условия самостоятельного разряда в однородном поле

3. Условие самостоятельности разряда в однородном поле.

В промежутке между электродами непрерывно возникают свободные электроны, так как постоянно действуют внешние ионизаторы (космические частицы, радиоактивное излучение Земли, ультрафиолетовое излучение солнца). Под действием приложенного к промежутку напряжения в нем непрерывно будут образовываться лавины электронов. Движение заряженных частиц в промежутке создает ток разряда между электродами. Если исключить действие внешнего ионизатора, ток в промежутке прекращается.

Несамостоятельный разряд – разрядный процесс, для поддержания которого необходим внешний ионизатор.

Самостоятельный разряд – разряд способный существовать в отсутствие внешнего ионизатора.

Для возникновения самостоятельного разряда необходимо, чтобы в результате ушедшего электрона появился по крайней мере один вторичный электрон, способный создать новую лавину. Вторичных электронов могут быть созданы в результате фотоионизазии с катодаи и фотоионизации в объеме газа.

Рассмотрим вторичную ионизацию, осуществляемая «+» ионами.

Пусть в лавине, прошедшей расстояние x, содержится n электронов. На пути dx каждый из них произведет ndx ионизаций, поэтому увеличение числа электронов в лавине на пути dx:

n=

Таким образом, в однородном поле число электронов в лавине нарастает по экспоненциальному закону со скоростью, которая определяется коэффициентом ударной ионизации α.

После того как лавина пересечет весь промежуток, она будет содержат электронов иионов. Обозначим черезγ – коэффициент вторичной ионизации. Тогда число вторичных электронов, освобожденных из катода положительным ионами равно:

Для того чтобы взамен каждого улетевшего с катода электрон был создан новый необходимо выполнить условие:

При этом условии ток в промежутке протекает неограниченно долгое время.

4.Пробивное напряжение газа в однородном поле. Закон Пашена.

В случае однородного поля условие самостоятельности разряда является условием пробоя промежутка, поэтому оно может быть использовано для определения пробивного напряжения. Перепишем условия:

, где γ –обобщенный коэффициент вторичной ионизации.

Для определения пробоя напряжения необходимо выполнить условие αх=const. Это означает, что для пробоя промежутка каждый электрон на пути между электродами осуществить определенное количество ионизаций равное числу К.

Закон Пашена: при неизменной температуре пробивное напряжение газа в однородном поле является функцией произведения давления на расстояние между электродами.

При постоянном давлении Епр тем выше, чем меньше расстояние между электродами.

Увеличение относительной прочности при уменьшении толщины характерно не только для газовых, но и для твердых и жидких диэлектриков. Это свойство часто используется для уменьшения габаритов изоляционных конструкций.

5.Развитие разряда в неоднородном поле.

Особенность поля- неравномерное распределение напряженности в пространстве. Наибольшая напряженность электрода у острия.

Степень неоднородности характеризуется отношением:

При электрическое поле относится к слабонеоднородным;

При электрическое поле – резконеоднородное.

При электрическое поле –однородное.

При увеличении напряжения возникает коронный разряд.

Коронный разряд – самостоятельный разряд, возникающий в резконеоднородных полях, в которых ионизационные процессы могут происходить только в узкой области вблизи электродов.

В областях с малой напряженностью форма короны лавинная. При увеличении напряжения лавинная корона переходит в стримерную. По мере увеличения длины стримера напряженность поля в головной части уменьшается из-за падения напряжения в канале.

При приближении лидера к аноду напряженность непробитой части резко увеличивается. Далее усиление процесса ионизации в непробитой части. За счет усиления ионизации канал непробитой части превращается в канал невысокой плотности причем плотность данной ионизированной части больше плотности лидера. В результате образует обратный или главный разряд, который напрвлен к катоду. Скорость разряда равна 10 7 м/c. В результате происходит пробой промежутка.

Источник

Образовательный блог — всё для учебы

Лавина электронов и условие самостоятельности разряда
Разряд в газе начинается с того, что свободные электроны, всегда в некотором количестве имеющиеся в газе, под действием приложенного напряжения приобретают энергию достаточную для ударной ионизации. Если при столкновении электрона с нейтральной молекулой происходит ионизация, то образуется еще один электрон, который так же может ионизовать, и процесс приобретает лавинный характер.
Действительно, пусть n — концентрация электронов. Тогда на пути dx в электрическом поле в результате ионизации образуется dn новых электронов

Общее число электронов в лавине на пути dx получается интегрированием (1):

где n₀ — начальная концентрация электронов.

