В обычных условиях проводимость изоляторов очень мала. Однако в достаточно сильных электрических полях возникает так называемый пробой изолятора, или электрический разряд. В месте пробоя проводимость изолятора резко возрастает, причем она зависит сложным образом от напряженности поля, тока, начальных условий и многих других факторов.
Начнем с электрического разряда в газе. Проводимость газа в слабых полях связана с наличием в нем небольшого числа ионов и электронов, которые возникают вследствие ионизации молекул газа под действием космических лучей, радиоактивности земной коры и, в меньшей степени, ультрафиолетового излучения Солнца. Так, например, у поверхности моря космические лучи создают около двух пар ионов в кубическом сантиметре в секунду. У поверхности суши к этому прибавляется еще около пяти пар ионов за счет радиоактивности земной коры. Средняя концентрация всех ионов у поверхности Земли составляет Среднее время жизни иона до рекомбинации порядка 100 с. За такое большое время все электроны, возникшие в результате ионизации, успевают образовать отрицательные ионы, «примкнув» к молекулам кислорода. При нормальных условиях электрону требуется для этого около 105 столкновений, т. е. всего лишь с. Отсюда видно, что при обычных условиях проводимость газа в слабых полях является ионной. Реальная картина еще сложнее: проводимость определяется в основном ионными кластерами, содержащими десятки атомов газа. Проводимость воздуха у поверхности Земли в то время как проводимость лучших твердых изоляторов (янтарь, плавленый кварц) составляет а для обычного стекла -
В жидкости в отличие от газа концентрация ионов определяется не внешней ионизацией, а диссоциацией молекул благодаря их взаимодействию между собой. Такая жидкость называется электролитом. Диссоциация особенно облегчается, если жидкость представляет собой раствор, поэтому последний обладает, как правило, значительной проводимостью. Так, например, проводимость -ного раствора медного купороса что все же на семь порядков меньше, чем у меди. Это объясняется тем, что носителями заряда в электролите (так же, как и в газе) являются тяжелые ионы, а вязкость жидкости значительно больше, чем вязкость электронного газа в металле.
Вернемся теперь к газу и рассмотрим его поведение в более сильных полях. На рис. II 1.5 изображена схематически вольт-амперная характеристика газового промежутка. Область слабых полей
Рис. 111.5. Вольт-амперная характеристика газового промежутка.
Рис. 111.6. Кривые Пашена для некоторых газов.
соответствует участку а, где справедлив закон Ома. За ним следует так называемое плато (участок где ток практически не зависит от напряженности поля. В этой области электрическое поле вытягивает все рождающиеся (в промежутке) электроны. В еще более сильных полях (участок с) ток резко возрастает, и наступает пробой. Возрастание тока связано с процессами вторичной ионизации, приводящей к лавинному «размножению» электронов. Очень упрощенно этот процесс можно представить себе следующим образом. Электрон, выбитый из атома при ионизации, ускоряется внешним полем до такой энергии (~10 эВ), что он сам может ионизовать другие атомы.
Электронная лавина сама по себе приводит лишь к увеличению тока проводимости в газовом промежутке (участок с, см. рис. III.5). Для возникновения электрического, или, точнее, самоподдерживающегося разряда, необходима еще так называемая обратная связь между электродами газового промежутка. Необходимо, чтобы электронная лавина, движущаяся к аноду, вызывала бы каким-то образом новые лавины с катода. Одним из возможных механизмов такой обратной связи является фотоэффект с катода под действием фотонов, испускаемых возбужденными атомами газа или анода.
Условия зажигания разряда характеризуются так называемой кривой Пашена (рис. III.6), которая связывает между собой три основные величины: напряжение на разрядном промежутке V, длину промежутка и давление газа Прежде всего, оказывается, что зажигание разряда зависит только от произведения где - длина свободного пробега электрона. Она и характеризует скорость развития электронной лавины.
