§5. Критерий Таунсенда

Вольт-амперная характеристика несамостоятельного разряда показывает, что ток резко возрастает при напряжении пробоя U_п. Если позволяет электрическая цепь, ток может увеличиться в 10⁶ раз. Согласно полученной теоретической формуле (стр.2) ток теоретически может быть бесконечно велик, если выполняется условие γ(e^αα – 1) = 1, т.е. в момент пробоя.

Значение γ зависит от природы газа и от материала электрода. Оно изменяется в широких пределах, но как правило, γ 1 и часто γ = 10^-2. С учетом этого условие пробоя можно записать в виде γe^αα = 1+ γ или пренебрегая γ по сравнению с единицей γe^αα = 1. В такой форме это известно как критерий Таунсенда.

Заметим, что величина γe^αα есть число вторичных электронов, образующихся под действием e^αα положительных ионов, т.е. в газе образуется связь – электроны образуют ионов ударом, а ионы падая на поверхность электрода выбивают вторичные электроны. Далее процесс можно обрисовать следующим образом. В достаточно сильном электрическом поле электрон после первого пробега выбивает из нейтральной молекулы еще один электрон. Эти два электрона, столкнувшись с нейтральными частицами, выбивают еще два электрона и т.д.

Таким образом, общее число электронов и ионов быстро возрастает по мере перемещения электронов в поле. Описанный процесс получил название электронной лавины.

Пока условие пробоя не выполнено, лавины, приводящие к пробою, не образуется ни при какой разности потенциалов. Но если условия пробоя удовлетворено, то в среднем один первичный электрон рождает минимум один вторичный, и в конце концов развивается лавина, приводящая к пробою.

Время пробоя.

Время формирования пробоя существенно зависит от времени прохождения положительного иона от анода к катоду. Первичный электрон и сопровождающая его лавина электронов благодаря высокой подвижности очень быстро проходят к аноду, но необходимые для лавины вторичные электроны рождаются только после того, когда достаточное количество положительных ионов достигают катода. Время формирования пробоя:

t = средняя скорость.

E = , − разность потенциалов, t_п = . Как при к видно, t_п зависит от приложенного напряжения. Качественная зависимость следующая: при U U_п время t_п бесконечно возрастает; в области U_п U 2U_п Время t_п составляет по порядку величины 100мкс.

§6 Исковый разряд.

Таунсендовский разряд завершается пробоем, т.е. достаточно большом напряжении ток вдруг, скачком возрастает. Скачок тока показывает, что число зарядов в межэлектродном объеме резко возросло. Причиной этого является: 1) действие электрического поля оно сообщает электронам столь большие скорости, что при столкновениях с нейтральными молекулами реализуется лавинная ионизация. Теперь общее число зарядов (ионов+ электронов) определяется не ионизирующим фактором, а действием электрического поля (между электродами), т.е. поле способно поддерживать необходимую скорость ионизации. В этот момент проводимость газа из несамостоятельной становится самостоятельной, т.е. за счет внутренних процессов поддерживается проводимость газа. Мерой интенсивности этих процессов являются коэффициенты α и γ ,т.е. в зависимости значений этих коэффициентов после возникновения самостоятельной проводимости газов реализуются различные типы электрических разрядов. Например, развитием таунседовского разряда является пробой при низких давлениях, при высоких давлениях, около 1 а.т.м., реализуется разряд, которой носит название искрового разряда, или искрового пробоя газа.

Например, на два электрода, помещенных в атмосферном воздухе, подано напряжение. Пока напряженность поля невелика, в газе нельзя заметить никаких изменений.

При напряженности поля около 30 000 В/см между электродами мгновенно возникает электрическая искра, имеющая вид ярко светящегося извилистого канала нагревается до 100 000 К, давление повышается до сотен атмосфер, поэтому искра сопровождается световым и звуковым эффектами.

Напряженность электрического поля около (близ) электродов зависит от кривизны их поверхности, поэтому разряд между остриями начинается при меньших напряжениях, чем между шарами или плоскими электродами.

В твердых диэлектриках искра образует отверстие, т.е. вещество разрушается. Максимальная пробивная напряженность поля наблюдается у слюды 10⁷ В/см, пробой стекла ~ (2 ÷ 3) 10⁶ В/см.

Разряд по поверхности диэлектрика реализуется при более низких напряжениях, обусловлен загрязнениями и увлажнениями поверхности.

Примеры применения: статический вольтметр.

Электроэрозионная размерная обработка.

Красивое и небезопасное явление природы молния представляют собой искровой разряд в атмосфере. Установлено, что в атмосфере всего земного шара происходит в среднем около 100 молний за каждую секунду, около половины всех аварий в линиях электропередачи вызываются молниями.

Искровой разряд в молнии характеризуется следующими параметрами :

1.Напряжение между облаком и землей ~10⁸ В

2.Сила тока в молнии ~10⁵ А

3.Продолжительность молнии ~ 10⁶В (Элементарн.учебник физики стр.240)

4.Диаметр канала 10-20 см.

Объяснение развития электрической искры дается стримерной теорией, разработанной Д. Миком и Т. Лебом (1949). Согласно этой теории, для образования искрового разряда большое значение имеет фотоионизация, которая ведет к образованию локальных областей повышенной проводимости газа стримеров.

На рисунке представлена схема развития стримера от катода. После первой электронной лавины, возникшей у катода, впереди ее головки происходит образование новых лавин вследствие ионизирующего излучения.

Этот процесс образования стримеров происходит со скоростью распространения фотонов (10⁸ м/с). В последующей стадии развития стримера отдельные лавины нагоняют друг друга, сливаются и образуют хорошо проводящий канал газа, вдоль которого образуется искровой разряд.