Выражение (2) справедливо в однородном электрическом поле. В неоднородном поле, в котором напряженность в промежутке меняется по пути движения лавины,
n = n₀exp∫αdx
При ионизации образуются не только электроны, но и положительные ионы, обладающие малой по сравнению с электронами подвижностью, поэтому по мере движения лавины к аноду в ней происходит процесс разделения зарядов. Электроны уходят на анод, а положительные ионы, подходя к катоду, создают там новые электроны за счет вторичной ионизации. Эти вторичные электроны также могут создавать лавины. Если интенсивность вторичной ионизации слабая и для поддержания воспроизводства электронов требуется действие внешнего ионизатора, то такой разряд называется несамостоятельным.

В случае, если процессы ионизации развиваются и при прекращении действия внешнего ионизатора, то образуется самостоятельный разряд.

Условие перехода разряда в самостоятельный процесс носит название условия самостоятельности разряда Таунсенда и может быть пояснено следующим образом.

Пусть в результате процессов ударной ионизации в промежутке между электродами формируется лавина электронов, которые под действием поля движутся к аноду. Соответственно положительные ионы движутся к катоду и выбивают вторичные электроны.

Для того, чтобы разряд поддерживался без действия внешнего ионизатора, нужно, чтобы процессы вторичной ионизации, сопровождающие прохождение лавин, обеспечивали возникновение новых лавин. Это означает, что каждая лавина начинающаяся с одного электрона должна обеспечить возникновение хотя бы одного вторичного электрона, дающего начало новой лавине.

Если коэффициент γ дает число электронов выбиваемых из катода одним положительным ионом, то величина γ[exp(αd)-1], где d — межэлектродное расстояние, обозначает число вторичных электронов образовавшихся в результате прохождения единичной первичной лавины. Так как первичная лавина началась с одного электрона, то для воспроизводства лавин число вторичных электронов должно быть не меньше единицы. Таким образом условие самостоятельности разряда имеет вид

Так как обычно exp(αd)>>1, то (3) можно упростить:

Так как на катод приходят и выбивают вторичные электроны не только положительные ионы, но и возбужденные метастабильные молекулы и фотоны, то в (3) под γ понимаются все процессы образования вторичных электронов на катоде. В более общем случае вторичная ионизация должна учитывать и процессы в объеме газа, такие как, например, фотоионизация в объеме. Тогда уравнение (2) принимает более универсальную форму, применимую и в случае, когда процессы на катоде вообще не принимают участия в развитии разряда, как это имеет место в резко-неоднородных полях.

Искровой разряд. Закон Пашена.
При γ exp(αd) ≥ 1 ионизация, вызываемая последовательными лавинами, носит нарастающий характер, ток возрастает, что приводит к образованию искрового разряда, или искрового пробоя, при котором возникает тонкий проводящий канал, замыкающий промежуток. Напряжение, при котором для однородного поля выполняется условие (3), носит название пробивного напряжения. Так как и α/р, и γ зависят от напряженности поля Е/р, а напряженность определяется приложенным напряжением U и длиной разрядного промежутка d, то для однородного поля можно вывести уравнение зависимости пробивного напряжения от произведения р_d вида U_пр = f(pd), которое носит название закона Пашена.

где A и B — постоянные, характеризующие газ.

Эксперименты для разных газов дают хорошее совпадение с такой зависимостью.

В полном соответствии с этой формулой и экспериментальными данными получено простое уравнение для расчета пробивного напряжения в воздухе при давлении, близком атмосферному

где р — давление газа, атм; d — расстояние между электродами, см; U — в кВ.

При большой мощности источника напряжения, по каналу искры начинает протекать большой ток, что приводит к разогреву канала и возникновению в нем термической ионизации. Сопротивление канала резко падает, ток еще более возрастает, и возникает дуговой разряд, при котором ток может превышать сотни ампер.

