Пробой газов в однородном электрическом поле

Однородное поле образуется между электродами одинаковой геометрической формы с большой площадью поверхности (например, плоскость-плоскость, шар-шар), когда их диаметр D в 10 раз больше расстояния между ними h.

Электрическая прочность газов по сравнению с твердыми и жидкими диэлектриками невелика. Нарушение их изоляционных свойств связано с явлением ударной ионизации.

Число электронов, образующихся в течение 1 с в 1 см² воздуха под действием радиоактивности Земли или космических лучей, составляет от 10 до 20. Эти электроны являются начальными зарядами, которые могут привести к пробою газа в достаточно сильном электрическом поле.

При увеличении напряженности электрического поля электроны ударяются между собой и приобретают энергию, достаточную для ионизации молекул газа:

W=gU — gvE, (57)

где g - заряд частицы; v - средняя длина свободного пробега электрона или иона; Е- напряженность электрического поля.

Для возникновения ударной ионизации необходимо, чтобы энергия движущихся зарядов была выше энергии ионизации W_н:

gvE>WK,

Энергия ионизации W_н для различных газов находится в пределах 4...25 эВ.

Необходимая для ионизации критическая напряженность электрического поля

. (58)

Начальные заряды сталкиваются с атомами и молекулами и порождают новые электроны. Выбитые при этом «вторичные» электроны под действием поля вызывают ионизацию молекул газа. В результате этого процесса число электронов в газовом промежутке, нарастая лавинообразно, очень быстро увеличивается.

Ударная ионизация электронами составляет основу пробоя газа. Однако электронная лавина еще не достаточна для образования пробоя, так как не создает проводящего пути между электродами.

Кроме явления ударной ионизации, создающей первую лавину заряженных частиц, при пробое газа большую роль играют фотоны. Параллельно с явлением ударной ионизации газа происходит переход электронов на более высокие энергетические уровни. Эти электроны не теряют связь с ядром и, не задерживаясь на возбужденных уровнях, возвращаются на нормальные, излучая энергию в виде световых частиц фотонов. Таких молекул значительно больше, чем ионизированных. Они создают новые очаги ионизации и образуют фотоэлектронные лавины, что значительно ускоряет процесс пробоя газа.

Пробой газа происходит мгновенно, при расстоянии между электродами h = 1 см, время пробоя примерно 10^-8 с.

Электрическая прочность газов Е_пр зависит от однородности электрического поля, давления газа Р, расстояния между электродами h, частоты f.

Е_пр

При высоком давлении газа Р (рис. 5.6) увеличение электрической прочности Е связано с уменьшением длины свободного пробега электронов, а при малом давлении - с уменьшением вероятности столкновения электронов с молекулами газа. Пробой при высоком вакууме можно объяснить явлением взрывания электронов на поверхности электродов.

На зависимости электрической прочности от давления газа Р основано применение газов в качестве электрической изоляции в вакуумных конденсаторах и кабелях, заполненных газом под давлением. Высокую электрическую прочность вакуума широко используют в технике, например при конструировании электровакуумных приборов.

Рис. 5.6. Зависимость электрической прочности газов от давления (штриховой линией отмечено нормальное давление)

Рис. 5.7. Зависимость электрической прочности воздуха при нормальном давлении в однородном электрическом поле от расстояния между электродами

1 атм

Электрическая прочность Е_пр увеличивается при уменьшении расстояния между электродами (h = 0,1 мм и менее) (рис. 5.7), что связано с уменьшением вероятности столкновений электронов с молекулами газа в межэлектродном промежутке и трудностью формирования разряда, так как свободные электроны и ионы при таких малых расстояниях не успевают приобрести энергию, достаточную для ударной ионизации.

Пробивное напряжение газов U_np в однородном электрическом поле зависит от произведения расстояния между электродами h и давления газа Р. Эта зависимость была установлена немецким ученым Ф. Пашеном и носит название закона Пашена.

Пробой газов на высоких частотах (f>10⁴ Гц) связан с образованием объемных зарядов и со статическим запаздыванием амплитудного напряжения.

Если частота тока, при которой пробивается газ, менее 10⁴ Гц, то его электрическая прочность Е_п на постоянном и переменном токе одинакова. При увеличении частоты тока пробивное напряжение Un газового промежутка снижается. Это объясняется тем, что малоподвижные ионы при изменении направления тока не успевают рассасываться и способствуют развитию пробоя.

Если частота тока выше 10⁷ Гц, то полупериод воздействия напряжения меньше времени, которое необходимо для развития пробоя. Поэтому электрическая прочность газа возрастает. Это явление называется статическим запаздыванием напряжения.

<40 41 424344 45 46 >

Дата добавления: 2015-10-19; просмотров: 1603;