какое напряжение больше в резко неоднородных полях
Развитие разряда в резко-неоднородных полях
Резко-неоднородное поле характерно для промежутков, создаваемых электродами типа игла-плоскость, провод-плоскость, а также стержень-плоскость или шар-плоскость при малом радиусе закругления шара и большом расстоянии между электродами.
Особенностью резко неоднородных полей являются высокие напряженности поля у электрода с малым радиусом закругления даже при сравнительно небольшом напряжении на промежутке. Это означает, что в этой области могут идти процессы ударной ионизации, возникают лавины электронов, и условие самостоятельности разряда выполняется, когда зона ионизации охватывает только малую часть промежутка. Соответствующее значение напряжения (U0) носит название начального напряжения зажигания разряда.
Искажения внешнего поля объемным зарядом лавин при положительном напряжении на стержне в промежутке стержень-плоскость. На графике сплошной линей обозначена напряженность неискаженного поля, а пунктиром суммарная напряженность поля.
При высоких значениях приложенного напряжения разряд в промежутке около электрода с малым радиусом кривизны проходит несколько стадий. Сначала возникают лавины, которые в зависимости от направления поля (в зависимости от полярности электрода) развиваются к электроду или от него. В результате разделения зарядов в лавинах, около электрода образуется избыточный объемный заряд одного знака, который создает собственное поле (рисунок выше), снижающее поле у электрода (эффект экранирования) и резко усиливающий поле в промежутке перед зарядом.
Если объемный заряд достигает некоторого критического значения, созданное им поле оказывается соизмеримым с внешним полем, при этом перед объемным зарядом напряженность может достигать сотни кВ/см, что обеспечивает там интенсивную ударную ионизацию и создание нового избыточного заряда. Процесс повторяется, и происходит возникновение новой стадии разряда — стримерной, при которой образуются светящиеся каналы, называемые стримерами. Эксперименты показывают, что стример представляет собой тонкий канал частично ионизованного газа, на переднем конце которого расположен избыточный заряд высокой концентрации, называемый головкой стримера. В поле этого заряда идет интенсивная ионизация, образуются лавины, что обеспечивает образование нового избыточного заряда и продвижение стримера в глубь промежутка в соответствии с направлением внешнего поля.
В резко-неоднородном поле размеры области, занятой разрядом, могут быть меньше длины промежутка, и она располагается вблизи электрода с малым радиусом закругления. Такой разряд называется коронным разрядом. Если он ограничен только лавинной стадией, то это — лавинная корона, если переходит в стримерную стадию, то это — стримерная корона.
Возникновение коронного разряда еще не означает пробоя промежутка, так как разрядная зона занимает его малую часть. Коронный разряд возникает при начальном напряжении, при этом в резко-неоднородном поле начальное напряжение меньше, чем в однородном. В однородном и слабо-неоднородном полях возникновение разряда обязательно приводит к пробою всего промежутка, и начальное напряжение равно пробивному. В резко-неоднородном поле может быть состояние, при котором стримеры достигают противоположного электрода, но пробоя промежутка не происходит, так как не происходит переход в искру. Для образования искры требуется повышение напряжения, чтобы хотя бы один из стримерных каналов превратился в искровой. В искровой стадии происходит резкое увеличение тока, сопровождающееся выделением тепла, газ в канале разогревается и начинается термическая ионизация. Все это соответствует искровому пробою промежутка.
В общем случае поэтапное развитие разряда начиная с электрода с малым радиусом кривизны облегчает продвижение разряда по сравнению с равномерным полем. Поэтому разрядное напряжение промежутков с резко-неоднородным полем существенно меньше чем промежутков с однородным полем. Средняя пробивная напряженность для промежутков с резко-неоднородным полем составляет 5-7 кВ/см.
Перечисленные стадии разряда могут иметь место в промежутках небольшой длины (от 1 до 40-50 см) и при давлениях газа порядка атмосферного.
В так называемых длинных промежутках, длина которых 0,5 м и более, или при повышенных (более атмосферного) давлениях газа разряд из стримерной стадии может перейти в лидерную стадию, характеризующуюся образованием мощного ярко светящегося плазменного канала, внутри которого температура газа достигает тысяч градусов, идет термическая ионизация газа и по которому протекает ток в десятки и сотни ампер. При этом в отличие от искры лидер в зависимости от приложенного напряжения может пройти лишь часть промежутка или пересечь весь промежуток, осуществляя полный пробой с переходом в дугу.
В промежутках с неоднородным электрическим полем критическое значение напряженности достигается сначала у электродов с малым радиусом кривизны, и разрядные явления происходят при сравнительно низкой средней напряженности поля в промежутке. В однородном и слабонеоднородном полях разряд происходит при средней напряженности, практически равной критической. Поэтому промежутки с однородным полем всегда имеют разрядные напряжения выше, чем промежутки той же длины с неоднородным полем.
Тип электрического поля
В зависимости от напряженности электрического поля и степени его неоднородности в газовом промежутке может установиться разная форма электрического разряда. При этом основные электрофизические процессы, приводящие к развитию разряда, во всех газах примерно одинаковы, меняется только их интенсивность.
Ф. Пик исследовал высоковольтные явления, начиная от миниатюрного коронного разряда, заканчивая гигантскими молниями.