Источник

Развитие разряда в однородном поле

Условие самостоятельности разряда в однородном поле. Возникновение лавины и даже пересечение ею всего межэлек­тродного промежутка не означает еще пробоя промежутка и превраще­ния в самостоятельный разряд. Канал лавины заполнен положитель­ными ионами и их движение к катоду создаёт некоторый ток, однако ток прекращается, как только все ионы достигнут катода. Для возоб­новления тока необходимо образование нового электрона и, если этот электрон может быть создан только внешним ионизатором, разряд ос­таётся несамостоятельным. Ток будет иметь характер отдельных им­пульсов, частота которых зависит от интенсивности внешнего иониза­тора. Для перехода в самостоятельный разряд необходимо создание новых электронов за счёт процессов, происходящих в промежутке до того, как лавина пройдет весь промежуток. Эти электроны называют вторичными. Искажение поля лавиной создаёт для этого благоприят­ные условия. Вторичные электроны могут быть созданы в результате:

— бомбардировки катода положительными ионами, созданными лавиной;

— фотоионизации на катоде, осуществляемой излучением началь­ной лавины;

— фотоионизации в объёме за счёт излучения начальной лавины.

При пониженных давлениях ионизация ионами на катоде идёт до­вольно интенсивно, однако при атмосферном давлении скорость ионов мала и степень ионизации на катоде уменьшается, так как требуется очень большое время (5 мкс) для пересечения ионами промежутка. Фотоио­низация на катоде не требует такого большого времени, так как фотоны распространяются со скоростью света. Однако при повышении давле­ния эффективность фотоионизации на катоде должна уменьшаться вследствие того, что фотоны поглощаются молекулами и рассеиваются в окружающее пространство. Фотоионизация в объёме происходит с большими энергиями, поэтому необходимы значительное искажение поля и, следовательно, значительной величины заряд. Однако этот вид ионизации происходит интенсивно при больших давлениях. Следует отметить в этих рассуждениях, что при пониженных давлениях боль­шое значение имеют процессы на катоде, которые начинаются при меньших напряжениях. При больших давлениях основную роль начи­нает играть фотоионизация в объёме, так как фотоионизация на катоде ма­ловероятна, а ионизация ионами на катоде требует значительного вре­мени.

В начальной лавине после прохождения ею пути S в ней образовалось электронов и — ионов.

Для того чтобы удары всех образовавшихся ионов привели к по­явлению на катоде одного нового электрона, необходимо выполнение следующего условия

(4.87)

Это и есть условие самостоятельности разряда в однородном поле при пониженных давлениях. Равенство показывает, что после пересечения лавиной промежутка на катоде в результате вторичных процес­сов образовался новый электрон, следовательно, ионизация может продолжаться с прежней интенсивностью без участия внешнего иони­затора. Следует отметить, что величина очень быстро из­меняется при изменении напряжённости поля, а следовательно, на­пряжения между электродами. Поэтому практически при соблюдении условия самостоятельности разряда количество вторичных электронов непрерывно возрастает. В результате образуются новые лавины, когда положительные ионы не успели уйти на катод. Происходит перемеши­вание положительных и отрицательных зарядов и всё пространство за­полняется плазмой, после чего можно считать формирование разряда завершённым. (Тлеющий разряд, так как рассмотрен случай пониженного давления). Образование тлеющего разряда требует относительно большого времени, вызванного многократным пересечением положи­тельными зарядами межэлектродного промежутка. Так как всегда , то условие самостоятельности можно записать в виде

(4.88)

Рассмотренное условие самостоятельности разряда в однородном поле при пониженных давлениях носит название теории Таунсенда, по имени английского учёного, разработавшего эту теорию. Долгое время её распространяли и на высокое давление, получая при этом приемлемые результаты, что следует из аналогии внешнего вида усло­вия самостоятельности этих двух случаев. Принципиальная разница между развитием разряда при низких и высоких давлениях стала оче­видной относительно недавно в результате накопления эксперимен­тальных данных по механизму формирования разряда. Было показано, что физические основы теории Таунсенда неприемлемы к высоким давлениям, в результате чего была разработана так называемая стримерная теория.

