1.8. Розряд в різко неоднорідних полях
У неоднорідному полі на відміну від однорідного напруженість поля в різних точках проміжку різна за величиною або по напряму. До типових проміжків з неоднорідним полем відносяться стержень - стержень, стержень - площина, дріт - земля і багато інших реальних ізоляційних проміжків.
На рис. 1.9 приведені залежності напряженностей від відстані між електродами типу стержень - площина.
Основні закономірності
розвитку розряду в будь-яких
резконеоднородных полях ( KH
> 4 ) практично однакові. При деякій
початковій напрузі Uн в проміжку виникає
самостійний розряд в лавинній формі,
оскільки поблизу стержня є область з
напруженістю, що перевищує значення
відповідне виникненню самостійної
форми розряду (рис.
1.9). Розряд локалізується в цій області,
а вторинна лавина підтримується або за
рахунок фотоіонізації з об' єму газу
(при позитивній полярності стержня),
або за рахунок фотоемісії або
автоелектронної (холодною) емісії з
катода (при негативній полярності
стержня). Такий розряд називається
коронним розрядом в лавинній формі.
Значення напруги і напруженості поля
на електроді при виникненні коронного
розряду залежить від міри неоднорідності
поля. Із збільшенням міри неоднорідності
напруженість на електроді - стержні
збільшується, а напруга виникнення
корони зменшується.
Рис. 1.9. Залежність напруженості електричного поля від відстані між електродами типу стержень-плоскость1 - EСР = f (S) ; 2 - ЕМАКС = f (S) напруженість виникнення самостійної форми розряду
При збільшенні напруги зверху Uн, коли кількість електронів в лавині зростає до 107 - 109, вона переходить в плазмовий стан і в проміжку виникає стример у електроду з підвищеною напруженістю поля. Якщо в однорідному полі виниклий стример перетинає увесь міжелектродний проміжок, то в резконеодном полі залежно від величини напруги стример, пройшовши деяку відстань, може зупинитися. При цьому плазма його розпадається, але поблизу вістря виникають нові стримери, які також зупиняються і їх плазма розпадається.
Такий стан розряду стійкий, оскільки при цьому виконується умова самостійності розряду. Цей випадок, коли стримери не досягають протилежного електроду, дістав назву коронного розряду в стримерній формі.
Для пробою усього міжелектродного проміжку необхідно ще збільшити напругу. Тоді утворюється канал, який продвига- ется від електроду з підвищеною напруженістю (вістря) до противопо- помилковому електроду. При перетині іскровим каналом усього проме- моторошна він перетвориться в електричну дугу, що означає завершення пробою. У резконеоднородных полях напруга пробою завжди більше напруги виникнення коронного розряду в будь-якій формі.
1.9. Ефект полярності
У слабонеравномерных полях, де мінімальний і середній градієнти напруги мало відрізняються один від одного, коронне і розрядне напруга практично співпадає один з одним, вплив полярності невеликий. У сильнонеравномерном полі коронна напруга набагато нижча за розрядну, полярність при несиметричних електродах істотно впливає на величину розрядної напруги. У проміжку вістря-площина формування розряду залежить від полярності вістря.
При позитивній полярності вістря, наявні в проміжку електрони, рухаючись до вістря в область сильного поля, здійснюють ударну іонізацію і утворюють лавину електронів. Коли лавина доходить до вістря, електрони лавини нейтралізуються на аноді, а позитивні іони внаслідок малої швидкості руху залишаються у вістря і створюють позитивний об'ємний заряд, який має власне електричне поле. Взаємодіючи із зовнішнім полем в проміжку, позитивний об'ємний заряд послабляє поле поблизу вістря і посилює його в іншій частині проміжку (рис. 1.10, а). Якщо напруга між електродами досить велика, то виникає лавина електронів праворуч від об'ємного заряду, електрони якої, змішуючись з позитивними іонами об'ємного заряду, створюють зародок каналу анодного стримера, заповнений плазмою. Запалюється стримерний коронний розряд. Позитивні заряди цієї лавини розташовуватимуться на голівці стримера і створюватимуть область підвищеної напруженості в зовнішньому просторі. Наявність області сильного поля забезпечує утворення нової лавини, електрони якої втягуються в канал стримера поступово подовжуючи його. Стример проростає до катода, викликаючи пробій проміжку при порівняно малій величині розрядної напруги.
При негативній полярності вістря електричне поле безпосередньо у вістря призводить до емісії електронів з катода, які відразу потрапляють в сильне поле і виробляють ударну іонізацію, утворюючи велике число лавини. Електрони лавини, переміщаючись в слабке поле у анода, втрачають швидкість, захоплюються нейтральними молекулами, стають негативними іонами, розсіяними в просторі. Позитивні іони лавини утворюють об'ємний заряд у вістря, який, взаємодіючи із зовнішнім полем, збільшуватиме напруженість безпосередньо у вістря і зменшуватиме в іншій частині проміжку (рис. 1.10, б). Збільшення поля у вістря призводить до посилення емісії електронів з поверхні катода, які, змішуючись з позитивним об'ємним зарядом, утворюють у катода зародок катодного стримера
Рис. 1.10. Утворення анодного а) і катодного б) стримера : E - напруженість зовнішнього поля; Eоб - напруженість поля об'ємного позитивного заряду; Eрез - результуюча напруженість в проміжку після іонізації
Внаслідок великого числа початкової лавини у катода плазмовий канал тут є більш менш однорідним шаром з радіусом кривизни більшим, ніж у вістря. Тому електричне поле дещо вирівнюється і напруженість в зовнішній області зменшується.
Зменшення напруженості електричного поля в зовнішньому просторі призводить до того, що для подальшої іонізації в цій частині проміжку необхідно значно збільшити різницю потенціалів між електродами.
При подальшому збільшенні напруги відбувається іонізація праворуч від плазмового шару, велике число лавини, що утворюється, призводить до подовження стримера. Проте, так само, як і на початку, завдяки великому числу лавини голівка стримера розмита, і зростання напруженості на голівці стримера виявляється набагато меншим, ніж при позитивному вістря.
Через розглянуті вище особливості розвиток стримера при негативному вістря відбувається з великими труднощами, тому розрядна напруга при негативній полярності вістря більша, ніж при позитивній полярності (у 2-2,5 рази).
На змінній напрузі пробою відбувається завжди на позитивній полярності.
Рис. 1.11. Залежність пробивної напруги від відстані між електродами стержень-площина на імпульсній напрузі: 1 - позитивна полярність вістря; 2 - негативна полярність вістря; 3 - однорідне поле