В сильных электрических полях появляются новые процессы, ограничивающие применение газообразных диэлектриков в качестве электрической изоляции между электропроводящими элементами. При повышении напряженности электрического поля в любом диэлектрике, после достижения определенного уровня возникает новое физическое явление - электрический пробой промежутка. Термин газовый пробой имеет несколько значений. Наиболее употребимое – искровой пробой. Наряду с этим употребляются другие термины - лавинный разряд, стриммерный и лидерный разряд.
Искровой электрический пробой - образование под действием высокого напряжения электропроводного плазменного канала в диэлектрике между электродами изоляционного промежутка. При этом диэлектрик перестает быть диэлектриком и напряжение между электродами существенно уменьшается за счет разряда заряженной емкости диэлектрика через образовавшийся канал. После отключения изоляционного промежутка с жидким или газообразным диэлектриком от источника напряжения канал разряда в жидкости и в газе исчезает и после прохождения некоторого времени напряжение можно снова подавать на устройство. Электрическая изоляция этих материалов восстанавливается.
В твердых диэлектриках канал разряда разрушает сам материал и не происходит самовосстановления. Напряжение на устройстве практически невозможно подать после единичного пробоя. Напряжение, при котором происходит электрический пробой промежутка, называется электрической прочностью промежутка.
Механизмом, определяющим протекание всех разрядных явлений в газовой изоляции, является ударная ионизация. Ударная ионизация – процесс ионизации нейтральных молекул или атомов, путем соударения заряженной частицы с нейтральным атомом или молекулой, вследствие которого появляется один (чаще всего) или несколько новых электронов и ион.
Рисунок 11.
Ударная ионизация электроном нейтрального атома.
Если к промежутку между электродами в газе приложено напряжение, то заряженные частицы кроме тепловой скорости хаотического движения приобретают под действием электрического поля направленную скорость
где:
V- скорость, см / с;
μ - коэффициент пропорциональности, получивший название "подвижность". Так, например, подвижность электронов равна μэл≈400см2/(В∙с), для ионов μион≈2см2/(В∙с).
Е - напряженность внешнего электрического поля, В / см.
При этом кинетическая энергия частиц может стать существенно
больше тепловой и достаточной для осуществленияы
ударной ионизации нейтральных частиц.
Условие ионизации может быть записано в виде:
- масса заряженной частицы,
кг (mэл=9.1∙10-31 кг - масса электрона; mпрот=1.7∙10-28 кг —масса протона):
- энергия ионизации нейтрального атома или
молекулы, эВ.
Как видно из-за существенной разницы в подвижностях, основную роль в ударной ионизации играют электроны.
Ионизационные процессы развиваются по типу лавины. Первичный электрон, двигаясь в поле до столкновения с молекулой, проходит (в среднем) расстояние, называемое длиной свободного пробега. Длина свободного пробега (ионизационная) l - среднее расстояние, проходимое электроном или ионом до ионизирующего столкновения с молекулой. В разряженных газах и в достаточо высоких электрических полях электрон способен приобрести энергию достаточную для ионизации не совершая упругих столкновений, на расстояниях меньших тепловой длины свободного пробега. В этом случае структура лавины наиболее простая.
Пусть электрон при прохождении единицы длины совершает α ионизирующих столкновений. Величина α называется коэффициентом ионизации, размерность α – 1/м. Коэффициент ионизации зависит от напряженности поля – чем выше напряженность, тем выше α.
Лавина движется вдоль силовой линии поля, введем на
этой линии координату x. Пусть в
данный момент в лавине Ne электронов. Если она
пройдет расстояние dx, количество
электронов увеличится на dNe:
Получаем уравнение на функцию Ne(x), которое легко решается:
Таким образом, число электронов в лавине экспоненциально возрастает (рисунок
22а). Коэффициент ударной ионизации равен числу актов
ионизации, осуществляемых одним электроном на пути в 1 см вдоль поля. Энергия ионизации - W и , для большинства газов составляет
12÷20 эВ:
|
Газ |
O 2 |
H 2 O |
CO 2 |
N 2 |
|
Энергия ионизации, эВ |
12,5 |
12,6 |
14,4 |
15,5 |
Коэффициент ударной ионизации, обозначаемый обычно a и называемый еще первым коэффициентом ударной ионизации Таунсенда, определяется по увеличению тока в промежутке между электродами в результате ионизации молекул газа при столкновениях с электронами. Процесс ионизации ведет к образованию новых свободных электронов. Эти свободные электроны, в свою очередь, приобретают энергию поля, достаточную для ионизации, то есть для образования новых электронов
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.
