Как происходит ионизация межэлектродного пространства

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ДУГА В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТАХ

При размыкании электрических контактов под нагрузкой происходит ионизация воздушного промежутка между контактами. Воздушный промежуток становится токопроводящим. Это происходит при определенных значениях тока и напряжения, которые превосходят критические значения. На контактах возникает электрическая дуга. Электрическая дуга представляет собой вид электрического разряда в газах, который сопровождается большой плотностью тока и высокой температурой. Это может привести к оплавлению контактов, к пробою воздушного промежутка не только между размыкаемыми контактами, но и между соседними полюсами. Поэтому электрическую дугу в коммутационных аппаратах стремятся как можно быстрее погасить. В то же время электрическую дугу, применяемую для сварки металлов, стремятся как можно дольше поддерживать без погасания.

Процессы ионизации и деионизации дугового промежутка

Процесс разряда в газовом промежутке и его развитие в электрическую дугу можно разделить на три этапа — тлеющий разряд, переход в дуговой разряд и электрическая дуга. Каждому этапу развития разряда соответствует определенная зона вольт-амперной характеристики (рис. 8.1). Вольт-амперной характеристикой называется зависимость падения напряжения в межконтактном промежутке от тока.

Зона / на вольт-амперной характеристике соответствует тлеющему разряду, который характеризуется высоким падением напряжения у катода (200—250 В) и малым значением тока (до 0,1 А). Катодом является электрод (один из размыкаемых контактов), из которого исходят электроны. Зона //соответствует переходу из тлеющего разряда в дуговой. Зона ///относится к дуговому разряду, характеризуется малым падением напряжения у электродов (10—20 В) и большой плот-

Рис. 8.1. Вольт-амперная характеристика электрического разряда в газах:

[ — зона тлеющего разряда; II — переход от тлеющего разряда в дуговой; III — дуговой

ностью тока. В связи с ростом тока падение на дуге сначала падает, а затем остается неизменным.

При самостоятельном дуговом разряде наблюдается неравномерное распределение напряжения в межэлектродном пространстве (рис. 8.2).

В электрической дуге можно выделить три области по характеру протекающих процессов: область катодного падения напряжения, область падения напряжения в стволе дуги и область анодного падения напряжения.

Область катодного падения напряжения прилегает к катоду (отрицательному электроду). Перепад напряжения в этой области составляет 0—20 В с градиентом

Рис. 8.2. Распределение напряжения в межэлектродном пространстве:

?/_д — напряжение на дуге; U_a — область анодного падения напряжения; ?/_ст — падение напряжения в стволе дуги; U_K — область катодного падения напряжения; Е_а — градиент напряжения в анодной области; ?_ст — градиент напряжения в стволе дуги; Е_к — градиент напряжения в катодной области; /_д — длина дуги напряжения около 2 • 10 5 В/см. Под градиентом напряжения понимают величину напряжения на единицу длины дуги.

Падение напряжения в стволе дуги U_CT зависит от длины дуги и градиента напряжения Е_СТ.

Градиент напряжения в стволе дуги практически постоянен и составляет 10—200 В/см [1.20]. Его величина зависит от теплопроводности и скорости движения газа и перемещения дуги в газе.

Область анодного падения напряжения находится вблизи анода (отрицательного электрода). Здесь преобладают отрицательные заряды. Анодное падение напряжения составляет несколько вольт.

Напряжение на дуге

В нормальных условиях воздух является хорошим изолятором. Чтобы воздух стал проводником, необходимо создать в нем концентрацию заряженных частиц — отрицательных электронов и положительных ионов. Процесс образования свободных электронов и заряженных ионов называется ионизацией.

Ионизация может происходить под влиянием температуры, электрического поля, воздействия света, рентгеновских лучей. В дуговых процессах проявляются следующие виды ионизации: термоэлектронная и автоэлектронная эмиссия, ударная и термическая ионизация.

Термоэлектронной эмиссией называется явление испускания электронов с накаленной поверхности. При размыкании контактов возрастает переходное сопротивление контактов и плотность тока на площадке контактирования. Площадка нагревается до расплавления, образуется жидкометаллический контактный перешеек, который при дальнейшем расхождении контактов разрывается. Происходит испарение металла контактов, при этом на катоде образуется раскаленная площадка, служащая основанием дуги.

Явление испускания электронов из катода под воздействием сильного электрического поля называется автоэлектронной эмиссией. Силы, возникающие под действием электрического поля, помогают электронам преодолеть силы притяжения, и электроны вырываются с поверхности катода. Ток автоэлектронной эмиссии мал и может служить только началом развития дугового разряда.

