Размещено на http://www.allbest.ru/

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ РАЗРЯДЫ В ВОЗДУХЕ

Самостоятельный разряд в газах

Электрический разряд в газе представляет прохождение электрического тока через газовую среду под действием электрического поля.

Причиной возникновения электрического разряда в газе является ударная ионизация, которая возникает под действием электронов, ускоряемых электрическим полем.

Газы можно разделить на электроположительные и электроотрицательные.

Электроотрицательные газы, атомарные или молекулярные, способны захватывать свободные электроны и превращаться в отрицательные ионы. Устойчивость таких ионов зависит от энергии сродства, W_с, которая равна выделяющейся в виде кванта при захвате электрона атомом или молекулой. Электроотрицательными газами являются галогены, хлор, кислород, водород, пары воды

Если W_с газа отрицательна, захват электрона и образование отрицательного иона невозможно. Такой газ называется электроположительным. Электроположительные газы - азот, инертные газы.

Воздух содержит газы обоих типов.

В электроположительных газах интенсивность процесса ударной ионизации характеризуется коэффициентом ударной ионизации , который определяет число актов ионизации, возникающих под действием электрона на пути в 1 см вдоль силовой линии электрического поля.

В электроотрицательных газах помимо увеличения числа электронов при ударной ионизации происходит также потеря электронов за счет их прилипания к нейтральным атомам и молекулам с образованием отрицательных ионов. Этот процесс характеризуется коэффициентом прилипания , который определяет долю прилипших электронов к нейтральным атомам на пути в 1 см вдоль силовой линии электрического поля. Поэтому в электроотрицательных газах интенсивность процесса увеличения числа электронов определяется эффективным коэффициентом ударной ионизации

Коэффициент зависит от напряженности электрического поля Е и плотности газа:

(1)

В неоднородном поле (Е const) интенсивность ударной ионизации в различных точках промежутка неодинакова.

Для развития разряда в газе необходим начальный свободный электрон (), который в газовом промежутке появляется за счет внешнего ионизатора (Солнечный ультрафиолет, космические лучи, естественная радиация и т. д.), либо при развале отрицательных ионов электроотрицательного газа в промежутке. Ускоряясь в поле, электрон в результате соударения ионизирует встречный атом, при этом образуется два электрона, которые в свою очередь создают по два каждый, т.е. четыре, и т.д. Этот увеличивающийся поток электронов называется лавиной и определяется соотношением:

(2)

x_o - координата появления начального электрона

x - x _o - путь роста лавины в направлении электрического поля.

В процессе развития лавины образуются положительные ионы числом и фотоны, возникновение которых связано с тем, что электроны лавины помимо ионизации возбуждают молекулы газа, которые, переходя в нормальное состояние, излучают фотоны.

Положительные ионы в электрическом поле двигаются к отрицательному катоду и бомбардируют его.

Положительные ионы и фотоны, бомбардируя катод, выбивают из него новые электроны, которые называются вторичными, поскольку они возникают в результате вторичных процессов, связанных с развитием первичной лавины. Общее число вторичных электронов пропорционально , т.е.

(3)

где - коэффициент вторичной ионизации.

Рассмотрим подробнее процесс вторичной ионизации.

1. Положительные ионы, появляющиеся при лавинной ионизации, в связи с их большой массой и инерционностью медленно разгоняются в электрическом поле и практически не ионизируют молекулы газа при соударениях. Ион при неупругом соударении передает только половину энергии, поэтому для ионизации он должен иметь энергию, вдвое большую энергии ионизации.Частота таких ионизаций на 10⁵ меньше, чем у электронной ионизации.

2. При бомбардировке катода положительными ионами из него могут выбиваться , если энергия иона больше работы выхода : которая существенно меньше .

3. Часть лавины, не обладающие достаточной энергией, при соударении с молекулами газа их только возбуждают. Такая молекула при переходе в нормальное состояние испускает фотон. Если энергия фотона больше :

, (4)

то при поглощении фотона атомом тот испускает , т.е. происходит акт фотоионизации.

