Пробой газообразных диэлектриков.

Пробой газов является чисто электрическим пробоем.

Когда электроны находятся на орбитах, ближайших к ядру, то потенциальная энергия атома минимальна. Такое состояние атома является устойчивым и называется нормальным. Переход одного или нескольких электронов с нормальных орбит на более удаленные от ядра называется возбуждением атома. Энергию, необходимую для возбуждения, атом (молекула) может получить при столкновении с электроном или при поглощении коротковолнового излучения. Энергия возбуждения (Wв) равна разнице энергий электрона на удаленной и нормальной орбитах. Возвращение атома в нормальное состояние происходит самопроизвольно и сопровождается излучением фотона. Чем большую энергию получает атом при столкновении с электроном или при поглощении фотона, тем на более удаленную орбиту переходит электрон. Когда электрон удаляется от ядра настолько, что взаимодействие его с ядром практически исчезает, то электрон становится свободным. Происходит ионизация атома, в результате которой образуются две независимые частицы: электрон и положительно заряженный ион. Энергия, которую необходимо сообщить атому (молекуле) для осуществления ионизации, называется энергией ионизации.

Одновременно с ионизацией атомов и молекул газа происходит процесс взаимной нейтрализации заряженных частиц – рекомбинация.

Если к промежутку между электродами в газе приложено напряжение, то заряженные частицы кроме тепловой энергии, приобретают под действием электрического поля направленную скорость. При этом заряженная частица газа приобретает дополнительную (кинетическую) энергию:

где e – заряд электрона; Е – напряженность электрического поля; λ – средняя длина свободного пробега электрона (расстояние, которое преодолевает заряженная частица под действием внешнего электрического поля от одного до другого столкновения с нейтральными молекулами).

Если в момент столкновения электрона с нейтральной молекулой его энергия будет больше либо равна энергии ионизации данной молекулы, то произойдет ее расщепление на положительный ион и электрон, т.е. произойдет электронная ударная ионизация. Условие возникновения ударной ионизации:

где Wт – энергия теплового движения частиц; Wи – энергия ионизации.

После первого акта электронной ударной ионизации уже два (электрона, разгоняясь в поле, будут ионизировать молекулы. При последующих соударениях образуется уже 4 свободных электрона, затем – 8, 16 и т.д. Такой процесс нарастания числа электронов, движущихся в электрическом поле по направлению к аноду, получил название лавины электронов.

Если при соударении электрона с молекулой энергия электрона окажется меньше, чем энергия ионизации данной молекулы, то она не ионизирует. Получив добавочную энергию, молекула переходит в возбужденное состояние с последующим излучением фотона. Фотоны, двигаясь со скорость на два порядка большей (скорость света), чем электронные лавины, значительно ее опережает. «Столкнувшись» с нейтральной молекулой, фотон ее ионизирует, если энергия, приобретенная молекулой, будет больше или равна ее энергии ионизации. Этот процесс называется фотоионизацией.

Образовавшийся в результате фотоионизации электрон, двигаясь к аноду и сталкиваясь с нейтральной молекулой, ионизирует ее, порождая новую, «дочернюю» лавину, находящуюся далеко впереди основной лавины. Основная и дочерние лавины, двигаясь к аноду, растут, догоняют друг друга, сливаются и образуют электроотрицательный стример — цепочку электронных лавин, слившихся в единое целое, образуя канал повышенной проводимости газа.

Образование плазменного газоразрядного канала фактически и есть пробой газов.

На электрическую прочность газов влияет температура, давление, влажность, однородность электрического поля и расстояние между электродами.

С увеличением температуры энергия теплового движения молекул увеличивается и для их ионизации требуется меньшая дополнительная энергия, что улучшает условия возникновения ударной ионизации и приводит к снижению электрической прочности.

Повышение влажности воздуха также приводит к уменьшению его электрической прочности.

При давлениях, больших атмосферного, увеличивается плотность воздуха, следовательно, расстояние между молекулами становится меньше, что приводит к уменьшению длины свободного пробега электрона и дополнительной энергии, которую он приобретает до столкновения с молекулой. Поэтому электрическая прочность газов увеличивается при повышении давления, что делает эффективным использование сжатых газов в качестве изоляции в электрооборудовании (например, элегаза в высоковольтных выключателях).

При уменьшении давления вначале происходит уменьшение электрической прочности, что связано с увеличением длины свободного пробега электронов и, следовательно, увеличением их кинетической энергии, т.е. улучшаются условия возникновения ударной ионизации, а тем самым и условия пробоя. При дальнейшем снижении давления и высокой степени разряжения Епр начинает возрастать. Это увеличение электрической прочности объясняется уменьшением числа молекул газа в единице объема и снижением вероятности столкновений электронов с молекулами. Полочка в зависимости Епр от давления характеризует электрическую прочность вакуума. На первый взгляд кажется, что пробой вакуума не возможен, так как вакуум не содержит свободных носителей заряда, то есть является идеальным изоляционным материалом. В действительности, при достаточно большой напряженности электрического поля происходит пробой вакуума, что объясняется тем, что электрическое поле может вы-звать холодную эмиссию электронов с поверхности металлических электродов. Поэтому электрическая прочность вакуума зависит от материала, из которого изготовлены электроды, и от состояния их поверхности.

Электрическая прочность Епр увеличивается при уменьшении расстояния между электродами (h = 0,1 мм и менее). Это связано с тем, что при таких малых расстояниях свободные электроны и ионы не успевают приобрести энергию, достаточную для ударной ионизации молекул, и разряжаются, достигнув электродов.