1.8. Вольтамперная характеристика газового промежутка
Рис. 1.1. Вольт-амперная характеристика газового промежутка
В газовых изоляционных промежутках при небольших напряжениях выполняется закон Ома (рис. 1.1, область I); при повышении напряжения наступает насыщение, при котором все генерируемые внешними ионизаторами заряженные частицы достигают электродов и роста тока при росте напряжения не происходит (область II), плотность тока при этом составляет примерно 10-15 А/м2 при напряженности поля около 0,6 В/м. Только при больших напряжениях, когда возникает ионизация за счет большой напряженности электрического поля, начинается резкий рост электрического тока (область III), приводящий к независимости разряда от внешних ионизаторов, то есть к его самостоятельности.
1.9. Пробой воздушного промежутка с однородным полем
Развитие разряда происходит за время значительно меньшее, чем полупериод переменного напряжения частотой 50 Гц, поэтому разрядные напряжения воздушных промежутков при постоянном и переменном напряжениях практически одинаковы.
Пробой воздуха, как и других газов, следует рассматривать как следствие развития процессов ударной и фотонной ионизации. В газах всегда содержится небольшое количество положительных ионов и электронов, которые, как и нейтральные молекулы газа, находятся в хаотическом тепловом движении.
Под действием электрического поля заряженные частицы, начинают двигаться в направлении сил поля, получая при этом некоторую добавочную скорость. При этом заряженная частица между двумя соударениями, при условии достаточной однородности поля, приобретают дополнительную энергию
,
где
– напряженность электрического поля;
– заряд;
– среднее
расстояние, пройденное заряженной
частицей без столкновения, т.е. длина
свободного пробега.
При столкновении нейтральной молекулы с заряженной частицей добавочная энергия передается молекуле. Если эта энергия достаточно велика, то происходит либо ударная ионизация молекулы, т. е. расщепление молекулы на электрон и положительно заряженный ион, либо возбуждение молекулы, связанное с переходом внешнего электрона на более удаленную орбиту. В последующий момент, возбужденный электрон возвращается на исходную орбиту, а избыточная энергия выделяется в виде фотона. Фотон, поглощенный другой молекулой может ее ионизировать. Это явление носит название внутренней фотонной ионизации.
Ударная ионизация начинается при определенном значении напряженности электрического поля, поскольку при заданном давлении газа и заданной температуре значения и постоянны для каждого газа. Эту напряженность называют начальной напряженностью, а соответствующее электрическое напряжение – начальным напряжением пробоя.
Ионизация, в основном, осуществляется электронами, т. к. длина свободного пробега у них на порядок выше, чем у ионов. Кроме того, из-за меньших размеров и массы, электроны имеют большую подвижность и, соответственно, набирают при движении под действием сил поля большую энергию.
На развитие разряда в газах, также, оказывает воздействие явление вторичной эмиссии электронов с катода, заключающееся в том, что положительные ионы освобождают электроны из металла, бомбардируя поверхность катода.
Ударная ионизация составляет основу пробоя в газах. Освобожденные, вследствие ударной ионизации и вторичной эмиссии, электроны под действием электрического поля вызывают ионизацию молекул газа. В результате этого процесса число электронов в газовом промежутке растет, увеличиваясь при этом лавинообразно (рис.1.2).
В последующий момент времени эти молекулы испускают фотоны. Фотоны, обгоняют лавину и, поглощенные какими-либо молекулами впереди лавины, могут при этом их ионизировать. Пути фотонов показаны волнистыми линиями. Электроны, появляющиеся впереди первоначальной лавины на участке А-В, могут стать основой для возникновения других электронных лавин и т. д.
Рис.1.2. Образование стримера
Отдельные лавины, нагоняя друг друга, сливаются между собой, образуя сплошной канал ионизированного газа, носящий название стримера, по которому и происходит пробой. Поскольку скорость излучения очень велика, фотонная ионизация приводит к быстрому развитию стримера – быстрее, чем продвижение первоначальной электронной лавины на участке А-В.
Наряду с электронами, которые движутся к аноду, к катоду направляются положительно заряженные ионы, также участвующие в создании стримера.