1. Ударная ионизация.

2. Фотоионизация

Вторым важным источником образования свободных электронов является фотоионизация, т.е. ионизация газа под действием коротковолнового излучения.

Если молекуле газа сообщается энергия, меньшая энергии ионизации данной молекулы, то внешний электрон, не покидая пределов молекулы, может перейти на другой, более высокий энергический уровень. Такой процесс называется возбуждением. Время жизни молекулы в возбужденном состоянии невелико и составляет около 10^-8 с. Поэтому через некоторое время электрон вернется на стационарную орбиту, а поглощенная энергия выделится в виде фотона. Если положительный ион столкнется со свободным электроном или отрицательным ионом, то возможна их рекомбинация. При рекомбинации энергия, ранее затраченная на ионизацию, выделяется в виде излучения с определенной длиной волны. Частота излучения  в общем случае определяется равенством

h = W_u + ΔW_к,

где h = 6,5*10^-34 Джс. – квантовая постоянная;

ΔW_к – разность суммарной кинетической энергии участвующих в столкновении частиц до и после столкновения.

Таким образом, ионизационные процессы в газе всегда сопровождаются выделением большого количества фотонов, обладающих различными энергиями.

Для того чтобы воздействие на газ излучения с частотой  (длиной волны λ = с – скорость света) привело к ионизации газа, необходимо выполнить условие или .

Самые длинные волны, которые могут ионизировать газ, лежат в ультрафиолетовой части спектра, так что видимый свет практически не ионизирует. Искусственные источники ультрафиолетовых лучей дают длины волны не менее 150-200 мкм, поэтому непосредственную ионизацию с их помощью можно было бы получить только в газах, энергия ионизации которых W_u = (6 -8) эВ.

3.Термическая ионизация

Под термической ионизацией понимаются все процессы ионизации, обусловленные тепловым состоянием газа. При высокой температуре имеются следующие возможности ионизации:

а) ионизация при соударениях между молекулами газа, которые при высоких температурах двигаются с большими скоростями;

б) фотоионизация за счет теплового излучении нагретого газа;

в) ионизация при соударениях молекул с электронами, образовавшимися в результате первых двух процессов.

При низких температурах вероятность термической ионизации невелика, с ростом температуры ионизация делается значительно более вероятной.

Данный процесс играет важную роль в канале дуги……????

Поверхностная ионизация

Электроны в газе могут появляться и путем эмиссии из катода. Освобождение электрона из металла также требует совершения работы, называемой энергия выхода, которая у разных металлов различна и зависит от состояния их поверхности. В таблице приведены значения энергии выхода для некоторых чистых металлов.

Таблица 1.1

Металл	Энергия выхода, эВ
Алюминий	1,8
Медь	3,9
Железо	3,9
Серебро	3,1
Платина	3,6

Энергия, необходимая электрону для выхода из металла, может сообщаться ему различными способами.

1. Термоэлектронная эмиссия.

При нагревании катода происходит увеличение скорости электронов. Если при этом кинетическая энергия электрона превысит энергию выхода, он может перескочить через потенциальный барьер и покинуть пределы электрода.

В изоляционных конструкциях в начальных стадиях разряда нет термоэлектронной эмиссии, но в дуговом разряде в месте соприкосновения с дугой катода нагревается до температуры в несколько тысяч градусов и термоэлектронная эмиссия приобретает важное значение в снабжении канала дуги свободными электронами.

2. Фотоэлектронная эмиссия.

Облучение поверхности металла коротковолновым излучением, обладающим достаточно малой длиной волны (фотоэффект).

3. Автоэлектронная эмиссия.

Наложение сильного внешнего электрического поля (холодная эмиссия).

4.Бомбардировкой поверхности металла какими-либо частицами (например, положительными ионами) обладающими достаточной энергией.

Для осуществления поверхностной ионизации с помощью холодной эмиссии внешнее поле должно иметь очень большую величину порядка 1000 кВ/см, что в промышленных изоляционных конструкциях бывает крайне редко. Поэтому в газовых промежутках, с которыми приходится иметь дело в технике высоких напряжений, основное значение имеет бомбардировка поверхности металла частицами и облучение ее коротковолновым излучением. Кроме того, внешнее поле напряженности, недостаточное для осуществления холодной эмиссии, несколько уменьшает энергию выхода электрона из металла и тем самым способствует осуществлению других видов ионизации на поверхности.