Свободные электроны в межэлектродном промежутке получают направление движения от катода к аноду. При движении они могут столкнуться с нейтральными частицами газа и выбивать из них электроны. В результате после каждого столкновения образуются свободный электрон и положительный ион. Вновь образованный электрон может снова ионизировать следующую нейтральную частицу. Количество заряженных частиц может создаваться лавинообразно. Такой вид ионизации называется ударной ионизацией или ионизацией толчком. Интенсивность ионизации зависит от градиента напряжения и от давления газов в межэлектродном промежутке. Ударная ионизация является первой причиной образования электрической дуги. С развитием дуги интенсивность ударной ионизации уменьшается.

Процесс ионизации под воздействием высокой температуры называется термической ионизацией. Электрическая дуга после ее возникновения в основном поддерживается за счет термической ионизации. С повышением температуры газа скорость движения его частиц увеличивается. Температура дуги может достигать 4000—15 000 К. Появляется большая вероятность образования нейтральных и заряженных частиц.

Одновременно с процессом ионизации в дуге происходят обратные процессы — деионизация. Они сопровождаются образованием нейтральных частиц. Если в горящей дуге будут преобладать процессы деионизации, то дуга будет гаснуть. Деионизация горящей дуги происходит двумя путями — путем нейтрализации заряженных частиц (рекомбинация) и путем перемещения заряженных частиц из области горения дуги в окружающее пространство (диффузия).

Ствол дуги наряду с заряженными частицами газа содержит частицы расплавленного высокой температурой металла электродов (контактов). Ионизированный газ в межэлектродном промежутке, содержащий положительные и отрицательные заряды в равной концентрации и расплавленные частицы металла, называют плазмой. Выглядит электрическая дуга в виде ярко светящегося шнура.

Основной характеристикой электрической дуги является вольт-амперная характеристика (см. рис. 8.1). Напряжение, при котором начинается дуговой разряд, называется напряжением зажигания дуги U₃.

На рис. 8.3 приведена кривая 1, соответствующая зоне III на рис. 8.1. При увеличении тока напряжение на дуге падает, так как сопротивление дугового промежутка снижается быстрее, чем увеличивается ток. В развитии дуги может наступить момент равновесия, когда процессы ионизации и деионизации будут равноценны. Электрическое сопротивление дугового промежутка и падение напряжение на нем станут величинами постоянными, не зависящими от времени. Такой режим называется статическим, а характеристика соответствующая ему называется статической характеристикой дуги.

Рис. 8.3. Характеристики электрической дуги:

/ — статическая; 2 — динамическая характеристика; 3 — динамическая характеристика при мгновенном снижении тока до нуля

Если ток в дуге снижать от какой-то величины /₀ до нуля и при этом снимать вольт-амперную характеристику, то такая характеристика будет лежать ниже статической характеристики. При этом дуга будет гаснуть. Вольт-амперные характеристики, полученные при быстром изменении тока до нуля, называются динамическими характеристиками дуги. При различных скоростях изменения тока можно получить семейство динамических характеристик 2. Чем выше скорость изменения тока, тем ниже располагается характеристика. При мгновенном изменении тока до нуля получаем динамическую характеристику в виде прямой 3. Напряжение, соответствующее динамическим характеристикам, при котором дуга гаснет и прекращает свое существование, называется напряжением гашения дуги U_r Напряжение гашения находится ниже напряжения зажигания U_y

5.Ионизационные процессы в газах.

Объемная фотоионизация может происходить также в процессе Эл. Разряда под действием самого разряда. Некоторые атомы газа в процессе разряда возбуждения до высоких энергий. Процесс возбуждения атома состоит в переходе одного из наружных валентных электронов атома на более высокий энергетический уровень. При обратном переходе возбужденного атома в нормальное состояние атом излучает квант света (фотон). Энергия, которая равна разности энергии электрона на верхнем возбужденном состоянии и нижнем нормальном состоянии энергии hv=W2-W1; hv-энергия фотона. Под воздействием энергии фотонов, могут возбуждаться и ионизироваться нейтральная частица газа на которую попадают фотоны. Одновременно с процессом ионизации идет процесс рекомбинации т. е. нейтрализации заряженных частиц. При достижении опр. степени ионизации оба процесса взаимно уравновешиваются, при этом в воздухе устанавливается постоянная концентрация ионов и считается у поверхности земли в 1 куб. метре воздуха содержится от 500-1000 пар ионов. Ионизация- это процесс появления в газовой среде частиц ионов несущих положительный или отрицательный эл. заряд.