На примере системы концентрических цилиндров Пик показал, что при резко неоднородном электрическом поле напряжение зажигания коронного разряда существенно ниже напряжения искрового пробоя межэлектродного промежутка (рис.3).
Пиком были получены формулы для расчёта напряжённости электрического поля E0 у коронирующего электрода и напряжения на межэлектродном промежутке U0 в момент зажигания коронного разряда в системе коаксиальных цилиндров:
,
где r0 – радиус внутреннего цилиндра, δ – относительная плотность среды в межэлектродном промежутке, δ
P, P – давление. Для атмосферного давления δ = 1;
,
где R – радиус внешнего цилиндра.
Развитие разряда в резко-неоднородных полях
Резко-неоднородное поле характерно для промежутков, создаваемых электродами типа игла-плоскость, провод-плоскость, а также стержень-плоскость или шар-плоскость при малом радиусе закругления шара и большом расстоянии между электродами. Особенностью резко-неоднородных полей являются высокие напряженности поля у электрода с малым радиусом закругления даже при сравнительно небольшом напряжении на промежутке. Это означает, что в этой области могут идти процессы ударной ионизации, возникать лавины электронов, и выполняться условие самостоятельности разряда, когда зона ионизации охватывает только малую часть промежутка. Соответствующее значение напряжения (U0) носит название начального напряжения зажигания разряда.
При высоких значениях приложенного напряжения разряд около электрода с малым радиусом кривизны проходит несколько стадий. Сначала возникают лавины, которые в зависимости от направления поля, т.е. в зависимости от полярности подаваемого на электрод напряжения, развиваются к электроду или от него. В результате разделения зарядов в лавинах, около электрода образуется избыточный объемный заряд одного знака с электродом (рис.3.10, b), который создает собственное поле (рис.), снижающее поле у электрода (эффект экранирования) и значительно усиливающий поле в промежутке перед зарядом.
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Влияние формы электрического поля и полярности электродов на разрядное напряжение
Явление пробоя газа зависят от степени однородности электрического поля, в котором осуществляется пробой. Электрические поля принято делить на однородные и неоднородные.
Однородным электрическим полем называется поле, в различных точках которого напряженность имеет одинаковые значения. Например, однородным является поле в средней части плоского конденсатора (Рис. 5.4, а).
Рис. 5.4. Распределение напряжённости поля в средней части воздушных промежутков с электродами различной формы
В таком поле пробой наступает практически мгновенно при достижении строго определенного напряжения, зависящего от температуры и давления газа. Однородным полям соответствует самая большая электрическая прочность газов.
В неоднородном поле напряженность в различных точках имеет неодинаковые значения. В электрических установках большинство полей является резконеоднородными. В таких полях напряженность между электродами в различных точках отличается более чем в три раза. Примером резконеоднородных полей могут служить поля между электродами острие-острие и острие-плоскость (Рис. 5.4, б, в), являющиеся аналогами реальных систем электродов провод-провод и провод-земля на воздушных линиях электропередачи.
В неоднородных полях электрическая прочность газов всегда ниже, чем в однородных. Это объясняется тем, что в неоднородных полях имеются места с повышенной напряженностью, где и начинается ударная ионизация при сравнительно небольших напряжениях на электродах. Чем меньше размеры электрода, тем больше около него напряженность электрического поля (рис. 5.4, в).
Рис. 5.5. Пояснение к отличию пробивных напряжений при положительной поляризации острия (а) и при отрицательной поляризации острия (б)
Итак, положительный объемный заряд способствует развитию разряда при положительном острие и затрудняет его при отрицательном. В результате разрядное напряжение при отрицательном острие примерно в 2 раза выше, чем при положительном. Это отличие разрядных напряжений получило название «эффект полярности».
Образовательный блог — всё для учебы
Резко-неоднородное поле характерно для промежутков, создаваемых электродами типа игла-плоскость, провод-плоскость, а также стержень-плоскость или шар-плоскость при малом радиусе закругления шара и большом расстоянии между электродами.
Особенностью резко неоднородных полей являются высокие напряженности поля у электрода с малым радиусом закругления даже при сравнительно небольшом напряжении на промежутке. Это означает, что в этой области могут идти процессы ударной ионизации, возникают лавины электронов, и условие самостоятельности разряда выполняется, когда зона ионизации охватывает только малую часть промежутка. Соответствующее значение напряжения (U0) носит название начального напряжения зажигания разряда.
На графике сплошной линей обозначена напряженность неискаженного поля, а пунктиром суммарная напряженность поля.
При высоких значениях приложенного напряжения разряд в промежутке около электрода с малым радиусом кривизны проходит несколько стадий. Сначала возникают лавины, которые в зависимости от направления поля (в зависимости от полярности электрода) развиваются к электроду или от него. В результате разделения зарядов в лавинах, около электрода образуется избыточный объемный заряд одного знака, который создает собственное поле (рисунок выше), снижающее поле у электрода (эффект экранирования) и резко усиливающий поле в промежутке перед зарядом.
