ПРОБОЙ ГАЗОВ

Пробой газов носит чисто электронный характер и сопровождается появлением фотонной и ударной ионизаций. Энергию, которая при этом выделяется, можно рассчитать по формуле:

= ,

где - заряд,

- напряжение на длине свободного пробега электрона.

Если поле, действующее на газ однородно, то:

= ,

где – напряженность электрического поля,

– средняя длина пробега свободного электрона.

Любой газообразный диэлектрик без действия на него электрического поля содержит определенное количество молекул, а также положительных и отрицательных ионов. Если напряженность увеличивается, то возможно появление фотонной ионизации при некотором ее значении. Фотонная ионизация характеризуется определенной перестройкой электрических оболочек атомов и молекул, в результате чего электрон перебрасывается на более удаленную от ядра орбиту, а атомы и молекулы переходят в возбужденное состояние. При этом излучается фотон (квант света).

Условие наступления ионизации в газе: энергия в газе должна быть больше или равна энергии ионизации

.

Энергия ионизации характеризуется потенциалом ионизации:

.

Для большинства газов: = (4-25) В, = (4-25) эВ.

Электронвольт – это энергия, которую приобретает частица с зарядом, равным заряду электрона , преодолевая разность потенциалов в 1 В.

1 эВ=1,6*10^-19 Кл*1 В=1,6*10^-19 Дж.

Если напряженность достигает больших значений, то в газе появляется ударная ионизация. В этом случае частицы разгоняются электрическим полем с большой скоростью и при столкновении с нейтральными молекулами газа расщепляют их на положительные ионы и электроны.

Скорость электрона (километр в секунду), прошедшего без столкновений разность потенциалов U (вольт), определяется выражением

u»600 .

Подставляя в эту формулу ионизационные потенциалы, видим, что электрон ионизирует газовые молекулы, когда скорость его движения свыше 1000 км/с.

Покажем распространение стримера (электропроводящего канала между электродами) при пробое газообразного диэлектрика.

Рисунок 19 - Схематическое изображение распространения отрицательного стримера при пробоегаза

Если к электродам (аноду и катоду) приложить напряжение таким образом, что «плюс» будет на аноде, а «минус» на катоде, то начнется перемещение электронов из области катода к области анода и соответственное встречное ему перемещение положительных ионов. Причем, электроны будут гораздо подвижнее, чем положительные ионы. Это объясняется различиями их эффективных масс. В результате этого средняя длина свободного пробега электронов существенно больше по сравнению с l положительных ионов.

При столкновении с нейтральными молекулами газа, электроны могут перевести их в возбужденное состояние или ионизировать. Если нейтральная молекула переводится в возбужденное состояние, излучаются фотоны (см. волнистые линии на рис. 19). При больших энергиях происходит ионизация нейтральных молекул на положительные и отрицательные ионы, т.е. в газоразрядном промежутке будут образовываться электронные лавины (см. заштрихованные конусы на рис. 19).

Фотон перемещается в разрядном промежутке со скоростью света (3*10⁸ м/с). В результате этого он будет образовывать новые электронные лавины далеко впереди лавин, которые были образованы около катода. И пока в районе катода стример вырастет на величину стрелки I, произойдет пробой газа между электродами, что соответствует большой стрелке II (см. рис. 19). На рисунке 19 изображен отрицательный стример, т.е. показано перемещение электронов от катода к аноду.

Аналогичным образом можно показать положительный стример, т.е. указать направление перемещения положительных ионов от анода к катоду.

В некоторых газах, например в кислороде, углекислом газе, парах воды, отделившийся электрон при столкновении с нейтральной молекулой превращает эту молекулу в электроотрицательный ион, т.е. в этом случае электрон как бы «прилипает» к молекуле. Это приводит в подобных случаях к такой перестройке ее электронной оболочки, что энергия молекулы, захватившей лишний электрон, будет меньше энергии нейтральной молекулы на некоторую величину, которая называется энергией сродства к электрону. Она колеблется у большинства различных газов в интервале =0,75-4,5 эВ. В инертных газах (в аргоне, неоне, гелии, криптоне, ксеноне), а также в азоте отрицательные ионы не возникают. При разряде в воздухе образуются положительные ионы О⁺, О⁺₂, N⁺, N⁺₂, N0⁺.

В случае положительного стримера при столкновении положительных ионов с нейтральными молекулами газа ионизация последних не происходит. Это объясняется тем, что подвижность и средняя длина свободного пробега положительных ионов гораздо ниже, чем электронов. При столкновении положительного иона с нейтральной молекулой даже при больших энергиях невозможен перевод нейтральной молекулы в возбужденное состояние и невозможна ее ионизация.

Те положительные ионы, которые достигают катода, бомбардируют его поверхность, что приводит к дополнительному вырыванию электронов с поверхности катода и увеличивает их концентрацию в прикатодной области. В прианодной области наблюдается повышенная концентрация положительных ионов.

Таким образом, перемещение противоположно заряженных частиц к разноименным электродам, приводит к интенсивной фотонной и ударной ионизации в газоразрядном промежутке, в результате чего между катодом и анодом образуется канал газоразрядной плазмы и наступает пробой газоразрядного промежутка. Время установления пробоя газоразрядного промежутка составляет:

t_уст = 10^-8 – 10^-7 с.

Если на газоразрядный промежуток действует повышенное напряжение, то время его пробоя уменьшается. Это можно охарактеризовать коэффициентом импульса

= £1,5,

где – напряжение пробоя, соответствующее данному импульсу,

– напряжение пробоя на постоянном токе или при переменном токе при частоте 50 Гц.

Для резко неоднородных электрических полей значение коэффициента импульса не превышает 1,5.