6 Объемная ионизация при соударениях заключается в выбивании из атома или молекулы газа одного из электронов. В результате столкновения атома или молекулы с заряженной частицей ( электрон, ион) ускоренной эл. полем. Ионизация при соударении произойдет в том случае, если кинетическая энергия заряженной частицы превышает энергию ионизации. Ионизация при столкновениях характеризуется числом ионизирующих столкновений — равно числу ионизаций, совершаемых соответственно одним электроном. На пути в сантиметр в направлении электрического поля. При нормальных атмосферных условиях(760 мм. рт. ст) и t=20 С при напряженности эл. Поля 30кВ/см, при которой происходит пробой воздуха, коэффициент ионизации =11-12. При повышении напряженности свыше 30 кВ/см--возрастает. При напряженности поля 30кВ/см оптимальное для ударной ионизации давление =82мм. рт. ст. при этом давление =442.

7 Процессы деионизации.Существование электрических разрядов в большей степени опр-ся процессами, обратными ионизационным процессам, т.е. процессам деионизации. Эти процессы ведут к увеличению эл. Прочностей разрядных промежутков. Важнейшими процессами явл. рекомбинация и диффузия. Рекомбинация заключается во взаимной нейтрализации частиц при их столкновениях. При комбинации положительных и отрицательных ионов избыточный электрон отрицательного иона присоединяется к положительному иону, в результате чего образуется 2 нейтральные молекулы. При рекомбинации положит. и отрицат-го иона образуется одна нейтральная молекула.

Для рекомбинации нужно чтобы скорость относительного движения противоположно заряженных частиц не была бы слишком высока, т.к. при больших скоростях частица свободно протекает мимо друг друга. Рекомбинация может произойти только в том случае, если потенциальная энергия притяжения заряженных частиц больше кинетической.

8 Термическая ионизация. Под ней понимают процессы ионизации в газе, нагретыми до высокой температуры(выше 4000 К.),т.е. когда кинетическая энергия атомов и молекул очень велика. При этом содержании между молекулами газа могут привести к их ионизации. Тепловые излучения нагретого газа также могут вызвать ионизацию. Термическая ионизация играет существенную роль особенно в дуговом разряде.

6.РАЗРЯДНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ В РАВНОМЕРНОМ ПОЛЕ. ЗАКОН ПАШЕНА.

Разрядное напряжение явл. функцией давления на расстоянии u=f(p,s)-закон Пашена. Эта зависимость была установлена Пашеном. Эта зависимость для воздуха имеет следующий вид:

Как видно из графика оптимальное условие ионизации будет при0,5см на мм.рт.ст. и напряжение пробивное 327 В. Эта зависимость позволяет установить пути увеличения разрядного напряжения. Увеличение расстояния между электродами илипонижение давления используются при конструировании высоковольтных установок. Там где возможно создают или повышенное давление или вакуум. Повышенное давление используется в настоящее время в воздушных выключателях, в газонаполнительных кабелях, конденсаторах. Вакуум используется для повышения электрической прочности в ускорителях заряженных частиц в высоковольтных выпрямительных лампах в вакуумных выключателях конденсаторах и др.

7.РАЗРЯДЫ В НЕРАВНОМЕРНЫХ ПОЛЯХ. В большинстве случаях электрические поля в электрических установках неравномерные т.е. равномерные создаются искусственно а неравномерные получаются естественным путем. Неравномерное поле- напряженности в различных точках межэлектродного пространства весьма различны. Развитие разряда в неравномерном поле характеризуется рядом особенностей прежде всего резко неравномерном поле ударная ионизация возникает не во всем объеме газа между электродами а в местах наибольшей напряженности поля обычно у одного или обоих электродов. При этом возникает коронный разряд пробой наступает при напряженностях более высоких, чем напряженности начала короны. Когда ионизация распространяется на достаточно большую внешность межэлектродного пространства. Таким образом, разряд в неравномерном поле характеризуется двумя значениями напряжений (начальным коронным) и пробивным. Одной из особенностей разрядов неравномерных полях явл. то что при увеличении давления эл-ая прочность промежутков увеличивается значительно медленнее чем в равномерных полях.