Если объемный заряд достигает некоторого критического значения, созданное им поле оказывается соизмеримым с внешним полем, при этом перед объемным зарядом напряженность может достигать сотни кВ/см, что обеспечивает там интенсивную ударную ионизацию и создание нового избыточного заряда. Процесс повторяется, и происходит возникновение новой стадии разряда — стримерной, при которой образуются светящиеся каналы, называемые стримерами. Эксперименты показывают, что стример представляет собой тонкий канал частично ионизованного газа, на переднем конце которого расположен избыточный заряд высокой концентрации, называемый головкой стримера. В поле этого заряда идет интенсивная ионизация, образуются лавины, что обеспечивает образование нового избыточного заряда и продвижение стримера в глубь промежутка в соответствии с направлением внешнего поля.
В резко-неоднородном поле размеры области, занятой разрядом, могут быть меньше длины промежутка, и она располагается вблизи электрода с малым радиусом закругления. Такой разряд называется коронным разрядом. Если он ограничен только лавинной стадией, то это — лавинная корона, если переходит в стримерную стадию, то это — стримерная корона.
Возникновение коронного разряда еще не означает пробоя промежутка, так как разрядная зона занимает его малую часть. Коронный разряд возникает при начальном напряжении, при этом в резко-неоднородном поле начальное напряжение меньше, чем в однородном. В однородном и слабо-неоднородном полях возникновение разряда обязательно приводит к пробою всего промежутка, и начальное напряжение равно пробивному. В резко-неоднородном поле может быть состояние, при котором стримеры достигают противоположного электрода, но пробоя промежутка не происходит, так как не происходит переход в искру. Для образования искры требуется повышение напряжения, чтобы хотя бы один из стримерных каналов превратился в искровой. В искровой стадии происходит резкое увеличение тока, сопровождающееся выделением тепла, газ в канале разогревается и начинается термическая ионизация. Все это соответствует искровому пробою промежутка.
В общем случае поэтапное развитие разряда начиная с электрода с малым радиусом кривизны облегчает продвижение разряда по сравнению с равномерным полем. Поэтому разрядное напряжение промежутков с резко-неоднородным полем существенно меньше чем промежутков с однородным полем. Средняя пробивная напряженность для промежутков с резко-неоднородным полем составляет 5-7 кВ/см.
Перечисленные стадии разряда могут иметь место в промежутках небольшой длины (от 1 до 40-50 см) и при давлениях газа порядка атмосферного.
В так называемых длинных промежутках, длина которых 0,5 м и более, или при повышенных (более атмосферного) давлениях газа разряд из стримерной стадии может перейти в лидерную стадию, характеризующуюся образованием мощного ярко светящегося плазменного канала, внутри которого температура газа достигает тысяч градусов, идет термическая ионизация газа и по которому протекает ток в десятки и сотни ампер. При этом в отличие от искры лидер в зависимости от приложенного напряжения может пройти лишь часть промежутка или пересечь весь промежуток, осуществляя полный пробой с переходом в дугу.
В резконеоднородных полях напряжение пробоя всегда больше напряжения возникновения коронного разряда в любой форме.
Министерство образования и науки РФ
Ангарский государственный технический университет
ТЕХНИКА ВЫСОКИХ НАПРЯЖЕНИЙ
Учебное пособие
Для студентов, обучающихся по направлению подготовки
«Электроэнергетика и электротехника»
Л.Ф. Лисина. Техника высоких напряжений: учебное пособие для бакалавров по направлению «Электроэнергетика и электротехника».- Ангарск: АнГТУ, 2015. – 167с.
Учебное пособие предназначено для студентов, получающих степень бакалавра по направлению «Электроэнергетика и электротехника» по дисциплине «Техника высоких напряжений» Учебное пособие состоит из четырех глав, охватывающих основополагающие разделы курса «Техника высоких напряжений»:
электрические разряды в диэлектрических средах; внешняя изоляция, внутренняя изоляция, изоляционные конструкции оборудования высокого напряжения; молниезащита и грозовые перенапряжения, внутренние перенапряжения, координация изоляции; методы испытания и диагностики изоляции.
Изложение материала базируется на основных положениях курсов общей физики, теоретических основ электротехники, электротехнических материалов. Изложение материала произведено с учетом последних достижений в рассматриваемых областях, а содержание соответствует утвержденным стандарту и программам подготовки бакалавров по направлению «Электроэнергетика и электротехника».
Рецензенты: главный энергетик НПЗ ОАО «АНХК» А.В.Рогожин;
к.т.н., доцент кафедры ПЭ и ВТ Ангарской государственной технической академии А.Д. Пудалов
Рекомендовано учебно-методическим советом факультета технической кибернетики Ангарской государственной технической академии в качестве учебного пособия для бакалавров по направлению «Электроэнергетика и электротехника». Учебное пособие может быть использовано в системе повышения квалификации специалистов, работающих в области электроэнергетики и для инженерно-технического персонала, занятого в эксплуатации высоковольтного электрооборудования.