Зависимость напряжения зажигания разряда от имеет характерный минимум. Вид кривой Пашена легко объяснить качественно, рассмотрев случай постоянного давления. При развитие лавины определяется напряженностью поля, поэтому напряжение зажигания растет приблизительно пропорционально длине зазора. При очень малых однако, развитие электронной лавины также затруднено, так как электроны не успевают столкнуться с атомами газа в зазоре. Интересно отметить, что при напряжениях, меньших
минимального , зазор не пробивается ни при каких условиях.
При очень больших давлениях (точнее, больших значениях механизм развития разряда существенно изменяется. Из-за малой длины свободного пробега электронов разряд сначала локализуется в небольшой области промежутка вблизи места первичной ионизации. Распространение разряда происходит в этих условиях в основном за счет фотоионизации соседних участков газа. Такой процесс называется стримером. Примером стримерного разряда может служить молния.
Одним из интересных применений стримерного разряда является так называемая стримерная камера, в которой можно наблюдать следы заряженных частиц. В камере на очень короткое время создается сильное электрическое поле. Заряженная частица, прошедшая через камеру непосредственно перед включением поля, производит ионизацию газа вдоль своей траектории, а образующиеся при этом свободные электроны служат центрами возникновения стримеров. Свечение стримеров и позволяет наблюдать треки заряженных частиц (рис. III.7). Вследствие импульсного характера поля размеры стримеров остаются малыми, что обеспечивает высокую степень локализации траектории (порядка 0,3 мм).
При очень малых давлениях, т. е. в высоком вакууме пробой промежутка определяется почти исключительно процессами на электродах. Разряд развивается за счет автоэлектронной («холодной») эмиссии электронов с микроострий на поверхности катода, когда напряженность поля на них поднимается до величины В/см. Эмиссионный ток, плотность которого достигает на острие огромных значений, нагревает и испаряет острие, а сильное электрическое поле отрывает и увлекает на анод небольшие кусочки катода. Последние вызывают испарение материала анода, и образующиеся при этом ионы бомбардируют, в свою очередь, катод, разогревая его и вызывая термоэлектронную эмиссию.
Рис. 111.7. Фотографии треков электронов и позитронов в стрингерной камере (а) и разряда (б) в жидкости (гексан). Напряженность электрического поля 700 кВ/см, время экспозиции 5нс .
Описанный механизм развития разряда в высоком вакууме позволяет понять важный в практическом отношении эффект «тренировки» вакуумного зазора. Тренировка производится путем многократного пробоя зазора при небольшой мощности разряда и приводит к оплавлению острий на катоде.
Вполне естественно также, что электрическая прочность зазора существенно возрастает при очень малой длительности высокого напряжения или при его высокой частоте. Так, например, при с вакуумный зазор выдерживает поле около в то время как при с это значение падает до и дальше уже не зависит от .