8. КОРОННЫЙ РАЗРЯД. Коронным называется один из видов самостоятельных разрядов в газах возникающий в сильно неравномерных полях. Если у поверхности одного или обоих электродов имеющих большую кривизну напряженность эл-го поля достигает значение электрической прочности воздуха 30кВ/см. в тонком слое газа возле электродов возникает ионизация, сопровождающаяся свечением газа. По этому внешнему признаку разряд получил название коронного. Коронный разряд сопровождается рядом сопутствующих явлений: 1) Потери электроэнергии. 2) Возникновение высокочастотных колебаний. 3)появление озона О3 и О8 4)Выделение окисей азота. На линиях электропередач потери на корону могут достигать сотен кВт на 1 км линии. Снижение потерь на корону. Увеличивают диаметр провода в линиях до 110кВ. при 220-750 кВ уменьшение потерь на корону достигают путем расщепления фаз 220-2 провода, 330-3 провода,500-4 провода, 750-5 проводов. С расстояниями между проводами 40 см.

9. Грозовая деятельность.

Выбор и расчет грозозащитных устройств, и уровни изоляции электра оборудования зависит от величины возможных перенапряжений и частоты их возникновения. Который определяется параметрами грозовых разрядов величины тока молнии длительностью и крутизной тока волны полярность грозовых разрядов и интенсивности грозовой деятельности. На Кавказе в ряде районов число грозовых дней достигает40-50дней в год. В средней полосе европейской части 20-25дней. В северных районах 5дней. Одно из причин возникновение гроз является быстрое перемещение нагретых масс влажностью воздуха в верхних слоях атмосферы. Грозовое облако представляет собой объемные электрические заряды где капельки воды и кристаллики льда насыщающие облако несут на себе эти заряды. Ледяные капельки льда могут быть наэлектризованы трением об воздух или путем облучения ультрафиолетовыми лучами. В результате пространственного разделения положительных и отрицательных зарядов структура грозового облака имеет вид: Такое облако называют биполярным. Между облаком и землей возникает Электрическое поле со средней напряженностью 1кВ на1см. В отдельных местах у облака или земли там где плотность заряда велика напряженность поля достигает 25-30кВ на1см. эта напряженность оказывается достаточной для возникновения электрического разряда в виде молнии между облаком и землей.

12/ Газовый разряд.

Газ при обычных условиях не содержит свободных зарядов: электронов и ионов. Газ становится проводником электричества, когда некоторая часть его молекул ионизуется. Ионизация – это вырывание электронов из электронной оболочки атома, в результате чего образуются свободные электроны и положительные ионы. Для того чтобы вырвать электрон из атома, надо ему сообщить энергию, называемую энергией ионизации, величина которой различна для разных атомов. Электроны могут присоединяться к нейтральным молекулам и атомам, превращая их в отрицательные ионы. Т.о. в ионизированном газе имеются свободные электроны, положительные и отрицательные ионы. Прохождение тока через газ называется газовым разрядом.

Для ионизации газ надо подвергнуть действию какого-нибудь ионизатора. Например, при нагревании газа, молекулы движутся очень быстро и при столкновении друг с другом разлетаются на ионы. Ионизация может происходить и под действием электромагнитного излучения.

Одновременно с процессом ионизации всегда присутствует процесс рекомбинации: положительные ионы с одной стороны и отрицательные ионы или электроны с другой стороны, встречаясь, воссоединяются, образуя нейтральную молекулу, или происходит взаимная нейтрализация разноименных ионов. Вероятность встречи двух разноименно заряженных частиц (положительных и отрицательные ионов или электронов) пропорциональна как числу положительных, так и числу отрицательных частиц. Поэтому количество рекомбинирующих за секунду в единице объема пар частиц пропорционально квадрату числа этих парn, имеющихся в единице объема: , (6) гдеr – коэффициент пропорциональности. В состоянии равновесия число возникающих в единице объема в единицу времени пар заряженных частиц равно числу рекомбинирующих, т.е.. (7)

Следовательно, для равновесной концентрации пар частиц получится выражение . (8)

Рассмотрим несамостоятельный газовый разряд, т.е. разряд, который поддерживается при постоянном действии внешнего ионизатора. Пусть в газе, находящемся между электродами и подвергающемся воздействию рентгеновских лучей, в единицу времени в единице объема образуется пар заряженных частиц. Если на электроды подать напряжение, то положительно и отрицательно заряженные частицы будут двигаться к электродам. Убыль ионов будет происходить как за счет рекомбинации, так и за счет ухода ионов на электроды. Пусть из единицы объема ежесекундно достигает электродовпар ионов. Тогда каждую секунду электродов достигаетпар ионов, гдеS — площадь электродов, l — расстояние между электродами. Если — заряд каждого иона, то нейтрализация на электродах одной пары ионов сопровождается переносом по цепи заряда. Следовательно, ток в цепи:. (9)

Отсюда, (10) гдеj — плотность тока.

При наличии тока условие равновесия можно записать в следующем виде: , (11)

Подставляя (6) и (10) в формулу (11), получим: . (12)

Проанализируем это выражение в случае слабых и сильных полей.

