Лавинный механизм в сильном электрическом поле

Лавинный механизм в сильном электрическом поле.

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 μ_эл≈400см²/(В∙с), для ионов μ_ион≈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 (m_эл=9.1∙10^{-31 кг} - масса электрона; m_прот=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 N_e электронов. Если она пройдет расстояние dx, количество электронов увеличится на dN_e:

                                                              

Получаем уравнение на функцию N_e(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:

 

 

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