пользователей: 30398
предметов: 12406
вопросов: 234839
Конспект-online
РЕГИСТРАЦИЯ ЭКСКУРСИЯ

Пробой газа. Закон Пашена

Воздух является изоляционной средой для различной электронной аппаратуры. В случае сильных электрических полей физические процессы в воздухе происходят при нормальном атмосферном давлении. Однако в радиоэлектронике приходится иметь дело с пробоем при значительном разрежении и повышенном давлении.

Пробивная напряженность воздуха в нормальных условиях невелика по сравнению с большинством жидких и твердых диэлектриков. Пробой воздуха и других газов следует рассматривать как следствие развития процессов ударной и фотоионизации.

3.2.1. Механизм пробоя газа

Небольшое количество содержащихся в газе положительных и отрицательных ионов и электронов находящихся, как и нейтральные молекулы газа, в беспорядочном тепловом движении, при воздействии поля получают некоторую добавочную скорость и начинают в зависимости от знака заряда перемещаться в направлении поля или против. При этом заряженная частица приобретает дополнительную энергию:

image001.gif,

(3.1)

где image002.gif – заряд; image003.gif – разность потенциалов на длине свободного пробега.

Если поле достаточно однородно, то можно считать:

image004.gif,

(3.2)

где image005.gif – напряженность поля; image006.gif – среднее расстояние, пройденное заряженной частицей без столкновения, т. е. длина свободного пробега.

Подставляя (3.2) в (3.1) получим:

image007.gif.

(3.3)

Дополнительная энергия заряженных частиц сообщается атомам или молекулам газа, с которыми эти частицы сталкиваются. Если энергия достаточно велика, происходит возбуждение атомов, связанное с переходом электрона на более удаленную от ядра орбиту или ионизация молекул, т. е. их расщепление на электроны и положительные ионы.

Условием, определяющим возможность ионизации, является:

image008.gif,

(3.4)

причем image009.gif включает в себя и энергию теплового движения, обычно небольшую при нормальной температуре.

Из выражений (3.3) и (3.4) имеем:

image010.gif.

(3.5)

Энергию ионизации image011.gif обычно характеризуют ионизационным потенциалом image012.gif. Ионизационный потенциал различных газов лежит в пределах 4-25 В, что соответствует энергии ионизации от 4 до 25 эВ.

При заданных значениях давления газа и температуры ударная ионизация начинается при определенном значении напряженности поля, поскольку image013.gif постоянны для каждого газа. Эту напряженность поля image005.gif называют начальной напряженностью, а соответствующее напряжение – начальным.

Наибольшее число актов ионизации приходится на электроны, так как длина свободного пробега их почти на порядок выше, чем у ионов, и согласно выражению (3.3) они набирают под воздействием поля большую энергию. Кроме того электроны по сравнению с ионами обладают в 100 - 1000 раз большей подвижностью. Поэтому за одинаковый промежуток времени они пройдут в 100-1000 раз большее расстояние и, соответственно, произведут большее число актов ионизации. Следует учитывать также, что, если положительный ион, разогнанный полем, испытывает соударение с периферическим электроном нейтральной частицы, то условия для ионизации электрона оказываются неблагоприятными, так как при большом различии массы энергия, отдаваемая электрону при упругом ударе, мала.

При явлениях разряда положительные ионы высвобождают электроны из металла, бомбардируя поверхность катода.

В ряде случаев электрон, разогнанный полем, может не ионизировать молекулу, а привести ее в «возбужденное состояние» – вызвать изменение в движении электронов, связанных с молекулой. В следующий момент эта «возбужденная» молекула отдает свою избыточную энергию в форме излучения – испускает фотон. Некоторые из фотонов имеют энергию, превышающую энергию ионизации молекул. Такие фотоны рождаются за счет ударного возбуждения электронов, находящихся на внутренних оболочках атомов. При поглощении фотона, обладающего большой энергией, другой молекулой возможна ее ионизация. Внутренняя фотонная ионизация газа благодаря большой скорости распространения излучения приводит к особо быстрому развитию в разрядном промежутке каналов с повышенной проводимостью газа.

На рис. 3.2 представлена схема, поясняющая, почему рост электропроводящего канала (стримера) происходит быстрее, чем продвижение электронной лавины. На этом рисунке лавины условно показаны в виде заштрихованных конусов, а линиями изображены пути фотонов. Внутри каждого конуса газ ионизируется ударами электронов. Выбитые электроны, разгоняемые полем, ионизируют встречаемые ими частицы газа. Так лавинообразно нарастает число электронов, движущихся к аноду, и число положительных ионов, направляющихся к катоду. Начала линий исходят из атомов, которые были возбуждены ударом электрона и вслед за тем испустили фотон.

image014.jpg

Рис. 3.2. Схема развития отрицательного стримера

Двигаясь со скоростью image015.gif, фотоны обгоняют лавину и в каком-то месте, соответствующем концу линии, ионизируют частицу газа. Выбитый здесь электрон, устремляясь к аноду, порождает новую лавину далеко впереди первой лавины. Таким образом, пока первая лавина вырастает, допустим, на расстояние, равное длине стрелки image016.gif (рис. 3.2), намечающийся канал повышенной проводимости газа, т. е. стример, распространяется на расстояние, равное длине стрелки image017.gif.