Электрический разряд - Потеря электричества каким-либо наэлектризованным телом, т. е. Р. этого тела, может происходить различными способами, вследствие чего и явления, сопровождающие Р., могут получаться по характеру весьма неодинаковые. Все разнообразные формы Р. можно подразделить на три главнейших вида: Р. в виде электрического тока, или Р. проводящий, Р. конвекционный и Р. разрывной. Р. в виде тока происходит тогда, когда наэлектризованное тело соединяется с землей или с другим телом, обладающим электричеством, равным по количеству и противоположным по знаку с электричеством на разряжающемся теле, при посредстве проводников или даже изоляторов, но изоляторов, у которых поверхность покрыта слоем, проводящим электричество , напр. поверхность смочена или загрязнена. В этих случаях происходит полный Р. данного тела, причем продолжительность этого Р. обусловливается сопротивлением и формой (см. Самоиндукция) проводников, чрез которые происходит Р. Чем меньше сопротивление и коэффициент самоиндукции проводников, тем быстрее происходит Р. тела. Тело разряжается отчасти, т. е. его Р. происходит неполный, когда оно соединяется проводниками с каким-либо другим телом, не наэлектризованным или наэлектризованным слабее, чем оно. В этих случаях тем большая часть электричества теряется телом, чем больше емкость того тела, которое присоединяется к нему при помощи проводников. Явления, сопровождающие Р. в виде тока, качественно одинаковы с явлениями, которые вызываются электрическим током, возбуждаемым обыкновенными гальваническими элементами. Р. конвенционный происходит в том случае, когда хорошо изолированное тело находится в среде жидкой или газообразной, содержащей в себе частицы, способные электризоваться и под влиянием электрических сил способные двигаться в этой среде. Р. разрывной - это Р. тела или в землю, или в другое тело, противоположно наэлектризованное, через среду, не проводящую электричество. Явление происходит так, как будто непроводящая среда уступает действию тех натяжений, которые возникают в ней под влиянием электризации тела, и предоставляет путь электричеству. Такой разрывной Р. всегда сопровождается световыми явлениями и может происходить в различных формах. Но все эти формы разрывного Р. можно подразделить на три категории: Р. при помощи искры, Р. при помощи кисти, Р. сопровождающийся сиянием, или тихий P. Все эти Р. имеют между собой сходство в том отношении, что, несмотря на малую продолжительность, каждый из них представляет совокупность нескольких Р., т. е. при этих Р. тело теряет свое электричество не непрерывно, а перемежающимся образом. Р. при помощи искры является в большинстве случаев колебательным (см. Колебательный Р.). Р. при помощи искры образуется тогда, когда к наэлектризованному телу, находящемуся в каком-либо газе немалой упругости или в жидкости, приближено достаточно близко другое тело, проводящее электричество и соединенное с землей или же наэлектризованное противоположно данному телу. Искра может образоваться и тогда, когда между такими двумя телами будет находиться слой какого-либо твердого изолятора. В этом случае искра пробивает этот слой, образуя в нем сквозное отверстие и трещины. Искра сопровождается всегда особым треском, происходящим от быстрого потрясения той среды, в которой она получается. Когда искра коротка, она имеет вид светлой прямолинейной черты. Толщина этой черты обусловливается количеством электричества, которое теряется наэлектризованным телом при помощи этой искры. По мере увеличения длины искры она становится тоньше и вместе с тем отклоняется от вида прямолинейной черты, принимает форму зигзагообразной линии, а затем, при дальнейшем удлинении, разветвляется и, наконец, переходит в форму кисти (табл., фиг. 1). При помощи вращающегося зеркала можно обнаружить, что появляющаяся искра состоит в действительности из целого ряда отдельных искорок, следующих одна за другой через некоторый промежуток времени. Длина образующейся искры, или так называемое разрядное расстояние, зависит от разности потенциалов тех тел, между которыми получается эта искра. Однако и при одной и той же разности потенциалов двух тел длина образующейся между ними искры изменяется несколько в зависимости от формы этих тел. Так, при данной разности потенциалов искра получается длиннее, когда она образуется между двумя дисками, чем в том случае, когда она должна проскочить между двумя шарами. Да и для различных шаров искра не одинаковой длины. Она тем длиннее, чем больше разнятся друг от друга по размерам два шара. При данной разности потенциалов получается наиболее короткая искра, т. е. получается наименьшее разрядное расстояние, в том случае, когда искра должна получиться между двумя шарами одинаковых размеров. Изменение упругости газа оказывает весьма большое влияние на величину разности потенциалов, необходимой для образования искры данной длины. С уменьшением упругости газа эта разность потенциалов также уменьшается. Природа газа, в котором является искра, оказывает немалое влияние на величину необходимой разности потенциалов. При одной и той же длине искры и при одной и той же упругости газа эта разность потенциалов - наименьшая для водорода, она больше для воздуха и еще больше для угольной кислоты. Для получения искры в жидкости требуется разность потенциалов большая, чем для получения такой же искры в газе. Вещество тел, между которыми образуется искра, оказывает весьма малое влияние на разность потенциалов, нужную для возникновения искры. При малых длинах искры в воздухе или в другом каком-либо газе образующая искру разность потенциалов весьма близко пропорциональна длине искры. При больших длинах искры связь между длиною искры и необходимой для этого разностью потенциалов не так проста. В этом случае при возрастании разности потенциалов длина искры увеличивается быстре увеличения разности потенциалов. В следующей таблице содержатся данные для выражения длины искр и соответствующих им разностей потенциалов (искры образуются между двумя дисками, у одного поверхность мало выпуклая).
