Пробой газов.

П

роисхождение носителей зарядов в газах может быть различным; это может быть ионизация газа радиоактивным излучением Земли, радиацией, проникающей из космического пространства, излучением Солнца и т.п. При поглощении энергии бомбардирующей частицы молекула газа теряет электрон и превращается в положительный ион. Высвобождаемый при этом электрон «прилипает» к нейтральной молекуле, образуя отрицательный ион. При приложении к объему газа электрического поля в нем начинает протекать электрический ток.Процессы в газах при протекании через них электрического тока наглядно представляются при помощи вольт-амперной характеристики (рис. 30).

В стационарном случае, когда число ионов не изменяется с течением времени, между процессами генерации (образования) ионов и рекомбинации (соединения + и - ионов)

Рис.30.Вольт-амперная характеристика

диэлектрика.

устанавливается динамическое равно­весие. Если напряженность поля очень мала, так что протекающий ток не ме­няет концентрации ионов в газе, т.е. электрические силы, действующие на заряженные частицы относительно невелики (область ОА ВАХ) ток в газе возрастает пропорционально приложенному напряжению по закону Ома.

При дальнейшем возрастании напряженности поля закон Ома не выполняется. В этом случае почти все ионы, образующиеся в газе, будут уходить на электроды не рекомбинируясь. Так как число ионов в газе при малых полях Е ограничено и не зависит от напряжения, то дальнейшее повышение напряжения не вызывает увеличения тока, при этом плотность тока I=Iн(область АВ ВАХ). Количественно величина Iнас у газов составляет 10^-16-10^-14 А/м, чему при расстоянии 1 см соответствует величина Е0,5 В/м.

При дальнейшем повышении Е до значений, близких к электрической прочности Епр, возникает возможность генерации заряженных частиц в электрическом поле из-за появления ударной ионизации газа, при этом ток в газе интенсивно возрастает при малейшем повышении напряжения (участок ВС ВАХ).

В пробивных полях создаются условия для возникновения «лавин», ток резко возрастает, пока при Е=Епр не наступит пробой газа. В момент пробоя газа ток резко возрастает, а напряжение пада­ет. Пробой происходит в виде искрового разряда. Явление пробоя газообразного диэлектрика в однородном электрическом поле выражается экспериментальной зависимостью, известной как закон Пашена (рис.3

Uпp=Aph;

где –А -числовой коэффициент,Р -давление газа,

• h -расстояние между электродами.

И

Рис.31.Кривые Пашена.

з графиков видно, чтоUпр газа имеет минимум при определенном произведении Рh и увеличивается как при увеличении, так и при умень­шении его. Физически это объясняет­ся тем, что в области разряженного газа резко уменьшается количестве его атомов и молекул, являющихся объектом ионизации, значит процесс ударной ионизации происходит при более высоких напряжениях.

В области малых расстоянии между электродами (< 0,1 мм и менее) пробои газа также происходят при белее высоких значениях Uпр, что объяс­няется сокращением длины пути на котором заряженные частицы могут накапливатьэнергию, необходимую для осуществления процесса ударной ионизации и уменьшением вероятности столкновения электронов с молекулами в межэлектродном пространстве (рис. 32).

На зависимости Епр=f(P) основано применение газов под высоким давлением в качестве электрической изоляции в кабелях, конденсаторах. Пробой газообразного диэлектрика протекает по-разному в зависимости от степени однородности электрического поля в газе т.е. параллельности силовых линий.

Так , в однородном электрическом поле пробой в воздухе происходит сразу в виде искры. Этот искровой разряд может переходить в электрическую дугу при достаточной мощности источника тока.

В неоднородном электрическом поле (в случае электродов игла-плоскость, игла-игла) ударная ионизация начинается не во всем объеме газа, а локализуется в местах наибольшей напряженности по­ля. При этом уже при напряжениях, существенно меньших Uпр, так на­зываемом начальном напряжении, возникает корона. Пробой газа в не­однородном электрическом поле характеризуется двумя значениями напряжений- начальным и пробивным.

В неоднородном электрическом поле большая напряженность имеет место у электрода с меньшим радиусом.

«Корона» в воздухе представляет светло-фиолетовое свечение и сопровождается шипением и образованием в воздухе озона О₃ оксида азота NO, которые являются активными окислителями металлов и многих электроизоляционных материалов органического происхождения (резина, пластмасса и т.д.). Под действием О₃ и NО большинство органических диэлектриков разрушаются. При дальнейшем увеличении напряжения коронирующий разряд переходит в искровой, т.е. происходит

\

полное электрическое разрушение газа.

Следует отметить, что значение Uпp в однородном поле , как правило, больше, чем в неоднородном.

Рис.33 Зависимость Uпр от расстояния между электродами при разных формах электродов

Большое влияние на пробой газа в неоднородном электрическом поле оказывает полярность электродов. При положительно заряженном острие и отрицательно заряженной плоскости Епр значительно меньше, чем при отрицательно заряженном острие (рис.33). Это объясняется тем, что у положительно заряженного острия накапливаются (+) ионы и распространяются в сторону (-) заряженной пластины.

В результате острие как бы прорастает в толщу газа, сокращая путь искровому разряду. При этом пробой газа происходит при сравнительно низких напряжениях. Следует также отметить, что Uпр газа в присутствии твердого диэлектрика меньше, чем для того же расстояния, но при отсутствии твердого диэлектрика. Примером может быть пробой воздуха возле фарфорового изолятора – поверхностное перекрытие.