Несамостоятельная проводимость воздуха. Экспериментальная установка. Решение уравнения для стационарных токов в двух предельных случаях. Развитие разряда в резко-неоднородных полях

Несамостоятельная проводимость воздуха

Электрическая проводимость воздуха была обнаружена еще Кулоном (в 1785 году). Наблюдая потери электричества с изолированных проводников, он пришел к заключению, что часть электричества теряется не через изоляторы, а прямо в воздух. Способность любых материалов проводить электрический ток определяется наличием свободных зарядов в нем и возможностью их движения. Воздух, в основном, состоит из молекул - азота N₂ – с энергией ионизации 15,5 эВ, кислорода - O₂ – 12,5 эВ, воды - H₂O – 12,6  эВ, углекислого газа - CO₂ – 14,4  эВ. Средняя энергия ионизации воздуха составляет ??12,5 эВ.

Энергия диссоциации молекул газов, входящих в состав воздуха, лежит в пределах 10÷-20 э.вВ. При комнатной температуре энергия теплового движения молекул значительно меньше и равна 0,025 э.вВ. Поэтому проводимость воздуха в естественных условиях определяется космическим излучением[1] и естественным радиационным фоном, под действием которых в воздухе происходит образование свободных электронов, атомных и молекулярных ионов.

Космическое излучение – это поток частиц, приходящих на Землю из межзвездного пространства. Первичные космические лучи состоят главным образом из протонов (~90%), α-частиц и более тяжёлых ядер. В среднем космическое излучение обладает энергией 10⁹-10¹⁰ эВ, но встречаются частицы с энергиями до 10¹⁹ эВ. Частицы с энергиями до 10⁹ эВ отклоняются магнитным полем земли. Взаимодействия с частицами в атмосфере Земли (первичное космическое излучение) образует различные мезоны, распад которых приводит к появлению электронов, позитронов и фотонов больших энергий. Ионизация воздуха производится в основном вторичными космическими лучами, поскольку они лучше взаимодействуют с веществом. Подробно о процессах ионизации воздуха космическим излучением можно узнать в [1].

Обычно в воздухе образуется порядка 21000 шт. электронов и ионов в 1  см³ за 1  сек. Часть электронов и ионов быстро рекомбинирует, часть прилипает к нейтральным молекулам, образуя долгоживущие отрицательные ионы. В равновесии в объеме газа обычно находится до 10⁶⁹ ионов/м³. Подвижность электронов при нормальном давлении составляет 4÷5·10² см²/В·см?.?.  Отсюда проводимость воздуха за счет естественной ионизации составляет ~10^-14  Cм/м. Нужно отметить, что при нормальных условиях подвижность электронов в воздухе на три порядка превосходит подвижность ионов, как следствие электроны практически полностью определяют токопроводящие свойства. Поэтому в дальнейшемее  будем, в основном, говорить об электронной проводимости.

Но зЗакон Ома для воздуха применим для воздуха только при малых электрических полях. По мере увеличения напряжённости поля наступает насыщение по току, ток стремится к некоторому постоянному значению, которое соответствует тому, что– все образующиеся свободные электроны приходят на электроды. Подробно этот процесс описан в [2]. На рис.3.1 представленаиведена типовая вольтамперная характеристика газа. Линейный участок соответствует малым напряжённостям поля, при которых выполняется закон Ома., гГоризонтальный участок соответствует току насыщения,. эЭкспоненциальный рост тока на третьем участке соответствует возникновению лавинного механизма диссоциации молекул воздуха под действием электрического поля (подробнее описано ниже).

Рисунок 3.1. Типовая вольтамперная характеристика газа.

Любая равновесная газовая среда, включая воздух, описывается рядом параметров, используемых при расчетах характеристик электрического разряда в газе. Такими параметрами являются: концентрация молекул или атомов газа n , равная числу частиц в единице объема, давление газа р , температура газа Т . Эти величины связаны уравнением состояния:

где k –- постоянная Больцмана, k  =  1,380·10 ^-23  Дж/град. При давлении р ₀  =  1  атматм.  =  760 мм рт.стHg. и температуре Т ₀  =  0°С  =  273  К плотность любого газа имеет вполне определенное значение, называемое числом Лошмидта, n ₀  =  2,687·10 ¹⁹ 1/см ³ . Тогда при любом другом давлении и температуре:

Под воздействием электрического поля в газе начинаются электрофизические процессы, которые могут привести к развитию электрического разряда. В общем случае электрический разряд – это процесс образования под действием приложенного поля такого состояния в ограниченной области газа, при котором в этой области в результате многих процессов, включая ионизацию молекул, резко возрастает количество заряженных частиц (электронов и ионов) и возникает область повышенной проводимости. Развивается процесс называемый газовым усилением. Характер процессов, ведущих к разряду, их интенсивность, форма разряда зависят не только от напряжения U, приложенного к газовому промежутку, но, в первую очередь, от конфигурации электрического поля и распределения в нем напряженности поля.