Стримерная теория. Рассмотрим развитие разряда при высоких давлениях. Как уже отмечалось ранее, поверхностная ионизация ионами на катоде при вы­соких давлениях теряет своё определяющее значение. Основным ис­точником в этом случае становится фотоионизация в объёме газа. Если напряжённость поля достаточно велика, образующийся объёмный за­ряд лавин значителен. Это создаёт существенное искажение внешнего поля в промежутке. В результате сильного искажения внешнего поля канал лавины начинает испускать большое количество фотонов ещё до того, как положительные ионы начальной лавины уйдут на катод. Об­разованные этими фотонами вторичные электроны дадут начало новым лавинам в промежутке. Электроны этих лавин будут притягиваться объёмным положительным зарядом, расположенным в головке началь­ной лавины. В пространстве, заполненном объёмными зарядами, сред­няя напряжённость поля невелика, поэтому большое количество про­никших туда электронов из вторичных лавин превращается в отрица­тельные ионы. Таким образом, в месте расположения объёмного поло­жительного заряда образуется канал, заполненный плазмой, – так назы­ваемый стример.

Канал стримера является проводящим, так как плазма обладает тем большей проводимостью, чем больше ионов содержится в единице её объёма. В силу этого на конце стримера создается повышенная на­пряжённость поля. Между тем продолжающаяся фотоионизация в объ­ёме приводит к образованию всё новых и новых лавин, которые двига­ются в направлении наиболее сильного поля, то есть к головке стримера. Электроны этих лавин уходят в канал стримера, а положительные ио­ны увеличивают вблизи его головки объёмный положительный заряд, который усиливает внешнее поле и притягивает следующие лавины, превращающие его в плазму. Таким образом, канал стримера посте­пенно увеличивается и прорастает к катоду. Процесс этот идёт со всё возрастающей скоростью, так как напряжённость поля на головке стриме­ра, по мере его продвижения в глубь промежутка, непрерывно увели­чивается. После пересечения всего промежутка стримером пробой промежутка можно считать завершённым, так как в этом случае между электродами образовался сквозной проводящий канал, заполненный плазмой. Если увеличить напряжённость поля между электродами, то искажение поля, достаточное для фотоионизации в объёме, наступит раньше, чем начальная лавина пересечёт весь промежуток (х_к

Источник

Основные факторы, влияющие на разрядные напряжения газовых промежутков. Разряд в однородном поле

Страницы работы

Содержание работы

Основные факторы, влияющие на разрядные напряжения газовых промежутков

Разряд в однородном поле

Рассмотрим классификацию разрядных явления в газах при низких частотах приложенного напряжения опираясь на вольтамперную характеристику. Поскольку при частоте приложенного поля до 100–1000 Гц характерные времена релаксации газовых процессов много меньше периода изменения поля, все процессы успевают приходить в соответствие с приложенным напряжением, и в каждый момент времени такой разряд можно рассматривать как в постоянном поле.

Опишем качественно вольт-амперную характеристику разряда в промежутке, связав ее с приложенным напряжением и величиной сопротивления внешней цепи, изображенной на рис. 1.

Читайте также:  парапет на плоской кровле частного дома

Рис. 1: Типовая электрическая схема разряда постоянного тока.

Рис.2 : Обобщенная вольт-амперная характеристика электрического разряда постоянного тока.

Если при некотором постоянном сопротивлении внешней цепи R будем поднимать напряжение на источнике то поскольку в газе всегда имеются электроны и ионы, возникающие за счет ионизации космическим излучением и других процессов, по мере роста напряжения ток во внешней цепи будет расти за счет их дрейфа к электродам. Это показано на рис. 8 как линейный участок вольтамперной характеристики, соответствующий фоновой ионизации (участок AB). В нормальных условиях в воздухе ежесекундно образуется от 2 до 10 пар заряженных частиц, которые и определяют фоновый уровень электропроводности газа.

При дальнейшем повышении напряжения поле в промежутке растет, и собирает все заряды на электроды, что обозначено на вольтамперной характеристике, как режим насыщения (участок BC).

Если имеется внешний источник ионизирующий газ (или вызывающий эмиссию электронов с катода), то прямая BC сместится вправо.

Режим насыщения используют в ионизационных камерах для измерения мощности источника ионизирующего излучения. Эти два режима несамостоятельного разряда характеризуются отсутствием газового усиления и малыми токами. Токи режима насыщения обычно не превышают 1 нано ампера и для измерения таких токов необходимы весьма чувствительные приборы. Это режим обычно называют темным или несамостоятельным разрядом.