Понятно, что в однородном газе , поэтому фотоионизация успешна только в смеси газов, в которых присутствуют молекулы, удовлетворяющие условию (4). В воздухе, являющемся смесью газов, такое явление имеет место.

4. В электрических полях фотоны могут также выбивать вторичные из электродов, если

.

электрический разряд газ ионизация

И так, причинами вторичной ионизации, обеспечивающей самостоятельный разряд, являются:

- соударения ионов с атомами;

- бомбардировка катода ионами;

- фотоионизация в объеме;

- фотоионизация на электродах.

С увеличением напряженности электрического поля между электродами в газовом промежутке процесс вторичной ионизации становится самоподдерживающимся, условием чего должно быть:

, или (5)

где L - длина промежутка между электродами.

В этом случае разряд становится самостоятельным и может существовать без внешнего ионизатора.

Из уравнений (1) - (5), можно найти напряжение между электродами, при котором выполняется условие самостоятельного разряда. Это напряжение есть интеграл электрического поля вдоль любой силовой линии, в том числе и той, по которой развивается лавина электронов. Это напряжение называется начальным.

Однородное и неоднородное электрическое поле

Электрическое поле между электродами может быть однородным и неоднородным.

Однородным полем можно считать такое поле между электродами, когда расстояние между ними меньше радиуса кривизны электродов, например, шаровый разрядник, при расстоянии между шарами менее радиуса шаров. Напряженность поля в промежутке между электродами во всех точках практически одинакова.

Поле между электродами, не отвечающими указанным выше требованиям называется неоднородным. Резко неоднородное поле между остриями стержней, поле в системе электродов стержень - плоскость, между параллельными тонкими проводами и т .п., или, проще говоря, в таких электродных системах, в которых радиус кривизны одного или обоих электродов много меньше межэлектродного расстояния.

В неоднородном поле наибольшая напряженность электрического поля вблизи острия электрода, при этом величину этой напряженности Е можно оценить как отношение приложенного к острию напряжения U, деленного на радиус кривизны острия электрода r:

.

По этой причине именно вблизи острия начинается лавинный процесс ударной ионизации и самостоятельный разряд, при этом чем лучше заострен электрод, тем при меньших напряжениях начинается этот процесс.

Самостоятельный разряд и начальное напряжение в резко неоднородном поле

При выполнении условия самостоятельности разряда возникает особая форма разряда - коронный разряд. При коронном разряде ионизация происходит лишь вблизи одного из электродов или вблизи обоих электродов, если они оба имеют малый радиус кривизны.

Коронный разряд может иметь две формы - лавинную и стримерную. Лавинная форма коронного разряда характерна для очень малых радиусов кривизны электродов (<2мм).

Ионизационные процессы концентрируются около острия электрода и создают характерное свечение, называемое коронным разрядом или короной. В данном случае начальное напряжение, при котором выполняются условия самостоятельности разряд, соответствует напряжению возникновения коронного разряда.

С повышением напряжения разряд переходит в стримерную форму.

При стримерной форме коронного разряда отдельные лавины сливаются и образуют узкие ионизированные каналы, - стримеры, причем ионизация происходит на концах этих каналов.

А проходящий по этим каналам ток приводит к существенному повышению их температуры, недостаточной однако для термической ионизации. Если температура превысит этот предел и в канале возникнет термическая ионизация, свойства канала изменяются и он называется лидером. Сопротивление канала лидера значительно меньше канала стримера, свечение становится более ярким. Таким образом, при стримерной форме короны на коронирующие электроды оказываются как бы насаженными тоненькие проводники каналы стримеров, на концах которых напряженность электрического поля может достигать очень больших величин.

Как уже говорилось, в системе электродов стержень-плоскость ввиду резко неоднородного поля наибольшая напряженность поля возникает у конца стержня и зависит от радиуса кривизны конца стержня.