Ангарская государственная техническая академия
О Г Л А В Л Е Н И Е
Техника высоких напряжений имеет очень широкий спектр применений во многих областях современной индустрии. Важное место она занимает в развитии электроэнергетики России ХХI века для передачи все возрастающих мощностей электрической энергии на большие расстояния и обеспечения стабильной работы электроэнергетических систем. Основное преимущество высокого напряжения при электропередаче состоит в увеличении передаваемой мощности, которая возрастает пропорционально квадрату номинального напряжения. В связи с этим большое значение приобретают вопросы создания нового и совершенствования существующего комплекса высоковольтного оборудования, предназначенного для генерирования, передачи и распределения электрической энергии: генераторов, трансформаторов, конденсаторов, изоляции линий электропередачи и подстанций.
Высокое напряжение используется в электрофизических установках для решения задач мощной импульсной энергетики: ускорителях пучков заряженных частиц, мощных лазерах, установках управляемого термоядерного синтеза. Применяется в технологических процессах, таких как электросепарация, элекрофильтрация, электроокраска, магнитоимпульсная обработка, электрогидравлическая штамповка, плазмохимия, получение озона. Особая роль принадлежит такой быстроразвивающей области нанотехнологии, как синтез наноструктурных материалов с новыми свойствами. Синтез таких материалов проводится в специальных установках при воздействии концентрированных потоков энергии в виде потоков плазмы и пучков заряженных частиц, основным узлом которых является высоковольтный импульсный генератор.
В связи с этим изучение дисциплины «Техника высоких напряжений» приобретает все возрастающую важность.
Глава 1. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ РАЗРЯДЫ В ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СРЕДАХ
1.1. Электрические разряды в газах
Газовые разряды в зависимости от давления, конфигурации электродной системы, мощности источника питания подразделяются на коронный, тлеющий, искровой, дуговой и т. д. Разряды в газах зажигаются благодаря ионизационным взаимодействиям электронов и гамма-квантов с атомами и молекулами газа, приводящих к генерации и умножению электронов и ионов, их локализации и образованию плазмы.
1.1.1. Виды электрических полей
Многообразие видов электрических полей подразделяется на однородные, слабонеоднородные, резконеоднородные. Типичными примерами однородного поля является поле между двумя плоско-параллельными электродами с закругленными краями. Слабонеоднородное поле образуется в сферической системе электродов при расстоянии между электродами S меньше диаметра шара D (S /D). Резконеоднородное поле имеет место в электродной системе, когда один или оба электрода имеют малый радиус кривизны – острие–плоскостьилиострие–острие. Степень неоднородности электрического поля между электродами характеризуется коэффициентом неоднородности Кн, который равен отношению максимальной напряженности Емакс к средней напряженности Еср поля между электродами:
. (1.1)
Средняя напряженность есть отношение напряжения, приложенного к электродам U, к расстоянию между электродами S:
. (1.2)
Максимальная напряженность зависит от геометрии электродов и расстояния между ними.
Для однородного поля коэффициент неоднородности Кн=1, для слабонеоднородного Кн£3, для резконеоднородного Кн > 3.
Кроме этого, различают симметричную и несимметричную форму включения электродов.
Симметричная форма: электроды имеют одинаковую форму, размеры и ни один из них не имеет заземления (рис. 1, а).
электроды имеют отличающуюся конфигурацию, размеры или один из них заземлен (рис. 1.1, б).
Рис. 1.1. Формы электрических полей:
а – симметричная форма электродов; б – несимметричная форма электродов
1.1.2. Виды ионизации
В отсутствие внешнего электрического поля атомы и молекулы газа находятся в состоянии хаотического (теплового) движения, постоянно сталкиваясь с другими частицами. Если на единице длины пути частица испытала 
столкновений, то средняя длина ее свободного пробега l равна:
(1.3)
Значение параметра l зависит от концентрации частиц и, следовательно, от давления и температуры газа. С увеличением давления и уменьшением температуры l уменьшается. Частицы газа при тепловом движении перемещаются беспорядочно. Наличие внешнего электрического поля приводит к возникновению направленного движения заряженных частиц, т. е. к появлению в газе электрического тока.
При рассмотрении процессов возникновения и исчезновения свободных заряженных частиц в газе можно считать электроны частицами и не учитывать их волновые свойства. Когда электроны атомов находятся на ближайших к ядру орбитах, потенциальная энергия атома минимальна, и такое состояние атома является устойчивым. Переход одного или нескольких электронов с орбит, близких к ядру, на более удаленные от ядра называется возбуждением атома. Энергию, необходимую для возбуждения, атом (молекула) может получить при столкновении с электроном или при поглощении коротковолнового излучения (фотовозбуждение).
Время пребывания атома в возбужденном состоянии составляет величину порядка 
с. Возвращение атома в устойчивое состояние происходит самопроизвольно и часто сопровождается излучением фотона.
Когда электрон удаляется от ядра настолько, что взаимодействие его с ядром практически исчезает, то электрон становится свободным. Происходит ионизация атома, в результате которой образуется две независимые частицы: электрон и положительный ион. Энергия, необходимая для осуществления акта ионизации, называется энергией ионизации. Энергия возбуждения и ионизации выражается в электронвольтах (эВ). Минимальные энергии возбуждения и ионизации некоторых газов приведены в табл. 1.1.
Минимальная энергия возбуждения и ионизации некоторых газов
Минимальная энергия, эВ
Одновременно с ионизацией атомов и молекул газа происходит процесс взаимной нейтрализации заряженных частиц – рекомбинация. Вследствие действия двух противоположных факторов – ионизации и рекомбинации – устанавливается равновесное состояние, при котором в единицу времени возникает и рекомбинирует определенное количество заряженных частиц.
