Первинні процеси
Первинні процеси, тобто процеси збільшення кількості носіїв, цілком пов'язані з ізолюючим матеріалом. До них відносяться, насамперед, процеси ударної іонізації електронами й фотоіонізації, які можна спостерігати в будь-якому діелектрику, а також термогенерація, характерна, як правило, для конденсованих речовин.
Ударна іонізація пов’язана з тим, що в електричному полі електрони починають переміщуватися, набуваючи при цьому додаткову енергію:
W=qUl,
де q- заряд;
Ul - різниця потенціалів на довжині вільного пробігу l.
Ймовірність іонізації нейтральної частинки при зіткненні з електроном визначається співвідношенням енергії іонізації молекули Wіі енергії, придбаної електроном на довжині вільного пробігу для непружних зіткнень (при пружних зіткненнях електрон віддає молекулі тільки m/M? - у частину своєї енергії). Кількісно інтенсивність процесу ударної іонізації характеризується коефіцієнтом ударної іонізації a, що дорівнює числу електронів, створених початковим електроном на одиницю довжини пробігу в електричному полі:
α = (1/ l )exp(-Wі /еЕ l).
З визначення a можна записати рівняння збільшення кількості носіїв у діелектрику
,
де n - концентрація носіїв.
Якщо катодом емітується n0ініціюючих електронів, то на відстані d від катода кількість електронів у проміжку досягне величини, що можна знайти інтегруванням попереднього рівняння за n від n0 до nd і за x від 0 до d
Таким чином, ударна іонізація забезпечує експоненціальний ріст числа електронів з віддаленням від катода. На процес значно впливає і коефіцієнт a, що входить у показник експоненти. Тому розглянемо більш докладно, як залежить його величина від характеристик речовини й напруженості поля.
Відповідно до визначення α з урахуванням закону подібності для розрядів у газах можна записати
де l0- довжина вільного пробігу електрона при одиничному тиску;
Р - тиск газу в проміжку.
На практиці через залежність l0 від енергії електрона й впливу електронегативності газу на значення коефіцієнта α для його розрахунку використовують емпіричне співвідношення
/3/
Емпіричні параметри A і В для деяких газів наведені в табл. 1.
Таблиця 1
Константи А и В для розрахунку коефіцієнта a
| Газ | W, | A - пар іонів / МПа | B - В/МПа | Область застосовності E/p, В/МПа |
| Н2 | 15,4 | 3,68 | 95,6 | 110-440 |
| N2 | 15,5 | 8,83 | 251,6 | 75-440 |
| СО2 | 13.7 | 14,7 | 342,8 | 370-740 |
| Повітря | - | 11,0 | 268,5 | 75-590 |
| H2 | 12,6 | 9,56 | 213,6 | 110-740 |
| HCl | - | 18,4 | 279,6 | 150-740 |
| Не | 24,5 | 2.2 | 16-110 | |
| Не | 24,5 | 2,2 | 18,4 | 2-7 |
| Ne | 21,5 | 2,94 | 73,6 | 75-300 , |
| Ar | 15,7 | 10,3 | 132,4 | 75-440 |
| Нg | 10,4 | 14.7 | 272,2 | 150-440 |
Зіставлення даних, наведених у табл. 1, показує, що пряма кореляція між енергією іонізації й інтенсивністю ударної іонізації відсутня. Це пов'язане з істотним впливом на рух електронів у газі явища "прилипання", тобто захоплення електронів молекулами з утворенням нестабільних негативних іонів. Ефективність “прилипання” зростає зі збільшенням спорідненості молекул газу до електрона, обмежуючи довжину вільного пробігу електрона й знижуючи інтенсивність іонізації.
Точний теоретичний розрахунок коефіцієнта ударної іонізації можливий, якщо відома функція розподілу електронів у газі за енергіями і перерізу пружних і непружних взаємодій електронів з молекулами газу.?
У конденсованих середовищах основні уявлення про ударну іонізацію залишаються в основному ті ж. Спочатку електрон прискорюється в електричному полі, гублячи незначну частку своєї енергії при пружних зіткненнях і віддаючи її практично повністю при непружному зіткненні, внаслідок якого в зону провідності перекидається ще один електрон.
Фотоіонізація, як первинний процес можливий при наявності у атомів або молекул звичайних збуджених станів з енергією, що перевищує енергію іонізації окремих компонентів діелектрика, наприклад, у суміші газів. Для фотоіонізації необхідне ультрафіолетове випромінення з довжиною хвилі 1,23410-4 Wімкм.
У газі, при високій густині струму (іскровий розряд, дуга) внаслідок розігрівання електронами й іонами, температура може досягати досить високих значень (Т > 6000 K), при яких стає можливою термоіонізація.
Звичайно в газових розрядах коефіцієнт термоіонізації aт <<1 і основну роль грають ударна й фотоіонізація.
У конденсованих середовищах потрібні значно нижчі температури для термогенерації носіїв (порядку сотень - тисяч градусів Кельвіна), Тому розігрівання діелектрика в сильному електричному полі може викликати різке збільшення концентрації носіїв і привести до нестаціонарного росту струму. Нагрівання діелектрика відбувається внаслідок активних втрат енергії Р, обумовлених у постійному електричному полі електропровідністю, а в змінному - електропровідністю й релаксаційними явищами. У першому випадку
Р0=sЕ2,
де s - питома провідність діелектрика,
а в другому
Р0=wεε0 Е2tgd,
де w - частота напруги;
e - відносна діелектрична проникність ізоляційного матеріалу;
eo - діелектрична проникність вакууму (електрична стала);
tgδ- тангенс кута діелектричних втрат.
При термоактиваційному характері електропровідності величина електричної провідності експоненціально зростає при нагріванні діелектрика в результаті збільшення концентрації носіїв відповідно до формули /2/. ?
Узагальнена температурна залежність діелектричної проникності, тангенса кута діелектричних втрат tgδ і фактора втрат tgd? наведена на рис. 5.
Рис. 5. Температурна залежність (1). 
tgδ (2), фактора втрат (3) і провідності ( 4) для діелектрика з релаксаційними втратами й втратами провідності.
У температурній області, де переважають релаксаційні втрати, tgδ слабко залежить від температури й тільки в області дисперсії проходить через максимум. Якщо втрати обумовлені електропровідністю, то 
і є експоненціальною функцією температури. У вузькому температурному діапазоні 
,
де t0 - температура, при якій визначене значення tgδ0.
Відповідно з визначенням до первинних процесів варто відносити тільки випадок розігрівання діелектрика внаслідок втрат провідності.
Дата добавления: 2015-02-10; просмотров: 776;