Если поле слабое, то скорость упорядоченного движения ионов будет мала, поэтому каждый ион испытает большое количество ударов, прежде чем достигнет электрода. В этом случае вероятность рекомбинации много больше вероятности ухода ионов на электроды. В слабых полях плотность тока мала, и слагаемым в формуле (12) можно пренебречь по сравнению со слагаемым. В этом случае для равновесной концентрации ионов получаем формулу (8).

Плотность тока определяется выражением:

, (13)

где — скорости положительных и отрицательных ионов. Плотность тока можно выразить через другую важную характеристику вещества – подвижность. Подвижность – это средняя скорость, приобретаемая носителями при напряженности поля, равной единице. Если в поле напряженностиЕ носители приобретают скорость v, то их подвижность . Подставив это выражение в (13), получим: , (14) где— подвижности положительных и отрицательных ионов.

В случае слабых полей концентрация определяется выражением (8). Подставим (8) в формулу (14): (15)

В данной формуле коэффициент перед Е не зависит от напряженности поля. Следовательно, в случае слабых полей несамостоятельный газовый разряд подчиняется закону Ома (область I на рисунке)

В случае сильных полей (область II на рисунке)>>. Это означает, что почти все ионы достигают электродов, не успевая рекомбинировать. При этом условии выражение (12) принимает вид. Эта плотность тока создается всеми ионами, порождаемыми при данной интенсивности ионизатора, т.е. является максимальной при данной интенсивности ионизатора. Ее называют плотностью тока насыщения.

При промежуточных значениях E происходит плавный переход от линейной зависимости j от Е к насыщению, где j перестает зависеть от Е.

За областью насыщения лежит область резкого возрастания тока. Это возрастание объясняется тем, что, начиная с некоторого значения Е, порождаемые внешним ионизатором электроны — первичные электроны — успевают за время свободного пробега приобрести энергию, для того, чтобы, столкнувшись с молекулой вызвать ее ионизацию. Возникшие при ионизации вторичные электроны, разогнавшись, в свою очередь вызывают ионизацию. Т.о. происходит лавинообразное размножение ионов, созданных ионизатором и усиление разрядного тока. В результате на каждый из электродов попадает , где— число первичных ионов, созданных ионизатором,А – коэффициент газового усиления. В области Ш этот коэффициент не зависит от числа первичных ионов, но зависит от напряжения. Если напряжение поддерживать постоянным, то ток будет пропорционален числу первичных ионов. В области IV коэффициент А зависит от числа первичных ионов, и поэтому токи, порожденные разным количеством первичных ионов, постепенно становятся одинаковыми. После прекращения действия ионизатора, ток будет продолжаться до тех пор, пока все электроны не достигнут электродов. Для того чтобы разряд стал самостоятельным, т.е. существовал без действия внешнего ионизатора, необходимо, чтобы электронные лавины воспроизводились, т.е. чтобы под действием каких- то процессов возникали новые электроны. Такими процессами могут быть:

1) ускоренные полем положительные ионы, ударяясь о катод, выбивают из него электроны,

2) положительные ионы, сталкиваясь с молекулами газа, переводят их в возбужденное состояние, переход таких молекул в нормальное состояние сопровождается испусканием фотона,

3) фотон, поглощенный нейтральной молекулой, ионизирует ее (фотонная ионизация),

4) выбивание электронов из катода под действием фотонов,

5) при достаточно больших напряжениях ионы приобретают энергию, достаточную для ионизации молекул, и отрицательной пластине устремляется поток ионной лавины.

Когда кроме электронных лавин возникает поток ионных лавин, сила тока растет без увеличения напряжения. В результате всех этих процессов разряд становится самостоятельным, т.е. продолжается без воздействия внешнего ионизатора. В области V ток совершенно не зависит от количества первичных ионов. В области VI напряжение столь высоко, что разряд, начавшись, не прекращается. Поэтому область называют областью непрерывного разряда.

В зависимости от давления газа, конфигурации электродов, параметров внешней цепи можно говорить о четырех типах самостоятельного газового разряда.

Тлеющий разряд возникает при низких давлениях. К электродам прикладывается напряжение несколько сотен вольт, постепенно откачивается воздух из трубки и при давлении 5.3 – 6.7 кПа возникает разряд в виде светящегося шнура, идущего от катода к аноду. При уменьшении давления толщина шнура утолщается. В межэлектродном пространстве можно выделить следующие области. Вблизи катода наблюдается тонкий светящийся слой — катодная пленка. Между катодом и катодной пленкой находится астоново темное пространство. По другую сторону светящейся пленки находится слабосветящийся слой, называемый катодным темным пространством. Этот слой переходит в светящуюся область, которая называется тлеющим свечением. Все эти слои образуют катодную часть тлеющего разряда. Далее наблюдается темный промежуток – фарадеево темное пространство, за которым следует светящийся газ – положительный столб.

