2.2.1.2. Ионизация воздуха

Воздух, как и другие вещества, состоит из атомов, объединенных в молекулы. Каждый атом представляет собой положительно заряженное ядро (протоны), вокруг которого вращаются на некоторых «разрешенных» орбитах электроны, имеющие отрицательный заряд, количественно равный положительному заряду ядра. Отрыв электронов от атомов или молекул называется ионизацией. В результате ионизации появляются две частицы: ядро с оставшимися электронами, представляющее собой положительно заряженный ион, и отделившийся отрицательно заряженный электрон.

Для осуществления акта ионизации требуется затрата определенного количества энергии, которая называется энергией ионизации. Если к воздушному промежутку, образованному двумя проводящими электродами, приложить напряжение, то имеющиеся в этом промежутке свободные ионы и электроны под воздействием напряженности поля начнут двигаться в направлении поля. Масса электрона на 4 ÷ 5 порядков меньше массы ядра. Поэтому свободный электрон, движущийся в электрическом поле воздушного промежутка, имеет большую скорость, чем ядро. При столкновении с молекулами воздуха электрон способен отрывать от них новые электроны, т.е. производить ионизацию. Такой процесс ионизации при столкновении электрона с атомами или молекулами называется ударной ионизацией. Но не при всяком столкновении движущийся электрон отрывает другой электрон от молекулы. Столкновение может вызвать переход электрона молекулы на более удаленную от ядра неустойчивую орбиту. При этом удаленный электрон получает дополнительную энергию от движущегося электрона. Этот процесс называется возбуждением молекулы. Возбужденная молекула «живет» в течение примерно 10^-10 с, после чего происходит обратный переход электрона на устойчивую орбиту. При возвращении электрона на устойчивую орбиту возбужденная молекула излучает ранее полученную энергию в виде фотона, который при определенных условиях способен вызвать ионизацию или возбуждение других молекул. Этот процесс носит название фотоионизации. Фотоионизацию могут вызвать фотоны, излучаемые молекулами, участвующими в газовом разряде, космические лучи, излучение радиоактивного распада и световые волны в ультрафиолетовой части спектра.

Кроме того, ионизация молекул воздуха может наступить при высоких температурах. С повышением температуры усиливается хаотическое (тепловое) движение молекул и свободных электронов. В этом случае в результате столкновения молекул с электронами может иметь место ионизация, которая получила название термоионизации.

Процесс, обратный ионизации, когда заряды частиц взаимно компенсируются, называется рекомбинацией (нейтрализация зарядов частиц). При рекомбинации излучаются фотоны.

2.2.1.3. Лавины электронов. Образование стримеров

Если в воздушном промежутке между плоскими электродами напряженность электрического поля достигает критического значения, при котором возможна эффективная ударная ионизация, то движущийся электрон ионизирует молекулу, что приводит к образованию положительного иона и двух электронов. Эти электроны, разгоняясь в электрическом поле, ионизируют каждый по молекуле. В результате образуется три положительных иона и четыре электрона. Продолжаясь, процесс ионизации приводит к образованию лавины электронов и ионов. Образовавшиеся положительные ионы перемещаются к отрицательному электроду, а электроны – к положительному. Так как подвижность электронов много больше подвижности ионов, то ионы при рассмотрении этого процесса можно считать неподвижными.

После того, как электроны перемещаются на анод, оставшийся объемный положительный заряд вблизи анода сильно искажает электрическое поле и повышает напряженность. За счет излучения фотонов в области сильного поля у анода возникает ионизация воздуха и образуется вторичные электроны, которые дают начало новым вторичным лавинам. Возникшие вторичные лавины направляются к области лавин, проникают внутрь положительного объемного заряда и образуют узкий нитевидный канал, заполненный проводящей плазмой. Такой канал получил название стримера. Так как канал стримера проводящий, то он как бы удлиняет анод. Напряженность поля на головке стримера возрастает, что способствует образованию новых электронных лавин, развивающихся по направлению к головке стримера. Электроны новой лавины, смешиваясь с положительными ионами вблизи головки стримера, снова образуют плазму, и канал стримера удлиняется. После того как стример перекроет весь промежуток, разряд переходит в искровую стадию, которая характеризуется интенсивной термической ионизацией и значительным повышением проводимости плазменного канала. Так развивается разряд в малых промежутках с однородным электрическим полем в однолавинной форме с переходом в стримерную.

По форме электрические поля делятся на однородные, слабонеоднородные и резконеоднородные. Однородным полем называется такое поле, в котором вдоль силовых линий напряженность поля постоянна. Примером такого поля может служить поле в средней части плоского конденсатора.

Если напряженность поля вдоль силовых линий изменяется ориентировочно не более чем в 2 ÷ 3 раза, такое поле считается слабонеоднородным. Примером слабонеоднородного поля является поле между двумя шарами шарового разрядника или поле между жилой и оболочкой кабеля. Резконеоднородным полем называется поле, в котором напряженность изменяется вдоль силовых линий на несколько порядков.

В промежутках с резконеоднородным полем, где ионизационные процессы не охватывают всего промежутка, конденсируясь в узкой зоне вблизи одного или обоих электродов, разряд не переходит в искровую стадию при достижении у электродов критического значения напряженности. Разряд в такой форме получил название коронного разряда или просто короны. Только дальнейшее повышение напряжения на промежутке приводит к возникновению стримеров и переходу в стадию искрового разряда. В промежутках длиной в десятки сантиметров искровой разряд в воздухе происходит при средних напряженностях поля порядка 10 кВ/см.