрядное

напряжение не изменится. Это правило подобия межэлектродных промежутков.

На рис.2.5 представлена зависимость (2.37) для воздуха

При L=const:

При уменьшении давления сокращается число столкновений электрона с частицами газа (z), а при увеличении давления снижается вероятность ионизации (P(хи)). Как известно α= z· P(хи). Поэтому в том и другом случае для выполнения условия самостоятельности разряда αL=K необходимо увеличивать напряжение на промежутке. Минимальному значению Uр по кривой Пашена соответствует оптимальное значение α.

При P=const:

При увеличении расстояния между электродами L, для выполнения условия αL=K необходимо увеличение напряжения, поскольку зависимость α/p=f(E/p) не линейная, а экспоненциальная, то есть более сильная.

При уменьшении L также нужно увеличивать напряжение на промежутке.

Удобную формулу для расчетов разрядных напряжений воздушных промежутков с однородным полем можно получить, воспользовавшись значением α по (2.11) и приняв в условии самостоятельности разряда К=8,2:

	0,2	L(E − 24,5)2	= 8,2	,откуда
	δ

U р = 24,5δL + 6,4

δL

(2.38)

2.38 первоначально была получена опытным путем. Из (2.38) следует,

что

Eр = 24,5δ + 6,4	δ	(2.39)
	L

При нормальных атмосферных условиях и L=1см напряженность электрического поля при разряде в промежутке составляет Ер=30,9 кВ/см. При увеличении длины промежутка Ер снижается, приближаясь к 24,5 кВ/см.

2.7.1 Развитие разряда и начальные напряжения промежутков с неоднородным электрическим полем

Электрические поля в разрядных промежутках подразделяются на однородные и неоднородные. Неоднородные поля в свою очередь подразделяются на квазиоднородные, слабонеоднородные, резконеоднородные.

Степень неоднородности электрического поля характеризуется отношением максимальной напряженности поля в промежутке к средней, называемым коэффициентом неоднородности поля:

	КН=	Еmax		(2.40)
		Еср
	При	КН ≤ 4		электрическое поле относится к слабонеоднородным, и

соответствующие промежутки называются некоронирующими или промежутками со слабонеоднородным полем.

При КН > 4 электрическое поле – резконеоднородное, а промежуток

называется коронирующим.

Условие самостоятельности разряда выполняется при начальном напряжении. Для промежутков с однородным электрическим полем начальное напряжение всегда совпадает с разрядным. Выполнение условия самостоятельности разряда в промежутках с неоднородным полем еще не означает их пробоя.

Коронный разряд – самостоятельный разряд, возникающий в резконеоднородных полях, в которых ионизационные процессы могут происходить только в узкой области вблизи электродов.

Напряженность однородного и квазиоднородного поля постоянна по всей длине промежутка и при выполнении условия самостоятельности разряда ионизация охватывает весь промежуток (αэф>0 по всей длине промежутка), что приводит к его пробою. Таким образом начальное напряжение равно пробивному и коронного разряда не возникает.

Для слабонеоднородного поля эффективная ионизация при начальном напряжении происходит только в части промежутка и возникает коронный разряд. Однако если ионизация при этом охватывает большую часть промежутка, то коронный разряд неустойчив и самопроизвольно переходит в полный пробой промежутка. То есть начальное напряжение по прежнему равно пробивному.

Если при выполнении условия самостоятельности разряда эффективная ионизация происходит в сравнительно узкой зоне у электрода, то коронный разряд будет устойчивым. Такие промежутки – коронирующие или промежутки с резконеоднородным полем. В резконеоднородных полях начальное напряжение соответствует появлению коронного разряда, а пробивное напряжение может быть существенно выше начального.

Возникновение коронного разряда сопровождается появлением свечения газа у коронирующего электрода.

Выполнение условия самостоятельности разряда в промежутках с резконеоднородным полем означает возникновение коронного разряда, который может иметь две формы существования: лавинную и стримерную.

Лавинная - такая форма коронного разряда, при которой в промежутке развиваются только электронные лавины. Особенности:

-напряженность создаваемая лавиной электронов меньше напряженности внешнего электрического поля;

-характерна для малых радиусов кривизны электродов (1-2 мм);

-зона ионизации имеет более или менее однородную структуру. Стримерная - такая форма коронного разряда, при которой в

промежутке кроме электронных лавин развиваются стримерные каналы. Особенности:

-возникает если напряженность, создаваемая лавиной электронов, сопоставима с напряженностью поля до появления лавины;

-характерна для радиусов кривизны электродов порядка 1см и более;

-на коронирующий электрод оказываются как бы насажанными тоненькие проводники – каналы стримеров, на концах которых напряженность электрического поля может достигать очень

больших значений.

Протекание тока по каналу стримера приводит к его разогреву. Если температура в канале стримера становится достаточной для термической ионизации газа, то его характеристики изменяются, и он преобразуется в лидер.

Лидер – термически ионизированная часть канала стримера.

Рассмотрим слабонеоднородное поле коаксиальных цилиндров

Напряженность поля в промежутке между цилиндрами изменяется по уравнению:

E =	U			(2.41)
	x ln	R
		r

где r,R – радиусы внутреннего и внешнего цилиндров;

x – координата.

Условие самостоятельности разряда в этом случае записывается как:

∫R αdx = K

(2.42)

r

Подставив α по (2.6) получаем:

Bpx ln

R

R

Bp

R

r

∫Ape(− E )dx = ∫Ape(−

Uн

)dx = K

(2.43)

r

r

Интегрирование дает:

B ln

R

B ln

R

R

А

U

(−

r

pr)

(−

r

pr)

(2.44)

н

U

U

r

e

н

−e

н

=

K

В

R

ln

r

Из уравнения (2.44) следует, что начальное напряжение в промежутке между коаксиальными цилиндрами является функцией произведения pr и

отношения Rr . В общем случае:

	Uн = f ( pL,	R1	,	R2	...)	(2.45)
		L		L

Выражение (2.45) представляет собой краткую запись закона подобия разрядов.

Закон подобия разрядов – для неоднородного поля при неизменной температуре начальное напряжение является функцией произведения давления газа на один из геометрических размеров промежутка (например L или r) и отношений к этому размеру всех остальных геометрических размеров, определяющих форму промежутка.

Из закона подобия разрядов следует, что если в геометрически подобных промежутках изменять давление газа обратно пропорционально масштабу изменения геометрических размеров, то начальное напряжение

останется неизменным. Легко видеть, что закон Пашена является частным случаем закона подобия разрядов, применительно к однородному полю.