На следующей стадии отдельные лавины в отрицательном стримере, нагоняя друг друга, сливаются, образуя сплошной канал ионизированного газа.

Одновременно с ростом стримера, направленного от катода к аноду, начинается образование встречного лавинного потока положительно заряженных частиц, направленного к катоду.

Положительный стример представляет собой канал газоразрядной плазмы, возникновение и развитие которого схематически показано на рис. 3.3. Электронные лавины оставляют на своем пути большое число новообразованных положительных ионов, концентрация которых особенно велика там, где лавины получили свое наибольшее развитие, т. е. около анода. Если концентрация положительных ионов здесь достигает определенного значения (близкого к image018.gif ионам в image019.gif), то, во-первых, обнаруживается интенсивная фотоионизация, во-вторых, электроны, освобождаемые частицами газа, поглотившими фотоны, притягиваются положительными пространственными зарядами в головную часть положительного стримера, и, в-третьих, вследствие фотоионизации концентрация положительных ионов на пути стримера увеличивается.

image020.jpg

Рис. 3.3. Схема возникновения и развития положительного стримера (развитие стадий разряда показано слева направо)

Из рис. 3.3 видно, что многие электроны вовлекаются в область наибольшей концентрации положительных ионов – в головную часть положительного стримера. Насыщение электронами пространства, заполненного положительными зарядами, превращает эту область в проводящую газоразрядную плазму. Под влиянием ударов положительных частиц на катоде возникает катодное пятно, излучающее электроны. В результате указанных процессов и возникает пробой газа.

Чем больше напряжение, приложенное к газовому промежутку, тем быстрее развивается пробой. Если длительность воздействия напряжения очень мала, то пробивное напряжение повышается. Это повышение обычно характеризуют коэффициентом импульса:

image021.gif,

 

где image022.gif – пробивное напряжение при данном импульсе; image023.gif – пробивное напряжение при постоянном или переменном (частотой 50 Гц) напряжении. Коэффициент импульса разрядных промежутков с резко неоднородным электрическим полем может доходить до 1,5.

Явление пробоя газа зависит от степени однородности электрического поля, в котором осуществляется пробой [2].

 

Диэлектрик конденсатора, как правило, подвергается воздействию сильного электрического поля. Его действие особенно существенно в высоковольтных конденсаторах, однако и для низковольтных конденсаторов напряженность поля достаточно высока, так как, чтобы повысить удельную емкость конденсатора, толщину диэлектрика выбирают малой. Для того чтобы исключить возможность пробоя или старения диэлектрика в этих условиях, надо хорошо знать закономерности и механизмы указанных явлений.

Закономерности пробоя газообразных диэлектриков важно знать для оценки рабочих напряжений высоковольтных конденсаторов – газонаполненных или имеющих газовые включения в диэлектрике. Пробой газа при нормальном или повышенном давлении представляет собой искровой разряд, характеризующийся распространением в разрядном промежутке ярко светящихся каналов пробоя малого диаметра. Экспериментальные исследования показывают, что при пробое сравнительно небольших газовых промежутков сначала образуются электронные лавины, распространяющиеся обычно от катода к аноду со скоростью image001.gif. Эти лавины обусловлены процессом ударной ионизации молекул газа электронами. Как только лавина достигает анода, от него к катоду с гораздо большей скоростью image002.gif распространяется так называемый стример, сопровождающийся ионизацией газа и состоящий из многочисленных, соединяющихся между собой лавин. Лавины появляются в объеме газа в результате фотоионизации одной из молекул фотонами, излучаемыми возбужденными молекулами, или в результате процессов рекомбинации электронов и ионов. Таким образом, стример образуется за счет двух основных процессов – фотоионизации и ударной ионизации.

Пробивное напряжение газа image003.gif зависит от произведения давления image004.gif на расстояние image005.gif между электродами (закон Пашена) и почти одинаково как для пробоя между металлическими электродами, так и между диэлектрическими поверхностями в газовых прослойках изоляции. Зависимость image006.gif изображается кривой с минимумом (рис. 1.1). Объяснение закона Пашена и формы кривых image006.gif возможно на основе простейшей теории пробоя газа – теории Таунсенда. Согласно теории Таунсенда разряд в газе наступает в том случае, если в объеме газа происходит интенсивная ударная ионизация электронами, а образующиеся при этом положительные ионы, бомбардируя катод, обеспечивают поступление в объем газа вторичных электронов в количестве, достаточном для компенсации электронов, уходящих после ионизации на анод. Исходя из этой модели процесса, получают условие пробоя Таунсенда:

image007.gif,

 

 

где image008.gif – коэффициент ударной ионизации Таунсенда; image009.gif – коэффициент ионно-электронной эмиссии из катода.