| Длина искры, в стм | Разность потенциалов, в вольтах |
| 0,0205 | 1000 |
| 0,0430 | 2000 |
| 0,0660 | 3000 |
| 0,1176 | 5000 |
| 0,2863 | 10000 |
| 0,3378 | 11300 |
РАЗРЯД ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ.
Век, в котором мы живем, можно назвать временем электричества. Работа компьютеров, телевизоров, автомобилей, спутников, приборов искусственного освещения - это лишь малая часть примеров, где оно используется. Одним из интересных и важных для человека процессов является электрический разряд. Рассмотрим подробнее, что он собой представляет.
Краткая история изучения электричества
Когда человек познакомился с электричеством? Ответить на этот вопрос сложно, поскольку поставлен он некорректным образом, ведь наиболее яркое природное явление - молния, известная с незапамятных времен.
Осмысленное изучение электрических процессов началось лишь с конца первой половины XVIII века. Здесь следует отметить серьезный вклад в представления человека об электричестве Чарльза Кулона, исследовавшего силу взаимодействия заряженных частиц, Георга Ома, математически описавшего параметры тока в замкнутой цепи, и Бенджамина Франклина, который провел множество экспериментов, изучая природу вышеназванной молнии. Помимо них, большую роль в развитии сыграли такие ученые, как Луиджи Гальвани (изучение нервных импульсов, изобретение первой «батарейки») и Майкл Фарадей (исследование тока в электролитах).
Достижения всех названных ученых создали прочный фундамент для изучения и понимания сложных электрических процессов, одним из которых является электрический разряд.
Что представляет собой разряд и какие условия необходимы для его существования?
Разряд электрического тока - это физический процесс, который характеризуется наличием потока заряженных частиц между двумя пространственными областями, имеющими разный потенциал в газовой среде. Разберем это определение.
Во-первых, когда говорят о разряде, то всегда имеют в виду газ. Разряды в жидкостях и твердых телах тоже могут возникать (пробой твердого конденсатора), однако процесс изучения этого явления проще рассмотреть в менее плотной среде. Более того, именно разряды в газах часто наблюдаются и имеют большое значение для жизнедеятельности человека.
Во-вторых, как сказано в определении электрического разряда, он возникает только при соблюдении двух важных условий:
- при существования разности потенциалов (напряженности электрического поля);
- наличии носителей заряда (свободных ионов и электронов).
Разность потенциалов обеспечивает направленное движение заряда. Если она превышает некоторое пороговое значение, то несамостоятельный разряд переходит в самоподдерживающийся или самостоятельный.
Что касается свободных носителей заряда, то в любом газе они всегда присутствуют. Их концентрация, естественно, зависит от ряда внешних факторов и свойств самого газа, но сам факт их наличия является бесспорным. Связано это с существованием таких источников ионизации нейтральных атомов и молекул, как ультрафиолетовые лучи от Солнца, космическое излучение и естественная радиация нашей планеты.
Соотношение между разностью потенциалов и концентрацией носителей определяет характер разряда.
Виды электрических разрядов
Приведем список этих видов, а затем подробнее охарактеризуем каждый из них. Итак, все разряды в газовых средах принято разделять на следующие:
- тлеющий;
- искровой;
- дуговой;
- коронный.