Основные процессы, необходимые для поддержания тлеющего разряда происходят в катодной части. Положительные ионы бомбардируют катод и выбивают из него электроны. В астоновом пространстве эти электроны ускоряются полем, и, приобретя достаточную энергию, при столкновении с молекулами возбуждают их. При переходе в основное состояние молекулы испускают свет, поэтому возникает светящаяся пленка. Электроны, пролетевшие без столкновений астоново пространство и светящуюся пленку, попадают в область катодного темного пространства. Здесь электроны обладают большой энергий и могут ионизовать молекулы. При этом интенсивность свечения уменьшается, но образуется много электронов и положительных ионов. Ионы вначале имеют малую скорость и создают положительный пространственный заряд. Вторичные электроны проникают в область тлеющего свечения, где концентрация электронов и положительных ионов одинакова (плазма). Здесь идет интенсивный процесс рекомбинации, сопровождающейся свечением и выделением энергии. В фарадеево пространство электроны и ионы проникают за счет диффузии. Концентрация электронов и ионов здесь меньше, т.е. вероятность процессов рекомбинации падает. Поэтому фарадеево пространство кажется темным. Электроны разгоняются. Возникают условия для существования газоразрядной плазмы. Свечение положительного столба обусловлено переходами возбужденных атомов в основное состояние. Молекулы разных газов при этом испускают излучение разной длины волны, т.е. имеет разный цвет. Это используется в газоразрядных трубках для светящихся реклам.

В лампах дневного света излучение происходит в парах ртути, поглощается люминофором, нанесенным на стенки, который начинает светиться. Если в катоде сделать узкий канал, то часть положительных ионов проникает в пространство за катодом и образуется поток ионов, называемый каналовыми лучами.

Искровой разряд возникает при больших напряженностях электрического поля в газе, находящемся при давлении порядка атмосферного. Сопровождается образованием ярко светящегося, извилистого, разветвленного канала, по которому проходит кратковременный импульс тока большой силы. Например — молния — ток 100000 А, длительность импульса 10 -4 с, температура газа в канале порядка 10000 К. Быстрый и сильный нагрев приводит к резкому повышению давления и возникновению ударных и звуковых волн.

Возникновению искры предшествует образование в газе сильно ионизированного канала – стримера. Электрон, вылетевший из катода, на длине свободного пробега приобретает энергию, достаточную для ионизации. Возникает лавина. Атом, у которого в процессе ионизации, был вырван один из внутренних электронов, вызывает фотоионизацию молекул, причем образовавшиеся электроны порождают все новые и новые лавины. После перекрытия отдельных электронных лавин образуется хорошо проводящий канал – стример, по которому, от катода к аноду идет мощный поток электронов – наступает пробой.

Используют искровой разряд для воспламенения горючей смеси в двигателях внутреннего сгорания, для резания и сверления металла.

Дуговой разряд. Если после зажигания искрового разряда уменьшить расстояние между электродами, то разряд становится непрерывным, и называется он дуговым. При этом резко возрастает сила тока до сотен ампер, а напряжение падает до нескольких десятков вольт. Может протекать и при низком и при высоком давлении. Основными процессами, поддерживающими разряд, является термоэлектронная эмиссия – испускание электронов с сильно разогретого катода, и термическая ионизация молекул, обусловленная высокой температурой газа. Почти все межэлектродное пространство заполнено высокотемпературной плазмой. Она служит проводником, по которому электроны, испущенные катодом, достигают анода. Температура в дуге сверхвысокого давления достигает 10000 К (температура Солнца 5800 К). Катод раскаляется до 3500 К из-за бомбардировки катода положительными ионами. Используется для сварки и резки металла, получения высококачественных сталей

Коронный разряд. Если один из электродов имеет очень большую кривизну (например, электродом служит проволока), то при не слишком большом напряжении возникает коронный разряд. При увеличении напряжения разряд переходит в искровой или дуговой. При коронном разряде ионизация и возбуждение молекул происходит не во всем межэлектродном пространстве, а вблизи электрода с малым радиусом кривизны, где напряженность электрического поля максимальна. В этой части разряда газ светится и свечение имеет вид короны. В зависимости от знака коронирующего электрода говорят о положительной и отрицательной коронах.

