1. Разряды в газах

1.1.Общие положения

Прикладывая к промежутку напряжение, мы создаем в нем электрическое поле, которое характеризуется напряженностью

(кВ/м).

Если напряженность поля во всех точках одинакова, то такое поле называется равномерным. Теоретически такое поле может быть получено между двумя бесконечными плоскостями, параллельными друг другу. Практически, при определенных ограничениях, равномерным считается поле между двумя шарами.

Неравномерным считается поле, если напряженность его в различных точках различна. Поле плоскость-плоскость слабонеоднородно за счет его изменения по краям. Поле острие-острие, острие-плоскость резко неравномерно.

Для разных полей есть правило – чем выше однородность поля, чем меньше разница и , тем выше пробивное напряжение диэлектрика.

1.2.Виды газового разряда

Идеальный газ не содержит заряженных частиц и являлся бы совершенным изолятором. В реальном газе содержатся заряженные частицы электроны или ионы, в атмосферном воздухе наблюдается до 500 пар ионов в 1 см³, и при повышении напряжения в воздушном промежутке протекает электрический ток небольшой величины.

При сильных полях в промежутке может появиться проводящий канал, воздух теряет свои изоляционные свойства, происходит «пробой газового промежутка» или «зажигание газового разряда».

При малой мощности источника и малом давлении возникает «тлеющий разряд», который характеризуется малым током и свечением всего промежутка. Это явление используется в технике газосветных приборов.

При малой мощности источника, но нормальном давлении возникает «шаровой разряд», ограниченный узким каналом и серией прерывистых искр.

При большой мощности источника возникает дуговой разряд с большим током разряда и температурой дуги и электродов.

Особой разновидностью искрового или дугового разряда следует считать разряд, который развивается по поверхности диэлектрика.

Если электроды с большой кривизной удалены на большое расстояние, то может возникать «коронный разряд», ограниченный областью около электродов и с повышением напряжения распространяющийся дальше.

В любом случае пробой свидетельствует о появлении в промежутке большого количества заряженных частиц, то есть об интенсивной ионизации газа. После пробоя газовый промежуток восстанавливает свои изоляционные свойства за счет рассеяния (диффузии) частиц в окружающую среду и рекомбинации ионов.

1.3.Виды ионизации

Согласно упрощенной модели атом состоит из ядра и электронов, вращающихся по определенным орбитам. Потенциальная энергия атома минимальна, когда электроны располагаются на ближайших к ядру орбитах.

Сообщая атому энергию, мы можем добиться того, что электроны будут переходить на другую, более удаленную орбиту. Атом переходит в «возбужденное» состояние.

Если энергия достаточно велика, то электрон теряет связь с ядром и происходит ионизация атома. Эта энергия определенна и зависит от строения атома. Она оценивается потенциалом ионизации или энергией ионизации при условии, что заряд принимается равным 1

Возврат электрона на более близкую орбиту происходит с выделением энергии в форме кванта излучения

,

где -постоянная Планка ( эрг сек), -частота кванта.

Среди орбит электронов существуют так называемые «метастабильные», с которых он не может вернуться на более близкую, и для перевода необходимо сначала перевести электрон на более удаленную орбиту, с которой он может вернуться в нормальное состояние.

Ионизация атомов сводится к передаче энергии атому до потери связи электронов с ядром. Это может осуществляться различными способами.

При соударениях частиц происходит передача энергии. Если это осуществляется за счет кинетической энергии одной из частиц, то это - соударение первого рода. Например, при соударении электрона с атомом происходит образование иона и уже двух электронов или соударение двух атомов приводит к ионизации одного из них.

Если ионизация осуществляется за счет потенциальной энергии, то это - соударения второго рода.

Вероятность ионизации не 100%, она растет с увеличением энергии и скорости летящей частицы до определенного предела, но затем опять падает, так как время взаимодействия частиц сокращается.

При облучении газа излучением с частотой так, чтобы , может происходить фотоионизация газа. Для обычных газов эта частота лежит в области ультрафиолетового диапазона. Более интенсивную ионизацию производит , , излучение, когда могут образовываться в результате процесса ионизации вторичные кванты (фотоны) или фотоэлектроны с большой ионизирующей способностью. Вследствие этого излучение газового разряда или радиоактивного источника может быть использовано для «подсвета» разрядного промежутка стабильного пробоя.

Изменение теплового состояния газа может приводить к термоионизации из-за соударения молекул газа при хаотическом движении или фотоионизации за счет теплового излучения. Более того, при последовательной передаче энергии может происходить «ступенчатая» ионизация, для чего наличие высоких температур не обязательно.

Степень термоионизации измеряется от 0 при Т~10000К до 1,0 при Т~20000К.

Как правило, в газовом промежутке всегда присутствуют другие материалы (электроды, конструкции), откуда могут появиться электроны.

Поверхностная ионизация возможна, если электрон в объеме металла получит дополнительную энергию (работа выхода) и преодолеет потенциальный барьер. Эта энергия существенно меньше потенциала ионизации. Ее можно сообщить электрону за счет нагрева (термоэмиссия), бомбардировки поверхности облучением коротковолновым излучением (фотоэффект) или воздействием внешнего поля (холодная эмиссия).

Основным видом ионизации в данном случае является ионизация ударом, когда частица, двигаясь в электрическом поле, накапливает энергию. Накопление энергии возможно на пути между двумя столкновениями, то есть на длине свободного пробега частицы .

, где -«эффективный радиус» частицы, определяющий вероятность соударения частиц. Как следует из формулы

, .

Мероприятия, способствующие уменьшению длины свободного пробега, понижают степень ионизации.

Используя понятие «длина свободного пробега», можно определить вероятность пробега частицей пути без столкновений.

Ч астицы, двигающиеся в поле по координате , испытывают столкновения, и число частиц, не испытавших столкновений все время уменьшается. При длине свободного пробега число столкновений частицы на единице пути равно . Число частиц, испытавших столкновение на пути равно . После интегрирования получаем или - доля частиц, пролетевших путь без столкновений или вероятность пролета пути без столкновений. Из этого выражения следует, что только 37% частиц будут иметь длину пробега , но 0,05% частиц будут иметь длину пробега . Для газов при нормальном давлении мм.

Процесс ионизации в промежутке дополняется диффузией (рассеянием) заряженных частиц, что характеризуется коэффициентом диффузии

,

где -плотность ионного тока,

- градиент концентрации заряженных частиц,

-скорость теплового движения.

Одновременно с ионизацией в промежутке происходит рекомбинация (нейтрализация) заряженных частиц, оцениваемая коэффициентом рекомбинации

.