Физически они отличаются друг от друга лишь мощностью (плотностью тока) и, как следствие, температурой, а также характером их проявления во времени. Во всех случаях речь идет о переносе положительного заряда (катионы) к катоду (область низкого потенциала) и отрицательного заряда (анионы, электроны) к аноду (зона высокого потенциала).
Тлеющий разряд
Для его существования необходимо создать низкие давления газа (в сотни и тысячи раз меньше атмосферного). Тлеющий разряд наблюдается в катодных трубках, которые заполняются каким-либо газом (например, Ne, Ar, Kr и другие). Приложение напряжения к электродам трубки приводит к активации следующего процесса: имеющиеся в газе катионы начинают ускоренно двигаться, достигнув катода, они ударяют по нему, передавая импульс и выбивая электроны. Последние при наличии достаточной кинетической энергии могут приводить к ионизации нейтральных молекул газа. Описанный процесс будет самоподдерживающимся только в случае достаточной энергии катионов, бомбардирующих катод, и их определенного количества, что зависит от разности потенциалов на электродах и давления газа в трубке.
Тлеющий разряд светится. Излучение электромагнитных волн обусловлено двумя идущими параллельно процессами:
- рекомбинация пар электрон-катион, сопровождаемая выделением энергии;
- переход нейтральных молекул (атомов) газа из возбужденного состояния в основное.
Типичными характеристиками этого вида разряда являются небольшие токи (несколько миллиампер) и небольшие стационарные напряжения (100-400 В), однако пороговое напряжение равно нескольким тысячам вольт, что зависит от давления газа.
Примерами тлеющего разряда являются люминесцентные и неоновые лампы. В природе к этому типу можно отнести северное сияние (движение потоков ионов в магнитном поле Земли).
Искровой разряд
Это типичный вид разряда, который проявляется в Для его существования необходимо не только наличие больших давлений газа (1 атм и больше), но и огромных напряжений. Воздух представляет собой достаточно хороший диэлектрик (изолятор). Его проницаемость лежит в пределах от 4 до 30 кВ/см, что зависит от наличия в нем влажности и твердых частиц. Эти цифры говорят о том, что для получения пробоя (искры) необходимо приложить минимум 4 000 000 вольт на каждый метр воздуха!
В природе такие условия возникают в кучевых облаках, когда в результате процессов трения между воздушными массами, конвекции воздуха и кристаллизации (конденсации) происходит перераспределение зарядов таким образом, что нижние слои туч заряжаются отрицательно, а верхние - положительно. Разность потенциалов постепенно накапливается, когда ее значение начинает превышать изоляционные возможности воздуха (несколько млн вольт на метр), то возникает молния - электрический разряд, который длится в течение долей секунды. Сила тока в нем достигает 10-40 тысяч ампер, а температура плазмы в канале поднимается до 20 000 К.
Минимальную энергию, которая выделяется в процессе молнии, можно вычислить, если принять во внимание следующие данные: процесс развивается в течение t=1*10 -6 с, I = 10 000 А, U = 10 9 В, тогда получим:
E = I*U*t = 10 млн Дж
Полученная цифра эквивалентна энергии, которая освобождается при взрыве 250 кг динамита.
Так же как и искровой, он возникает при наличии достаточного давления в газе. Его характеристики практически полностью аналогичны искровому, но имеются и отличия:
- во-первых, токи достигают десяти тысяч ампер, но напряжение при этом составляет несколько сотен вольт, что связано с высокой проводимостью среды;
- во-вторых, дуговой разряд существует стабильно во времени, в отличие от искрового.
Переход в этот вид разряда осуществляется постепенным повышением напряжения. Поддерживается разряд за счет термоэлектронной эмиссии с катода. Ярким его примером является сварочная дуга.
Коронный разряд
Этот тип электрического разряда в газах часто наблюдали моряки, которые путешествовали в Новый Мир, открытый Колумбом. Они называли синеватое свечение на концах мачт «огнями Святого Эльма».
