Пробивное напряжение газа в однородном поле. Закон Пашена

Ответ:Однородное электрическое поле может быть получено между плоскими электродами с закругленными краями. В таком поле продолжительность подготовки к пробою газа (для промежутка 1 см) составляет 0,001...0,01 мкс при достижении напряжения строго определенной величины, зависящей от температуры и давления газа. При этом между электродами возникает искра, которая потом переходит в дугу, если источник напряжения имеет достаточную мощность. Влияние внешних факторов на пробой газов рассмотрим на примере воздуха. В нормальных условиях, то есть при давлении 0,1 МПа и температуре 20 ⁰С, электрическая прочность воздуха при расстоянии между электродами в 1 см составляет 3,2 МВ/м.

При малом расстоянии между электродами электрическая прочность воздуха значительно возрастает, что поясняется сложностью формирования разряда на расстоянии, которое сопоставимо с длиной свободного пробега заряженных частиц или даже меньших ее (рис.2.27). Влияние давления газа на пробивное напряжение,удобно оценивать с помощью кривой Пашена, которая представляет собой зависимость пробивного напряжения от произведения давления газа на расстояние между электродами Р×d (рис 2.28) Следует отметить наличие минимума, отвечающего определенному для данного газа значению произведения Р×d. Минимальные значения пробивных напряжений для разных газов составляют 280...420 В, а для воздуха около 300 В. При возрастании давления и, как следствие, повышении плотности газа расстояние между отдельными молекулами уменьшается. Вследствие этого сокращается длина свободного пробега электронов и электрическая прочность газа увеличивается. Но значительное уменьшение давления газа приводит к уменьшению численности молекул в единице объема газа до столь малого количества, при котором возможность столкновения электронов с молекулами значительно уменьшается. В таком случае электрическая прочность газа также возрастает. При высоком вакууме пробой можно объяснить явлением “вырывания” электронов из поверхности электрода (холодная эмиссия). Большую электрическую прочность вакуума используют в технике, например, при конструировании высокочастотных вакуумных конденсаторов, которые предназначенные для повышенных напряжений. Пробивное напряжение газа в однородном электрическом поле, изменяется в зависимости от частоты, в особенности в области радиочастоты (рис 2.29).

При небольших частотах амплитудное значение пробивного напряжения совпадает со значением пробивного напряжения при постоянном токе, поскольку полупериод изменения внешнего поля значительно больше, чем время формирования электронных лавин. На участке высоких частот продолжительность полупериода изменения поля становится меньше времени формирования электронных лавин, поэтому развитие последних затруднено. Таким образом пробивное напряжение возрастает и может достичь значений в 1,5 раза больших чем при постоянном поле.

На участке средних частот наблюдается небольшое снижение пробивных напряжений, которое достигает минимума при частоте ~ 5 Мгц. Снижение пробивного напряжения в этом случае поясняется искривлением поля, обусловленным образованием объемных зарядов в газе, вследствие различной подвижности ионов и электронов. Процессы, протекающие при этом, отображены на диаграмме рис. 2.30. Ионизация газа происходит лишь в те промежутки времени, когда мгновенное значение напряжения превышает порог ионизации +U_І или -U_І (интервалы t₁-t₂ и t₃-t₄). При снижении напряжения до уровня ниже порогового ионизация прекращается и начинается рекомбинация созданного объемного заряда в межэлектродном промежутке. Скорость рекомбинации определяется скоростью дрейфа ионов в направлении катода. На высоких частотах время полупериода изменения поля настолько мало, что ионы не успевают нейтрализоваться на катоде. Накопление объемного положительного заряда усиливает градиенты потенциала, что облегчает дальнейшую ионизацию и снижает пробивное напряжение. Электрическая прочность в значительной степени зависит от химического состава газа. Скорость и, соответственно, энергия электронов, которую они приобретают при перемещении в электрическом поле, определяются в основном характером столкновения электронов с молекулами данного газа. Когда электроны в газе при столкновении с молекулами имеют относительно большое количество неупругих столкновений, что характерно для сложных молекул, тогда для того чтобы они достигли энергии необходимой для ионизации, нужны большие напряженности электрического поля и электрическая прочность такого газа выше, поэтому часто газам с малым потенциалом ионизации соответствует большая электрическая прочность. Так, одноатомные инертные газы (гелий, неон), в которых указанные потери малы, имеют высокий ионизационный потенциал и низкую электрическую прочность, и наоборот, тяжелые газы с высокой молекулярной массой характеризуются повышенной электрической прочностью. К их числу, в частности, относят элегаз (гексафторид серы), фреон, у которых электрическая прочность в 2,5 раза выше, чем у воздуха.

Пашена Закон – устанавливает, что наименьшее напряжение зажигания газового разряда между двумя плоскими электродами есть величина постоянная (характерная для данного газа) при одинаковых значениях произведения pd, где p – давление, d – расстояние между электродами. Сформулирован физиком Ф. Пашеном в 1889 г. Пашена Закон – частный случай закона подобия газовых разрядов: явления в разряде протекают одинаково, если при увеличинии или уменьшении давления газа во столько же раз уменьшить или, соответственно, увеличить размеры разрядного промежутка, сохраняя его форму геометрически подобной исходной. Пашена Закон – справедлив с тем большей точностью, чем меньше p и d.