Это равновесное состояние характеризуется определенной степенью ионизации газа ψ, которая определяется отношением концентрации ионизированных частиц n к общей концентрации частиц N:
. (1.4)
Плазма – это частично или полностью ионизованный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы.
При столкновении электрона с нейтральным атомом или молекулой возможны захват ими электрона и образование отрицательного иона.
Газы, в которых возможно образование отрицательных ионов, называются электроотрицательными(кислород, хлор, пары воды и др.), а газы, в которых отрицательные ионы не образуются, – электроположительными (азот, гелий).
Если к промежутку между электродами в газе приложено напряжение, то заряженные частицы, кроме тепловой скорости, приобретают под действием электрического поля направленную скорость. Если электрическое поле велико, то при этом кинетическая энергия частиц может превысить тепловую энергию и стать достаточной для ударной ионизации атомов. Энергия электронов и ионов WE, приобретенная от поля, определяется как:
(1.5)
где e – элементарный заряд; E – напряженность электрического поля; l – средняя длина свободного пробега пути частицы
Условие ионизации может быть записано в виде
, (1.6)
m – эффективная масса заряженной частицы; V – скорость движения заряженных частиц; Wи – энергия ионизации нейтрального атома или молекулы.
Так как скорость электронов значительно больше скорости ионов, то ударная ионизация ионами, несмотря на их большую массу, малоэффективна и определяющей является ионизация электронным ударом.
Различают объемную ионизацию и эмиссию заряженных частиц с поверхности электродов (поверхностную ионизацию).
Объемная ионизация – совокупность различных ионизационных процессов в межэлектродном пространстве.
Эмиссия – испускание заряженных частиц поверхностью электродов.
Объемная ионизация, в свою очередь, подразделяется на следующие виды:
1) ударная ионизация электронами;
2) ступенчатая ионизация электронами;
Ударная ионизация – образование иона при соударении электрона с нейтральными атомом или молекулой (рис. 1.2, а).
Ступенчатая ионизация происходит тогда, когда энергия первого воздействующего на нейтральный атом или молекулу электрона приводит частицу только в возбужденное состояние, т. е. недостаточна для ионизации. Воздействие следующего электрона (одного или нескольких) на возбужденный атом или молекулу приводит к ионизации (рис. 1.2, б). Время между воздействием первого и последующего электронов должно быть не более времени нахождения нейтрального атома или молекулы в возбужденном состоянии.
Для осуществления фотоионизации в объеме газа энергия фотонов, образованных в результате воздействия, например, космического или тормозного излучения, должна быть больше энергии ионизации при поглощении фотона нейтральным атомом или молекулой (рис. 1.2, в). Фотоионизация возможна в ступенчатой форме.
Рис. 1.2. Схемы объемной ионизации газа
Термоионизация обусловлена тепловым состоянием газа и может происходить в результате: освобождения электрона при соударениях между атомами и молекулами при высоких температурах; фотоионизации нейтральных атомов и молекул, возбужденных в результате тепловых взаимодействий при высоких температурах; ионизации при столкновении электрона с нейтральным атомом или молекулой при высоких температурах. В газах при тепловом движении диссоциация молекул происходит при меньшей энергии, чем ионизация.
В табл. 1.2 в качестве примера приведены энергии диссоциации и ионизации для некоторых газов.
Энергия диссоциации и ионизации некоторых газов
| Молекула | Энергия диссоциации, эВ | Атом | Энергия ионизации, эВ |
| О2 | 5,17 | O | 13,6 |
| N2 | 9,77 | N | 14,5 |
Эмиссия заряженных частиц с поверхности осуществляется за счет:
а) бомбардировки поверхности катода положительными ионами (вторичная эмиссия) (рис. 1.3, а);
б) облучения катода ультрафиолетовым светом, рентгеновским или более коротковолновым излучением (фотоэмиссия) (рис. 1.3, б);
в) нагрева поверхности катода – термоэлектронная эмиссия (рис. 1.3, в);
г) воздействия внешнего электрического поля – автоэлектронная или холодная эмиссия (рис. 1.3, г).
Рис. 1.3. Схема различных видов эмиссии: при условии
а) 
; б) 
; в) 
; г) 
Для реализации эмиссии необходимо, чтобы энергия воздействия на поверхность катода была больше энергии выхода электрона из катода Wвых. Энергия Wвых ниже энергии ударной ионизации примерно в
2 
10 раз. Для медных и стальных электродов в воздухе Wвых » 4,5 эВ.
1.1.3. Лавина электронов
Если в газе между двумя электродами появляется свободный электрон, то, набирая энергию при движению к аноду, согласно условию (1.5), он может ионизировать атом или молекулу газа при столкновении. В результате этого многократно повторяющегося процесса появляются новые свободные электроны, число которых непрерывно растет. В результате образуется лавина электронов.
Рис. 1.4. Схема определения числа электронов в лавине
Интенсивность размножения электронов в лавине характеризуется коэффициентом ударной ионизации a, который равен числу ионизаций, производимых электроном на единице длины пути по направлению электрического поля.