Возникает коронный разряд вокруг объектов, имеющих очень сильную напряженность электрического поля. Такие условия создаются вблизи острых предметов (мачт кораблей, зданий с остроконечными крышами). Когда тело имеет некоторый статический заряд, то напряженность поля на его концах приводит к ионизации окружающего воздуха. Возникшие ионы начинают свой дрейф к источнику поля. Эти слабые токи, вызывающие аналогичные процессы, что и в случае тлеющего разряда, приводят к появлению свечения.
Опасность разрядов для здоровья человека
Коронный и тлеющий разряды особой опасности не представляют для человека, поскольку они характеризуются низкими токами (миллиамперы). Два других из вышеназванных разрядов являются смертельно опасными в случае прямого контакта с ними.
Если человек наблюдает приближение молнии, то он должен отключить все электроприборы (включая мобильные телефоны), а также расположиться так, чтобы не выделяться среди окружающей местности в плане высоты.
Электрические разряды в газе делятся на две группы: несамостоятельные разряды и самостоятельные разряды.
Несамостоятельным разрядом называется электрический разряд, требующий для своего поддержания образования в разрядном промежутке заряженных частиц под действием внешних факторов (внешнего воздействия на газ или электроды, увеличивающего концентрацию заряженных частиц в объеме).
Самостоятельным разрядом называется электрический разряд, существующий под действием приложенного к электродам напряжения и не требующий для своего поддержания образования заряженных частиц за счет действия других внешних факторов.
Если разрядную трубку с двумя плоскими холодными электродами наполнить газом и включить в электрическую цепь, содержащую источник э. д. с. Еа и балластный резистор R (рис. 3-21, а), то в зависимости от протекающего через трубку тока (устанавливаемого подбором сопротивления R) в ней возникают различные виды разряда, характеризующиеся разными физическими процессами в объеме газа, разным характером свечения и разными величинами падения напряжения на разряде.
Рис.3.21
a - схема включения разрядной трубки;
б - вольт-амперная характеристика самостоятельного разряда.
Приведенная на рис. 3-21,6 вольт-амперная характеристика не включает в себя видов разряда, возникающих при высоких давлениях, а именно искрового, коронного и безэлектродного высокочастотного .
На рис. 3-21,6 приведена полная вольт-амперная характеристика такой разрядной трубки. Участки ее, соответствующие различным видам разряда, отделены друг от друга пунктирными линиями и пронумерованы.
В табл. 3-14 указаны основные особенности различных видов разряда.
|
№ области по рис. 3-21 |
Название разряда |
Элементарные процессы в объеме |
Элементарные процессы на катоде |
Применение |
|
Несамостоятельный темный разряд |
Электрическое поле определяется геометрией н потенциалами ограничивающих разряд поверхностей. Объемный заряд мал и не искажает электрическое поле. Ток создается зарядами, возникающими под действием посторонних ионизаторов (космическое и радиоактивное излучения, фотоионизация и др.) Происходит газовое усиление в результате ионизации атомов газа движущимися к аноду электронами. |
Приходящие из разряда ионы рекомбинируют с электронами катода. Возможны слабая эмиссия электронов из катода под действием света (при активированных катодах), а также электронная эмиссия под действием положительных ионов. |
Газонаполненные фотоэлементы, счетчики и ионизационные камеры. |
|
|
Самостоятельный темный разряд |
Объемный заряд мал и слабо искажает распределение потенциала между электродами. Имеют место возбуждение и ионизация атомов при соударениях с ними электронов, ведущие к развитию электронных лавин и потоков ионов к катоду. Выполняется условие самостоятельности разряда. Присутствие посторонних ионизаторов не обязательно. Свечение газа чрезвычайно слабое, не наблюдаемое глазом. |
Интенсивная эмиссия из катода под действием положительных ионов, обеспечивающая существование разряда. |
||
|