Начальное напряжение самостоятельного разряда в такой электродной системе при положительной полярности стержня больше, чем при его отрицательной полярности. Объясняется это тем, что при развитии разряда с отрицательного электрода коэффициент вторичной ионизации больше, чем при положительной полярности электрода. поскольку в этом случае его значение определяется помимо фотоионизации в объеме и фотоионизацией на электроде (катоде). Кроме этого отрицательный электрод бомбардируют положительные ионы, ускоряющиеся вблизи электрода и выбивающие из него электроны, которые в свою очередь образуют дополнительные лавины.

Схематически процессы, связанные с развитием самостоятельного разряда в системе стержень-плоскость приведены на рис. 1.

Рис. 1. Схематическое представление начала самостоятельного разряда между электродами “стержень - плоскость” в зависимости от полярности напряжения на стержне.

Пробой газа. Пробивное напряжение в однородном поле

При увеличении напряжения между электродами выше начального U₀ самостоятельный разряд переходит в следующую стадию - пробой промежутка, при котором формируется горячий канал разряда, имеющий очень малое сопротивление и высокую температуру.

В однородном поле напряженность одинакова во всех точках промежутка. Поэтому, если ионизация началась и перешла в самостоятельную стадию, она распространяется от одного электрода до второго, и возникновение самостоятельного разряда обязательно обозначает полный пробой промежутка. Начальное напряжение в однородном поле равно пробивному напряжению .

В промежутке с однородным полем и расстоянием между электродами условие самостоятельности разряда имеет вид:

или

, (6)

поскольку в первом приближении может считаться величиной постоянной.

Зависимость для большинства газов, в том числе и для воздуха, можно аппросксимировать формулой

, (7)

где а и h - постоянные для данного газа.

Так как в однородном поле (полем зарядов лавины пренебрегаем),то из условия самостоятельности разряда нетрудно получить величину пробивного напряжения путем решения уравнения

,

откуда

, (8)

причем для воздуха кВ/см, см/кВ², К=8,2. Подставив эти величины, получим: ,

где - амплитудное значение при переменном напряжение кВ; - расстояние между электродами, см; - относительная плотность воздуха, причем

(9)

,(9а)

где Т - температура, К; p - давление, Па для (9) и мм рт. ст. для (9а).

Формула (8) для воздуха применима только при см, так как при меньших приближенная формула (6) оказывается несправедливой.

Пробивное напряжение в резко неоднородном поле между электродами

Полный пробой резко неоднородного промежутка стержень - плоскость происходит при напряжении, большем начального, т.е. при наличии развитой короны. Т. е. в неоднородном поле U_р >> U₀ При положительной полярности электрода - стержня пробивное напряжение существенно меньше, чем при отрицательной. Объясняется это тем, что при положительной полярности подвижные электроны легко уходят из зоны разряда на положительно заряженный стержень, а остающийся положительный объемный заряд вытягивается в направлении катода - отрицательно заряженной плоскости и этим усиливает напряженность электрического поля во внешней части промежутка, способствуя дальнейшему развитию разряда. При отрицательной полярности, наоборот, малоподвижный положительный объемный заряд вблизи стержня экранирует отрицательное острие и уменьшает напряженность поля во внешней части промежутка и для развития разряда требуется значительно большее напряжение. Схематическое представление пробоя промежутка “стержень - плоскость” в зависимости от полярности напряжения на стержне приведено на рис. 2.

Средние разрядные напряженности при положительной полярности стержня составляют 4,5 кВ/см, а при отрицательной - примерно 10 кВ/см, что существенно меньше, чем при разрядах в однородном поле (>30 кВ/см). Кривые приведены на рис. 3.

Рис. 2. Схематическое представление пробоя промежутка “стержень - плоскость” в зависимости от полярности напряжения на стержне.

Рис. 3. Пробивное напряжение в системе электродов “стержень - плоскость” в зависимости от полярности напряжения на стержне и длине межэлектродного промежутка, а также в однородном поле.

Размещено на Allbest.ru