При развитии лавины одновременно с электронами образуются положительные ионы. Подвижность ионов значительно меньше, чем электронов, и за время развития лавины они практически не успевают переместиться в промежутке к катоду. Таким образом, после прохождения лавины электронов в газе остаются положительные, а в электроотрицательных газах и отрицательные ионы, которые искажают (уменьшают или увеличивают) внешнее электрическое поле в промежутке.
Для описания процесса образования электронной лавины необходимо определить число электронов в лавине. Предположим, что из катода за счет воздействия внешнего ионизатора эмитируется n0 электронов. На расстоянии Х от катода число электронов возросло до n (рис. 1.4).
Увеличение числа электронов на пути d х будет равно:
(1.7)
или 
(1.8)
Интегрируя (1.8) по n от 1 до n и по x от 0 до x, получим:
(1.9)
В однородном поле, где коэффициент ударной ионизации a = const, т. к. напряженность в любой точке промежутка одинакова, будем иметь:
, или 
. (1.10)
Выражение (1.10) дает значение электронов в лавине без учета их прилипания к нейтральным атомам и молекулам.
Прилипание – это процесс захвата нейтральной частицей электрона с образованием отрицательного иона. Это явление характеризуется коэффициентом прилипания h. Тогда число электронов в лавине с учетом прилипания и условия n0 больше 1 будет равно:
. (1.11)
После прохождения первой лавины в промежутке лавинный процесс может возобновиться, а может и затухнуть. Для возобновления развития лавины нужен хотя бы один вторичный эффективный электрон. Эффективным называется электрон, способный к осуществлению ионизационного размножения. Если этот электрон появляется от внешнего ионизатора, то разряд называется несамостоятельным. То есть в отсутствие внешнего ионизатора развитие лавины не возобновится и разряд погаснет. Если же вторичный, эффективный электрон возникает в результате прохождения первичной лавины, разряд называется самостоятельным. Несамостоятельный разряд может перейти в самостоятельный, если увеличить приложенное к электродам напряжение.
При самостоятельной форме разряда развитие лавины возобновляется, поскольку первичная и последующие лавины создают условия для их возобновления. Эти условия состоят в следующем:
1. Возбужденные атомы и молекулы, образующиеся наряду с ионизацией, испускают фотоны, которые могут приводить к фотоионизации или к фотоэмиссии электронов из катода. Вторичные электроны могут образовывать лавины в разрядном промежутке.
2. Оставшиеся после прохождения лавины положительные ионы, двигаясь к катоду, бомбардируют его и вызывают вторичную эмиссию электронов из катода.
Количество положительных ионов 
, оставшихся в промежутке после прохождения лавины, равно количеству электронов в лавине, исключая начальный электрон, т. е.:
(1.12)
Стримерная теория газового разряда основана на представлении о прорастании между электродами плазменного канала – стримера. Стример представляет собой светящийся слабоионизованный тонкий канал, который образуется в результате слияния электронных лавин и распространяется в ту или другую, или в обе стороны к электродам. Рассмотрим несколько подробнее переход от лавинной формы разряда к стримерной.
В ходе развития лавины непрерывно увеличивается число электронов и положительных ионов. С увеличением числа электронов в головке лавины возрастает напряженность на фронте лавины. Критерием перехода лавинного разряда в стримерный (лавинно-стримерный переход) является критическое число электронов в лавине. Расчеты показывают, что при числе электронов nкр³10 7 …10 9 лавина переходит в стример. Для накопления такого количества электронов лавина должна пройти определенное критическое расстояние хкр. Необходимо отметить, что хкрзависит от давления газа и его состава.
Когда лавина, развивающаяся от катода, достигнет критической длины хкр, напряженность электрического поля в ее хвосте недостаточна, чтобы электроны могли производить ионизацию, тогда образуется стример. А на фронте лавины поле значительно усиливается и становится возможной фотоионизация в объеме (рис. 1.5). Вторичные лавины, следуя вдоль силовых линий поля и имея на головке избыточный отрицательный заряд (электроны), втягиваются в область положительного объемного заряда, оставленного первичной лавиной. Электроны вторичных лавин смешиваются с положительными ионами первичной лавины и образуют стример – область с наибольшей плотностью тока, которая, разогреваясь, начинает светиться.
Рис. 1.5. Механизм развития положительного стримера:
1 – анод; 2 – канал стримера; 3 – лавины; 4 – фотоны; 5 – электрон,
появившийся за счет фотоионизации
Стримерная форма разряда в коротких промежутках завершается, когда стримеры замыкают промежуток, в результате образуется искровой канал.
1.1.5. Искровой разряд
Если постепенно увеличивать напряжение между двумя электродами, находящимися в атмосферном воздухе, то возникает искровой разряд. Электрическая искра имеет вид ярко светящегося канала, соединяющего оба электрода, который обычно бывает разветвлен. Искровой разряд возникает в том случае, если электрическое поле в газе достигает некоторого определенного значения Ек – критическая напряженность поля или напряженность пробоя, которая зависит от рода газа и его состояния. Значение Ек возрастает с увеличением давления. Отношение критической напряженности поля к давлению p для конкретного газа остается приблизительно постоянным в широкой области изменения давлений:
. (1.14)
Напряжение пробоя понижается при воздействии на газ внешнего ионизатора. Если приложить к газовому промежутку напряжение, несколько меньшее пробивного, и внести в пространство между электродами зажженную газовую горелку, то возникает искровой разряд. Такое же действие оказывает и освещение отрицательного электрода излучением ультрафиолетовой области спектра, инжекция электронного пучка в разрядный промежуток, а также другие ионизаторы.