Переходная форма разряда от темного к тлеющему |
Интенсивные электронные лавины приводят к процессам возбуждения и ионизации в прианодной области. Около анода наблюдается свечение газа. Объемный за ряд электронов частично скомпенсирован ионами, особенно в прианодной области. |
Эмиссия электронов из катода под действием положительных ионов. |
||
|
Нормальный тлеющий разряд |
Формируются характерные участки разряда: прикатодная область с большим падением потенциала и столб разряда, в котором объемные заряды компенсированы и напряженность поля невелика. Газ в столбе разряда находится в состоянии, называемом плазмой Характерно постоянство при изменении тока, а также давления газа. Величина определяется родом газа и материалом катода. Ярко светящаяся пленка газа у поверхности катода. Свечением покрыт не весь катод. Площадь свечения пропорциональна току |
Эмиссия электронов из катода под действием положительных ионов, метастабильных и быстрых нейтральных атомов, фотоэмиссия под действием излучения разряда. |
Стабилитроны, тиратроны тлеющего разряда, декатроны, индикаторные приборы, газосветные трубки. |
|
|
Аномальный тлеющий разряд |
По физике процесс аналогичен нормальному тлеющему разряду. Катодное свечение покрывает весь катод. Увеличение тока сопровождается ростом плотности тока на катоде и катодного падения потенциала . |
Процессы на катоде аналогичны процессам при нормальном тлеющем разряде. |
Индикаторные лампы, очистка деталей катодным распылением, получение тонких пленок. |
|
|
Переходная форма разряда от тлеющего к дуговому |
Процессы в столбе разряда качественно аналогичны тлеющему разряду. Катодная область заметно сужается Возникают местные участки сильного нагрева катода. |
Добавляется процесс термоэлектронной эмиссии (при тугоплавком катоде) или электростатической эмиссии (при ртутном катоде). |
Разрядники. |
|
|
Дуговой разряд |
Участок катодного падения потенциала имеет малую протяженность. Величина мала - порядка потенциала ионизации газа, заполняющего прибор. Процессы в столбе разряда качественно аналогичны процессам в столбе тлеющего разряда. Столб разряда светящийся. При высоких давлениях столб стягивается к оси разряда, образуя "шнур". |
Понятие электрического разряда в газах включает все случаи перемещения в газах под действием электрического поля заряженных частиц (электронов и ионов), возникших в результате ионизационных процессов . Обязательным условием возникновения разряда в газах является наличие в нем свободных зарядов - электронов и ионов.
Газ, состоящий только из нейтральных молекул, совершенно не проводит электрического тока, т. е. является идеальным диэлектриком . В реальных условиях за счет воздействия естественных ионизаторов (ультрафиолетовое излучение Солнца, космические лучи, радиоактивное излучение Земли и т. п.) в газе всегда имеется некоторое количество свободных зарядов - ионов и электронов, которые сообщают ему определенную электропроводность.
Мощность естественных ионизаторов очень мала: в результате их воздействия в воздухе ежесекундно образуется около одной пары зарядов в каждом кубическом сантиметре, что соответствует приращению объемной плотности зарядов ро=1,6 -19 Кл/(см 3 х с). Такое же количество зарядов подвергается ежесекундно рекомбинации. Числе зарядов в 1 см 3 воздуха при этом остается постоянным и равным 500-1000 парам ионов.
Таким образом, если к пластинам плоского воздушного конденсатора с расстоянием S между электродами приложить напряжение, то в цепи установится ток, плотность которого J =2poS = 3,2х10 -19 S А/см2.
Применение искусственных ионизаторов во много раз увеличивает плотность тока в газе. Например, при освещении газового промежутка ртутно-кварцевой лампой плотность тока в газе возрастает до 10 - 12 А/см2, при наличии искрового разряда вблизи ионизируемого объема создаются токи порядка 10 -10 А/см2 и т. д.
Рассмотрим зависимость тока, проходящего через газовый промежуток с однородным электрическим полем, от величины приложенного напряжени
я (рис. 1).