Формы самостоятельного тока в газообразном диэлектрике.

Самостоятельный разряд в газе может иметь разные формы в зависимости от давления, внешнего сопротивления, мощности источника напряжения, конструкции электродов и других фак­торов. Однако природа процессов вызывающих газоразрядные процессы едина.

На вольтамперной характеристике эти формы обозначены соответствующими областями.

Коронный разряд возникает при атмосферном или повышен­ном давлении, когда поле в разрядном промежутке неоднородно вследствие малого радиуса кривизны хотя бы одного из элек­тродов. Вблизи таких электродов (коронирующих), где напря­женность электрического поля максимальна, появляется свече­ние газа. Вне этой области свечение не наблюдается. Ток в ко­ронном разряде ограничен сопротивлением внешней области разряда, где ионизация отсутствует, а лишь перемещаются ионы и электроны, попавшие из коронирующей области.

Тлеющий разряд наблюдается обычно при низких давлениях (несколько десятков мм рт. ст.). Он характеризуется свечением газа по всей ширине разрядной трубки (положительный столб разряда) и катодным падением потенциала (несколько сот вольт) в области, прилегающей к катоду.

Дуговой разряд обладает большой плотностью тока и на­пряжением между электродами в несколько десятков вольт. Для этого случая характерна интенсивная эмиссия электронов из катода (термоэлектронная либо автоэлектронная). Электроны ускоряются электрическим полем и производят ударную иони­зацию. Дуговой разряд имеет S-образную вольтамперную ха­рактеристику: увеличение силы тока приводит к уменьшению напряжения между электродами. Температура газа в канале дуги достигает 5000 ¸6000 °С.

Искровой разряд представляет собой типичный пробой газа и происходит при нормальном или повышенном давлении, когда мощность источника напряжения недостаточна для поддержа­ния стационарного тока дуги в газе. Такой разряд имеет вид прерывистых ярких извилистых линий. Искровой разряд сопро­вождается выделением большого количества тепла, ярким све­чением и треском. Все эти явления вызываются электронными и ионными лавинами, возникающими в каналах, где давление увеличивается до сотен атмосфер, а температура достигает 10 5 °С. Частным случаем искрового разряда является молния.

Лавинный механизм ионизации газов.

Источник

Условие самостоятельности разряда

После прохождения первой лавины в промежутке лавинный процесс может возобновляться, а может и затухнуть. Для возобновления лавинного процесса нужен хотя бы один вторичный эффективный элек­трон. Если этот электрон получается в результате внешнего ионизатора — разряд называется несамостоятельным. То есть, если убрать внешний ионизатор, то лавинный процесс не возобновится и разряд затухнет. Ес­ли же вторичный эффективный электрон возникает в результате прохо­ждения первичной лавины — разряд называется самостоятельным. Раз­ряд из несамостоятельного может перейти в самостоятельный, если уве­личить приложенное к электродам напряжение.

При самостоятельной форме разряда лавинный процесс возоб­новляется, поскольку сама первичная лавина (и последующие вторич­ные тоже) создает условие для возобновления процесса. Условия возоб­новления:

1) оставшееся после прохождения лавины положительные ио­ны, двигаясь к катоду, бомбардируют его и вызывают эмиссию электро­нов из катода;

2) возбужденные атомы и молекулы, образующиеся наряду с ионизацией, испускают фотоны, которые могут приводить как к фото­ионизации в объеме промежутка, так и к фотоэмиссии электронов из ка­тода. Образующиеся таким образом вторичные электроны приводят снова к образованию лавин в разрядном промежутке.

Количество положительных ионов, оставшихся в промежутке после прохождения лавины, равно количеству электронов в лавине (1.15), исключая начальный электрон, т. е.:

. (1.17)

Электроны, выбитые из катода, не все участвуют в образова­нии вторичных лавин. Часть электронов рекомбинирует с положитель­ными ионами. Суммарный процесс образования вторичных электронов из катода характеризуется коэффициентом вторичной ионизации — второй коэффициент Таунсенда. Коэффициент зависит от материала катода, состава и давления газа и всегда .

Дата добавления: 2014-12-23 ; просмотров: 136 ; Нарушение авторских прав

Источник