Между коронирующим слоем и некоронирующем электродом расположена внешняя область. В случае отрицательной короны явления на катоде сходны с явлениями на катоде тлеющего разряда. Ускоренные полем положительные ионы выбивают из катода электроны, которые вызывают ионизацию и возбуждение молекул в коронирующем слое. Во внешней области поле недостаточно для того, чтобы сообщить электронам энергию, необходимую для ионизации молекул. Поэтому электроны, проникшие в эту область, дрейфуют под действием поля к аноду. Часть электронов захватывается молекулами, образовывая отрицательные ионы. Т.е. ток обусловлен только отрицательными носителями и разряд здесь несамостоятельный. В положительной короне электронные лавины зарождаются у внешней границы короны и устремляются к коронирующему электроду – аноду. Возникновение электронов, порождающих лавины, обусловлено фотоионизацией, вызванной излучением коронирующего слоя. Носителями тока во внешней области служат положительные ионы, которые дрейфуют под действием поля к катоду.

Коронный разряд возникает вблизи высоковольтных проводов. Поэтому провода делают толстыми.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ РАЗРЯДЫ В ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СРЕДАХ

Газовые разряды в зависимости от давления газа, конфигурации электродной системы, мощности источника питания подразделяются на коронный, тлеющий, искровой, дуговой и т.д. Разряды в газах зажигаются благодаря ионизационным взаимодействиям электронов и фотонов с атомами и молекулами газа, приводящим к генерации и умножению электронов и ионов и образованию плазмы.

Виды электрических полей

Многообразие видов электрических полей подразделяется на однородные, слабонеоднородные, резконеоднородные. Типичным примером однородного поля является поле между двумя плоско-параллельными электродами с закругленными краями, слабонеоднородное поле образуется в сферической системе электродов при расстоянии между электродами S меньше диаметра шара D (S/D 3.

Кроме того, различают симметричную и несимметричную форму включения электродов. Симметричная форма: электроды имеют одинаковую форму, размеры и отсутствует заземление любого из них (рис. 1.1, а). Несимметричная форма: электроды имеют отличающуюся конфигурацию, размеры или один из них заземлен (рис. 1.1,ф).

Рис. 1.1. Формы электродов, создающих различные электрические поля: а — симметричная; б — несимметричная

Виды ионизации

В отсутствие внешнего электрического поля атомы и молекулы газа находятся в состоянии хаотического (теплового) движения, постоянно сталкиваясь между собой. Если на единице длины пути Z частиц газа испытало столкновение, то средняя длина свободного пробега X равна

Значение параметра X зависит от концентрации частиц газа и, следовательно, от давления и температуры газа. С увеличением давления газа и уменьшением температуры газа X уменьшается. При температуре выше абсолютного нуля частицы газа перемещаются беспорядочно. Если в газе есть заряженные частицы, то при наличии внешнего электрического поля в газе возникает направленное движение заряженных частиц, т.е. электрический ток.

При относительно невысоких электрических полях и рассмотрении процессов возникновения и исчезновения свободных заряженных частиц в газе можно считать, что электроны являются частицами, и не учитывать их волновые свойства. Потенциальная энергия атома минимальна, когда электроны атомов находятся на ближайших к ядру б

орбитах, такое состояние атома является устойчивым. Переход одного или нескольких электронов с ближайших к ядру орбит на более удаленные от ядра называется возбуждением атома. Энергию, необходимую для возбуждения, атом (молекула) может получить при столкновении с другой частицей, например с электроном, или при поглощении коротковолнового излучения (фотовозбуждение).

Время пребывания атома в возбужденном состоянии составляет величину порядка ~1(Г 10 с. Возвращение атома в устойчивое состояние происходит самопроизвольно и часто сопровождается излучением фотона.

Атом или молекула могут потерять электрон, когда последний удаляется от ядра настолько, что взаимодействие его с ядром практически исчезает. Такой электрон называется свободным. Процесс потери атомом или молекулой хотя бы одного электрона называется ионизацией. В результате ионизации образуются две независимые частицы: электрон и положительный ион. Энергия, необходимая для осуществления акта ионизации, называется энергией ионизации. Энергия возбуждения и ионизации выражается в электронвольтах (эВ). Минимальные энергии возбуждения и ионизации некоторых газов приведены в табл. 1.1.