Рис. 1. Вольт-амперная характеристика газового разряда
Вначале по мере увеличения напряжения ток в промежутке возрастает за счет того, что все большее количество зарядов попадает под действием электрического поля на электроды (участок OA). На участке АВ ток практически не меняется, так как все образующиеся за счет внешних ионизаторов заряды попадают на электроды. Величина тока насыщения Is определяется интенсивностью воздействующего на промежуток ионизатора.
При дальнейшем увеличении напряжения ток резко возрастает (участок ВС), что свидетельствует об интенсивном развитии процессов ионизации газа под действием электрического поля. При напряжении U0 происходит резкое увеличение тока в промежутке, который при этом теряет свойства диэлектрика и превращается в проводник.
Явление, при котором между электродами газового промежутка возникает канал высокой проводимости, называют электрическим пробоем (пробой в газе часто называют электрическим разрядом, имея в виду весь процесс образования пробоя).
Электрический разряд, соответствующий участку ОАВС характеристики, называют несамостоятельным , так как на этом участке ток в газовом промежутке определяется интенсивностью воздействующего ионизатора. Разряд на участке после точки С называют самостоятельным , так как ток разряда на этом участке зависит только от параметров самой электрической цепи (ее сопротивления и мощности источника питания) и для его поддержания не требуется образования заряженных частиц за счет внешних ионизаторов. Напряжение Uo при котором начинается самостоятельный разряд, называют начальным напряжением .
Формы самостоятельного разряда в газах в зависимости от условий, в которых протекает разряд, могут быть различными.
При малых давлениях, когда из-за небольшого числа молекул газа в единице объема промежуток не может приобрести большую проводимость, возникает тлеющий разряд
. Плотность тока при тлеющем разряде невелика (1-5 мА/см2), разряд охватывает все пространство между электродами.
Рис. 2. Тлеющий разряд в газе
При давлениях газа, близких к атмосферному и выше, в случае, если мощность источника питания невелика или напряжение прикладывается к промежутку на короткое время, имеет место искровой разряд
. Примером искрового разряда является разряд . При длительном действии напряжения искровой разряд имеет вид искр, последовательно возникающих между электродами.
Рис. 3. Искровой разряд
В случае значительной мощности источника питания искровой разряд переходит в дуговой
, при котором через промежуток может протекать ток, достигающий сотен и тысяч ампер. Такой ток способствует разогреву канала разряда, увеличению его проводимости, и в результате происходит дальнейшее увеличение тока. Так как этот процесс требует для своего завершения некоторого времени, то при кратковременном приложении напряжения искровой разряд в дуговой не переходит.
Рис. 4. Дуговой разряд
В резконеоднородных полях самостоятельный разряд начинается всегда в виде коронного разряда
, который развивается только в той части газового промежутка, где напряженность поля наиболее высока (около острых краев электродов). При коронном разряде между электродами не возникает сквозного канала высокой проводимости, т. е. промежуток сохраняет свои изолирующие свойства. При дальнейшем увеличении приложенного напряжения коронный разряд переходит в искровой или дуговой.
Коронный разряд - вид стационарного электрического разряда в газе достаточной плотности, возникающего в сильном неоднородном электрическом поле. Ионизация и возбуждение нейтральных частиц газа лавинами электронов локализованы в ограниченной зоне (чехол короны или зона ионизации) сильного электрического поля вблизи электрода с малым радиусом кривизны. Бледноголубое или фиолетовое свечение газа в зоне ионизации по аналогии с ореолом солнечной короны дало повод к названию данного вида разряда.
Помимо излучения в видимой, ультрафиолетовой (главным образом), а также в более коротковолновой частях спектра, коронный разряд сопровождается движением частиц газа от коронирующего электрода - т. н. «электрическим ветром», шелестящим шумом, иногда радиоизлучением, химия, реакциями (например, образованием озона и окислов азота воздуха).
Рис. 5. Коронный разряд в газе
Закономерности возникновения электрического разряда в различных газах одинаковы, разница заключается в значениях коэффициентов, характеризующих процесс.