Как известно, высокую проводимость газ может приобретать только в особом состоянии, называемом плазмой, когда значительная часть молекул газа ионизирована, причем проводимость плазмы возрастает по мере увеличения числа ионов, содержащихся в единице объема. Количество положительных и отрицательных зарядов в единице объема плазмы практически одинаково, причем носителями положительных зарядов являются ионы, а носителями отрицательных зарядов - ионы и электроны.

Таким образом, разряд в газе сопровождается переходом в состояние плазмы всего пространства между электродами или его части.

При наблюдении невооруженным взглядом можно различать стадии пробоя по форме и характеру свечения. Свечение является следствием рекомбинации и перехода возбужденных атомов в нормальное состояние. Невооруженным взглядом обнаруживается свечение разрядов - тлеющего, искрового, дугового, коронного и кистевого. Другие, более ранние, стадии разряда, хотя и сопровождаются излучением энергии, но не обнаруживаются невооруженным глазом; их иногда называют темным разрядом.

Можно рассмотреть следующие основные виды разряда:

1. Тлеющий разряд

Тлеющий разряд возникает в промежутке при малых давлениях газа, когда плазма даже при высокой степени ионизации не может приобрести большую проводимость из-за недостаточного числа молекул газа в единице объема. Поэтому абсолютная величина тока, проходящего в газе, не может быть очень большой, не велико также и взаимодействие между отдельными ионами, находящимися в промежутке. Тлеющий разряд обычно занимает все пространство между электродами. Характерным примером является тлеющий разряд, используемый в газосветных трубках, лампах дневного света и др.

2.. Искровой разряд.

Искровой разряд образуется в промежутке при достаточно больших давлениях газа р и расстояниях между электродами s (ps > 1000 мПа) в случае, если мощность источника питания невелика или если напряжение приложено к промежутку на очень короткое время. При больших давлениях газа разряд развивается в виде узкого канала. Концентрация ионов в плазме, заполняющей этот узкий канал, может достигать больших величин, но величина тока в канале ограничивается мощностью источника. Благодаря этому интенсивность термической ионизации может оказаться недостаточной для поддержания проводимости и канал разряда распадается. Это, например, имеет место при переменном напряжении, когда разряд в газовом промежутке происходит в виде перемежающихся искр, последовательно возникающих между электродами.

3.Дуговой разряд.

Дуговой разряд является следующей стадией искрового разряда при большой мощности источника. В этом случае через промежуток может проходить большой ток, который способствует разогреву канала, возрастанию его проводимости, а, следовательно, дальнейшему увеличению тока. В конце концов будет достигнуто состояние равновесия, когда тепловые потери из канала прекратят дальнейшее повышение температуры. Канал дугового разряда характеризуется высокими температурами (до 8000К) и значительной степенью ионизации газа.

4. Коронный разряд.

Коронный разряд является своеобразной формой разряда, характерной для резко неоднородных полей.

В таких полях при напряжении, соответствующем выполнению условия самостоятельности, образующиеся стримеры не могут перекрыть все пространство между электродами, и ионизация ограничивается узкой областью вблизи электрода с малым радиусом кривизны. Эта область обычно называется чехлом короны. При этом между электродами промежутка не возникает сквозного проводящего канала.

Ионизация и сопутствующие ей процессы рекомбинации и перехода возбужденных молекул в нормальное состояние способствует выделению большого количества квантов света, благодаря чему чехол короны светится, создавая своеобразное прерывистое голубоватое сияние вокруг коронирующего электрода, сопровождаемое характерным потрескиванием.

При увеличении напряжения отдельные стимеры, из которых состоит чехол короны, постепенно удлиняются, возрастает количество ионов в промежутке и увеличивается ток короны.

Образование коронного разряда не означает полной потери газовым промежутком изолирующих свойств, однако в изоляционных конструкциях образование коронного разряда является нежелательным. Наличие короны приводит к дополнительной ионизации газа, что может ускорить пробой промежутка. Кроме того, корона приводит к потерям энергии и к образованию озона, ускоряющего разрушение изоляции.