Таблица 7.7

Значения минимальной энергии возбуждения и ионизации

некоторых газов

Минимальная энергия, эВ

Может происходить процесс, обратный ионизации, — объединение иона и электрона в атом или молекулу. Этот процесс называется рекомбинацией. Вследствие действия двух противоположных факторов — ионизации и рекомбинации устанавливается равновесное состояние, при котором в единицу времени возникает и рекомбинирует одинаковое количество заряженных частиц. Это равновесное состояние характеризуется определенной степенью ионизации газа ц/, которая определяется отношением концентрации ионизированных частиц п к общей концентрации частиц N:

Газ, в котором значительная часть атомов и молекул ионизирована и проводит электрический ток, называется плазмой. Концентрация положительных и отрицательных зарядов в плазме примерно одинакова.

При столкновении электрона с нейтральным атомом или молекулой возможен захват ими электрона и образование отрицательного иона. Газы, в которых возможно образование отрицательных ионов, называются электроотрицательными (кислород, хлор, пары воды и др.), а газы, в которых отрицательные ионы не образуются, — электроположительными (азот, гелий).

Если к промежутку между электродами в газе приложено напряжение, то заряженные частицы, кроме тепловой скорости, приобретают под действием электрического поля направленную скорость. Если электрическое поле велико, то приобретенная кинетическая энергия частиц может стать достаточной для ударной ионизации атомов. Энергия электронов и ионов W_E определяется как

а условие ионизации может быть записано в виде

где е — элементарный заряд; Е — напряженность электрического поля; т — эффективная масса заряженной частицы; V — скорость движения заряженных частиц; — энергия ионизации нейтрального атома или молекулы.

Так как скорость электронов значительно больше скорости ионов, то ударная ионизация ионами, несмотря на их большую массу, малоэффективна и определяющей является ионизация электронным ударом.

Различают объемную ионизацию и эмиссию заряженных частиц с поверхности электродов (поверхностную ионизацию). Объемная ионизация — совокупность различных ионизационных процессов в межэлектродном пространстве. Эмиссия — испускание заряженных частиц поверхностью электродов.

Объемная ионизация в свою очередь подразделяется на следующие виды:

• ударная ионизация электронами;

• • ступенчатая ионизация электронами;
• • фотоионизация;
• • термоионизация.

Ударная ионизация — образование иона при соударении электрона с нейтральным атомом или молекулой (рис. 1.2, а). Условие ударной ионизации электроном: кинетическая энергия электрона больше или

равна энергии ионизации атома или молекулы > Ж_и).

Рис. 1.2. Схемы объемной ионизации: а — ударная; б — ступенчатая; в — фотонная

Ступенчатая ионизация происходит, когда энергия первого воздействующего на нейтральный атом или молекулу электрона приводит частицу только в возбужденное состояние, т.е. недостаточна для ионизации. Воздействие следующего электрона (одного или нескольких) на возбужденный атом или молекулу приводит к ионизации (см. рис. 1.2, б). Время между воздействием первого и последующего электронов должно быть не более времени нахождения нейтрального атома или молекулы в возбужденном состоянии. Условие ступенчатой ионизации: сумма энергий воздействующих на атом или молекулу частиц, например электронов, больше или равна энергии ионизации данного атома или молекулы

Для осуществления фотоионизации в объеме газа энергия фотонов, образованных в результате воздействия, например, космического или тормозного излучения, должна быть больше энергии ионизации при поглощении фотона нейтральным атомом или молекулой (см. рис. 1.2, в). Фотоионизация возможна в ступенчатой форме. Условие фотоионизации: энергия кванта больше или равна энергии ионизации данного атома или молекулы (hv > W_H, где /г — постоянная Планка, v — частота воздействующего излучения).

При высоких температурах газа возможна ионизация атомов или молекул при столкновениях между собой. Такая ионизация называется термоионизацией, она обусловлена тепловым состоянием газа и может происходить в результате высвобождения электронов при соударениях между атомами и молекулами. Термоионизация происходит при высоких температурах газа. В газах при тепловом движении возможна диссоциация молекул. Диссоциация (от лат. dissociate — разделение, разъединение) — процесс, заключающийся в распаде молекул на несколько более простых частиц — молекул, атомов, радикалов или ионов. Обычно различают три вида диссоциации: термическая диссоциация, происходящая при повышении температуры, электролитическая диссоциация, происходящая при растворении электролитов (расщепление молекул электролитов на ионы), и фотохимическая диссоциация, наблюдающаяся при действии света. Количественной характеристикой диссоциации служит степень диссоциации — отношение числа распавшихся молекул к общему числу молекул. Обычно в газах диссоциация происходит при меньшей энергии, чем ионизация.

В табл. 1.2 в качестве примера приведены значения энергии диссоциации и ионизации для некоторых газов.

Значения энергии диссоциации и ионизации некоторых газов

Энергия диссоциации, эВ