, (1.15)
где r – удельное сопротивление канала;
S – сечение канала (10 –8 …10 –7 м –2 ).
Расчеты показывают, что сопротивление канала искрового разряда длиной 10 –2 м имеет порядок 10 4 …10 5 Ом. Если внутреннее сопротивление генератора много меньше этого значения, то напряжение на промежутке после замыкания его стримером близко к начальному. Спад напряжения при одновременном росте тока в цепи происходит из-за снижения сопротивления канала вследствие его расширения и роста проводимости плазмы.
Процессы в искровом разряде достаточно сложны: вначале ионизация распространяется по оси канала в виде волны (волна ионизации) со скоростью более 10 8 см/с, затем рост концентрации электронов происходит однородно по длине. Эти процессы описываются моделью Ромпе–Вайцеля, по которой сопротивление канала
(1.16)
где R –сопротивление канала;
a – постоянная, зависящая от давления газа;
Выполнение условия самостоятельности разряда (1.13) в однородном поле означает пробой всего промежутка. Приняв h = 0 и приравняв (1.13) единице, получим:
(1.17)
. (1.18)
Прологарифмируем (1.18) и преобразуем относительно a:
(1.19)
Экспериментально установлено, что
a = АР 
, (1.20)
где Р – давление; Е – напряженность электрического поля; А – коэффициент, зависящий от состава газа:
, (1.21)
где r – радиус молекул; К – постоянная Больцмана; Т – температура в градусах Кельвина; В – коэффициент, зависящий от энергии ионизации газа, причем В = А × Uи, где Uи – потенциал ионизации газа.
Приравняв выражение для a (1.19) и (1.20), получим:
(1.22)
Подставив в (1.22) Е = U / S, имеем:
(1.23)
Прологарифмируем (1.23), тогда:
(1.24)
Поскольку нас интересует напряжение, при котором произойдет пробой, приравняем U = Uпр. Тогда из (1.23) получим:
. (1.25)
Из (1.24) видно, что разрядное напряжение в однородном поле является функцией произведения давления Р на расстояние между электродами S, т. е.
Выражение (1.26) графически представлено на рис. 1.6 и называется законом Пашена.
Вид этой зависимости можно объяснить исходя из физических представлений. При S = const увеличение давления больше значения, соответствующего минимуму, приводит к увеличению числа столкновений электрона с нейтральными атомами и молекулами и, как следствие, к уменьшению его энергии, накапливаемой на длине свободного пробега. Следовательно, для возникновения ударной ионизации необходимо увеличение напряжения Uпр.
С другой стороны, при давлениях меньших, чем значение, соответствующее минимуму, увеличивается длина свободного пробега и накапливаемая электроном энергия, но уменьшается количество столкновений, что уменьшает вероятность ударной ионизации. Для ее увеличения необходимо, чтобы как можно большее число столкновений заканчивалось ионизацией. Для этого необходимо увеличивать энергию электрона на длине свободного пробега, т. е. увеличивать Uпр.
Экспериментальная кривая Пашена отличается от полученной расчетом как в области очень малых значений Р S, так и в области очень больших значений Р S.
В области очень малых значений Р S отличие объясняется приближением к вакуумному пробою, при котором основную роль играют процессы на поверхности электродов, а не в объеме газа.
Рис. 1.6. Зависимость Uпр = f(PS)
Следствием закона Пашена являются способы повышения пробивного напряжения газов: необходимо или увеличение давления выше атмосферного, или уменьшение давления до значений меньших, чем давление, соответствующее минимуму, вплоть до вакуума.
В однородном поле при атмосферном давлении прочность воздуха составляет 30 кВ/см,а минимальное значение Uпр 
300 В.
1.1.7. Разряд в неоднородных полях
В неоднородном поле, в отличие от однородного, напряженность поля в различных точках промежутка разная по величине и/или по направлению. К типичным промежуткам с неоднородным полем относятся острие–острие, острие–плоскость, провод–земля, тороид–плоскость и многие другие реальные изоляционные промежутки. В них имеется точка на электроде, напряженность в которой превышает напряженность в остальных точках промежутка.
Рис. 1.7. Зависимость напряженности электрического поля от расстояния между электродами типа стержень–плоскость:
1 – ЕСР = f(S); 2 – Е = f(S); 3 – Е * – возникновение самостоятельной формы разряда
В резконеоднородных полях напряжение пробоя всегда больше напряжения возникновения коронного разряда в любой форме.
1.1.8. Лидерный разряд в длинных промежутках
В длинных промежутках (десятки–сотни сантиметров и более) и резконеоднородных полях (коэффициент неоднородности поля Кн ³ 3) возникает лидерный разряд. От активного электрода из области сильного поля по траектории, прокладываемой предшествующими стримерами (стримерной короной), прорастает канал, проводимость которого на 2–3 порядка выше, чем у стримера.
