Основные виды ионизационных процессов в газовом разрядном промежутке. Энергия ионизации и работа выхода.

Величины, характеризующие электрическую прочность диэлектрика.

Пробивное напряжение изоляцииU_пр- значение напряжения на изоляции при превышении которого наступает явление потери изоляцией изоляционных свойств (электрическим пробой).

Электрическая прочность диэлектрикаE_пр- среднее значение напряженности электрического поля в межэлектродном промежутке непосредственно перед пробоем:

,

где S – расстояние между электродами.

На электрическую прочность изоляционного промежутка сильно влияет форма электродов.

По степени однородности электрического поля, зависящей от формы электродов, различают два вида изоляционных промежутков:

• изоляционные промежутки с однородным и слабонеоднородным электрическим полем (СНП);

• изоляционные промежутки с резконеоднородным электрическим полем (РНП).

Коэффициент неоднородности k_н - отношение максимального значения напряженности электрического поля в изоляционном промежутке к среднему значению напряженности электрического поля:

К промежуткам с СНП относятся промежутки, у которых k_н < 3 . Это промежутки с электродами типа плоскость – плоскость с закругленными краями или промежутки с электродами типа шар – шар, если радиусы шаров много больше расстояния между их поверхностями.

К промежуткам с РНП относят промежутки, имеющие k_н > 3. Наиболее резко выраженными изоляционными промежуткам этого типа являются промежутки с электродами стержень (игла) – плоскость.

Основные виды ионизационных процессов в газовом разрядном промежутке. Энергия ионизации и работа выхода.

В нормальном неионизированном состоянии газы являются почти идеальными диэлектриками. Это состояние нарушается под воздействием напряженности электрического поля, при которой в газе возникает интенсивная ионизация -газовый разряд. При газовом разряде резко возрастает ток, стекающий с электродов. Этот ток есть ток конвекции, обусловленный движением заряженных частиц между электродами.

В газах атомы обычно связаны в молекулы. При отрыве одного электрона от нейтральной молекулы возникает однозарядный положительный ион; его заряд по величине равен заряду электрона +q_e(1,6*10^-19 К).

Процесс отрыва электрона от молекулы называется ионизацией.

Для ионизации молекулы требуется затратить энергию. В атомных процессах энергию принято измерять в электрон-вольтах (эВ). Энергия в 1эВ равна кинетической энергии, которую приобретает электрон при свободном движении между двумя точками с разностью потенциалов в 1В. Следовательно, 1эВ равен энергии q_eU=1,6*10^-19 К • 1 В = 1,6* 10^-19 Вт• сек. Так как заряд электрона постоянен, энергию можно также численно измерять величиной напряжения (или потенциала) U, выражаемого в вольтах.

Значения энергии или потенциал, необходимый для ионизации U_и атмосферного воздуха близок к потенциалу ионизации основных атмосферных газов – кислорода (U_и =12,5В), водорода (U_и =15,4В;), азота (U_и =15,8В). Наибольшие значения U_и имеют инертные газы - гелий, неон, аргон и др.; наименьшие значения - щелочные газы.

Ударная ионизация -ионизация при столкновении молекулы с электроном, ускоренным в электрическом поле называется ударной ионизацией. Число ионизаций, совершаемое одним электроном на единичном пути в направлении поля, наз. коэффициентом ударной ионизации.

Фотоионизация- ионизация в результате поглощения молекулой квантов лучистой энергии, т.е. фотонов. Энергия фотона

где v - частота излучения, 1/с;

h- постоянная Планка, равная 4,13 • 10'⁸ эВ*с.

Условия ионизации выражается формулой:

Как видно из формулы, повышение частоты увеличивает способность фотона к ионизации. Наибольшей ионизирующей способностью обладают космические лучи, γ- излучение радиоактивного распада, рентгеновские и ультрафиолетовые лучи.

Термоионизация.Температура является мерой кинетической энергии хаотического (теплового) движения молекул и свободных электронов в газе. Величина этой энергии определяется для молекулы выражением

где к - постоянная Больцмана, равная 0,86 • 10" эВ/ °К;

Т - температура, °К.

При достаточно высокой температуре становится возможной ионизация в результате столкновения электронов с молекулами. Процесс термоионизации играет решающую роль в столбе электрической дуги, температура которого составляет от 4000 до 15000°К.

Поверхностная ионизация -это эффект испускания из электродов ( из катода) свободных электронов. Для выхода из металла (преодоления потенциального барьера ) электроны должны получить энергию, достаточную для выхода (энергия поверхностной ионизации ). Эта энергия для всех металлов значительно ниже энергии ионизации молекул газов.

Поверхностная ионизация может иметь различные формы:

• термоэлектронная эмиссия – освобождение электронов из катода при его нагреве; в отличие от термической ионизации требуется сравнительно небольшая температура в несколько сотен градусов;

• фотоэлектронная эмиссия – освобождение электронов при облучении катода коротковолновым электромагнитным излучением (эффект Столетова); для многих металлов достаточно облучения видимым светом;

• автоэлектронная эмиссия – освобождение электронов из металла за счет высокой напряженности электрического поля порядка 10⁵– 10⁶В/см, которая может быть реализована на остриях;

• вторичная электронная эмиссия – освобождение электронов из катода при бомбардировке его тяжелыми частицами (положительными ионами).