В соответствии с правилами теории подобия, image010.gif и image009.gif представляют собой однозначные функции отношения image011.gif, т.е.

image012.gif,

image013.gif.

 

 

Подставляя эти функции в условие пробоя Таунсенда и принимая во внимание, что image014.gif, получаем выражение:

image015.gif,

 

 

из которого вытекает, что image003.gif является однозначной функцией произведения image016.gif.

image017.gif

Рис. 1.1. Кривые Пашена для воздуха, кислорода и водорода

Снижение image003.gif с уменьшением image016.gif происходит до тех пор, пока длина пробега электрона между актами ионизации image018.gif, остается значительно меньше расстояния между электродами image005.gif. Как только image018.gif становится сравнимым с image005.gif, достаточное для развития электронных лавин количество актов ионизации можно обеспечить лишь за счет существенного увеличения напряженности поля image019.gif, чем и объясняется рост image003.gif с уменьшением image016.gif при малых значениях image004.gif или image005.gif. В однородном поле для воздуха минимальное пробивное напряжение на кривой Пашена (image020.gif). Следует, однако, отметить, что при атмосферном давлении характер зависимости image006.gif отличается от данных на рисунке 1.1: вместо возрастания image003.gif при уменьшении image005.gif сначала после достижения image021.gif наблюдается участок, где image022.gif, затем image003.gif начинает уменьшаться. Эти особенности связаны с изменением механизма пробоя – вместо газового разряда, связанного с ударной ионизацией, в области image023.gif происходит, вероятно, пробой, связанный с эмиссией электронов из электрода, как это имеет место в вакууме. Нелинейная зависимость пробивного напряжения image003.gif от произведения image016.gif обусловливает нелинейную зависимость image024.gif при нормальном атмосферном давлении (рис. 1.2).

image025.gif

Рис. 1.2. Зависимость image024.gif для воздуха при нормальном атмосферном давлении

В неоднородном электрическом поле image003.gif существенно снижается. Например, для воздуха при image026.gifсм в неоднородном поле image027.gifкВ, тогда как в однородном поле image028.gifкВ. Кроме того, в неоднородном поле наблюдается зависимость пробивного напряжения от полярности электродов. Как правило, при положительной полярности электрода с малым радиусом кривизны image003.gif оказывается меньше, чем при отрицательной полярности (рис. 1.3). Это связано с образованием положительного объемного заряда вблизи острия в результате развития коронного разряда, что приводит в свою очередь к возрастанию напряженности поля в остальной части промежутка.

image029.gif

Рис. 1.3. Зависимость image003.gif воздуха от давления в промежутке нить – коаксиальный цилиндр при положительном (кривая 1) и отрицательном (кривая 2) потенциале нити (радиус нити – 1,53 мм, цилиндра – 23 мм)

Однако при малых давлениях и расстояниях между электродами роль объемного заряда невелика и значение image003.gif может оказаться меньшим при отрицательном потенциале электрода с малым радиусом кривизны. Это обусловлено существенной ролью эмиссии электронов из катода при малых расстояниях между электродами.

Существенное значение для конденсаторов имеет явление перекрытия по поверхности твердого диэлектрика, граничащего с газообразным диэлектриком. Основные закономерности перекрытия по поверхности твердого диэлектрика в газе в сравнительно однородном электрическом поле были исследованы с помощью электродов Роговского, между которыми помещались диэлектрические стержни цилиндрической формы с плотно прилегающими к электродам торцами.

При малой влажности воздуха, сравнительно невысоком значении image030.gif диэлектрика и хорошем контакте образцов с электродами (посеребренные торцы) напряжение перекрытия image031.gif при одинаковой длине разрядного промежутка практически не отличается от пробивного напряжения воздуха image003.gif. Если же эти условия не выполняются, то image032.gif (рис. 1.4). На практике для устранения поверхностного перекрытия искусственно увеличивают путь разряда, если это возможно (например, изготавливают ребра у керамических конденсаторов). Оптимальные инженерные решения получают на основании данных расчета электрических полей в диэлектрике конденсатора и на границе раздела с газообразной средой.

image033.gif

Рис. 1.4. Зависимость image031.gif от длины image005.gif цилиндрических образцов диэлектрика, помещенных между электродами Роговского при относительной влажности воздуха 30 % (СВТ – стронций – висмут – титанат)

При малой влажности воздуха, сравнительно невысоком значении image030.gif диэлектрика и хорошем контакте образцов с электродами (посеребренные торцы) напряжение перекрытия image031.gif при одинаковой длине разрядного промежутка практически не отличается от пробивного напряжения воздуха image003.gif. Если же эти условия не выполняются, то image032.gif (рис. 1.4). На практике для устранения поверхностного перекрытия искусственно увеличивают путь разряда, если это возможно (например, изготавливают ребра у керамических конденсаторов). Оптимальные инженерные решения получают на основании данных расчета электрических полей в диэлектрике конденсатора и на границе раздела с газообразной средой.

 

 


хиты: 31
рейтинг:0
для добавления комментариев необходимо авторизироваться.
  Copyright © 2013-2024. All Rights Reserved. помощь