Рис. 1.8. Схема лидера, прорастающего от положительного острия.
Структурные элементы: 1 – канал лидера;
2 – головка; 3 – стримерная корона;
4 – стримеры чехла; 5 – лавина, втягивающаяся
в головку стримера (показана только одна
лавина у одного из многочисленных стримеров);
А – анод; К – катод
Этот разрядный канал, получивший название лидер, представляет собой волну ионизации, которая движется по подготовленной стримерами траектории со скоростью 10 8 …10 9 см/с. После того как лидер «догоняет» стримерный канал, происходит его остановка и расширение с одновременным снижением яркости свечения за счет уменьшения интенсивности рекомбинации. Высокая проводимость лидерного канала обеспечивает вынос потенциала на его головку, высокую напряженность поля, интенсивную ионизацию и непрерывное развитие стримеров. По мере прогрева одного из них по нему развивается следующая волна ионизации – ступень лидера. Структура лидера показана на рис. 1.8. Диаметр канала вблизи головки 
см. Сам лидерный канал оказывается окруженным «чехлом» пространственного заряда.
Основной причиной образования лидера в воздухе, т. е. условием стримерно—лидерного перехода, является повышение температуры газа, приводящее к термической ионизации. Ток нагревает канал лидера до нескольких тысяч градусов.
Завершая рассмотрение лидерного процесса, укажем на сходства и различия двух плазменных образований – стримера и лидера. Лидер и стример – плазменные каналы, распространяющиеся во внешнем поле межэлектродного промежутка. Проводимости каналов сопоставимы, различаясь не более чем на один-два порядка. Плазма стримера склонна к потере проводимости, особенно в воздушных промежутках, плазма лидера – нет.
Молния – как форма газового разряда. Грандиозной формой газового искрового разряда является молния. Она представляет собой лидерный разряд, при котором в качестве электродов разрядной системы выступают заряженное облако и Земля или два заряженных облака. Для образования молнии, как и осуществления любого разрядного процесса, необходимо наличие электрического поля. Электрическое поле в атмосфере Земливозникает в результате образования и пространственного разделения положительных и отрицательных зарядов за счет восходящих и нисходящих потоков в воздухе. Если поле между облаками или между облаком и землей достигает значения, достаточного для пробоя воздуха, происходит разряд. При хорошей погоде напряженность электрического поля у поверхности Земли в среднем составляет 100…150 В/м. Поверхность Земли заряжена отрицательно, а ионосферы – положительно. Значения удельного сопротивления воздуха у поверхности океана находятся в пределах – 
Ом·м, поэтому плотность тока в атмосфере достаточно мала – 3·10 –12 А/м 
.
Электризация в грозовом облаке. Первая научная гипотеза образования грозового облака была сформулирована М.В. Ломоносовым в далеком 1753 г. Согласно этой теории, которая актуальна и по сей день, грозовое облако образуется в процессе быстрого перемещения воздуха в вертикальном направлении и конденсации содержащейся в нем влаги при его охлаждении. Содержащиеся в облаке капли воды поляризуются в электрическом поле Земли и представляют собой диполи. Так как электрическое поле направлено к Земле, то на нижних частях капель накапливается положительный, а на верхних – отрицательный заряд. При падении тяжелых капель положительные ионы воздуха отталкиваются, а отрицательные ионы захватываются такими каплями. Поэтому капли оказываются заряженными отрицательно. Мелкие капли, увлекаемые восходящим потоком, наоборот, заряжаются положительно. В результате нижняя часть облака оказывается заряженной отрицательно, а верхняя – положительно. Поэтому грозовое облако можно представить в виде большого диполя с зарядом, равным примерно 25 Кл. Измерения показали, что центр положительного заряда грозового облака находится на высоте 2…3 км, где температура составляет от 0 до –20 ºС.
Грозовой разряд. Для возникновения грозового разряда необходимо, чтобы напряженность электрического поля в некоторой области достигла нескольких киловольт на сантиметр. В зависимости от того, где возникает указанная напряженность, различают два вида молнии – нисходящая и восходящая. Если напряженность имеет место внутри облака, то возникает внутриоблачный разряд или разряд на Землю – нисходящая молния. Если напряженность поля сильно искажается у поверхности Земли, например высокими башнями или антеннами, то возникает молния, развивающаяся от Земли к облаку – восходящая молния. Световая вспышка молнии длится в среднем 200 мс. Она состоит из нескольких импульсов по 10 мс с интервалами примерно по 40 мс. Каждый импульс начинается с прорастания от облака к Земле лидерного канала.
|
Светится канал слабо, за исключением головной части. Лидер переносит отрицательный заряд (из отрицательного облака), при этом течет ток порядка 100 А. По мере приближения к Земле канал начинает разветвляться, пути ветвей имеют зигзагообразный характер. Когда основной лидер достигает Земли, по его пути с огромной скоростью порядка 0,1–0,3 скорости света распространяется ярко светящийся канал – обратная волна. Это явление называется возвратным ударом или главной стадией молнии. Ток молнии при этом достигает максимальной величины порядка 200 кА.
Дата добавления: 2019-09-13 ; просмотров: 939 ; Мы поможем в написании вашей работы!