Физические процессы в ионизированных газах. Виды ионизации.

Необходимым условием развития разряда в газах является наличие свободных электронов. Свободные носители зарядов могут возникать как за счет внешних воздействий, так и за счет эмиссии электронов с поверхности электродов. Свободные носители заряда, в основном электроны, под действием электрического поля могут приобретать энергию, достаточную, для выбивания новых электронов при столкновении с молекулами или атомами. Этот процесс называется ударной ионизацией. Образующиеся при этом положительные ионы не играют роли в процессе столкновения, но они могут искажать картину электрического поля и тем самым косвенно способствовать процессу ионизации.

Процесс ионизации газа при постоянной напряженности электрического поля определяется энергией ионизации газа и длиной свободного пробега электрона

, (1.1)

где – заряд электрона; – потенциал ионизации газа (таблица 1.1).

Если на длине электрон приобретает энергию , то имеет место выбивание свободного электрона (вторичного электрона). Вторичные электроны также могут приобретать энергию на длине пробега . И порождать при столкновении новые свободные электроны. Таким образом процесс ударной ионизации может носить лавинообразный характер.

Если , возникает возбужденное состояние электрона атома. Это состояние не является устойчивым и через с возбужденный электрон возвращается на прежний энергетический уровень. При этом имеет место излучение кванта энергии. Если другой электрон сообщает возбужденному электрону энергию, необходимую для ионизации, то происходит ступенчатая ионизация. Одновременно с ионизацией всегда идет рекомбинация, которая сопровождается выделением энергии. Поэтому разряд сопровождается свечением.

Таблица 1.1 – Потенциал ионизации некоторых газов

газ
, В	15,4	15,8	12,5	12,3	11,8	12,9

 

Длина свободного пробега зависит от давления , температуры и эффективного сечения носителя заряда. Среднее значение можно определить по следующему выражению

, (1.2)

где – постоянная Больцмана.

Эффективное сечение определяется диаметром движущихся частиц (электронов или ионов) и диаметром молекул.

Поскольку величина не является постоянной, то в теории газового разряда принято использовать коэффициент ударной ионизации , который представляет собой число ионизаций, осуществляемых электроном на единичном пути вдоль линии поля

, (1.3)

где и – постоянные коэффициенты, зависящие от характеристик газа и его температуры; – напряженность электрического поля между электродами.

Эффективным коэффициентом ионизации называется

, (1.4)

где – коэффициент прилипания, число актов захвата электрона (рекомбинации) на 1 см пути.

Лавина электронов.

После появления у катода хотя бы одного свободного электрона, он под действием электрического поля приобретает энергию, достаточную для выбивания другого свободного электрона. В результате появляется новый свободный электрон, который может вызвать следующий акт ионизации. Такой непрерывно нарастающий поток электронов называется лавиной электронов.

На участке (рис. 1.2) приращение свободных электронов будет равно

, (1.5)

где – число свободных электронов, образовавшихся на участке , при наличии одного начального свободного электрона.

В однородном электрическом поле

; ;

. (1.6)

Рис.1.2 – Определение числа электронов в лавине

Образовавшиеся в процессе ионизации свободные ионы, как отмечалось выше, в силу меньшей подвижности будут сконцентрированы между катодом и фронтом лавины, что приводит к увеличению напряженности электрического поля у катода и увеличению интенсивности ионизации.

Для возникновения самостоятельного разряда (лавины электронов) необходимо, чтобы в результате развившейся первоначальной лавины возник хотя бы один вторичный свободный электрон, способный вызвать новую лавину. В этом случае условие развития разряда в общем виде

, (1.7)

где – коэффициент вторичной ионизации, который представляет собой число вторичных электронов, отнесенное к одному акту ионизации в лавине; – расстояние между электродами.

Для однородного поля

. (1.8)

Для воздуха при атмосферном и более высоком давлении условием возникновения самостоятельного разряда будет , при пониженных давлениях .

8. Условие самостоятельного разряда.

Если соблюдается условие самостоятельного разряда , то число электронных лавин растет. При этом последующая лавина развивается еще до того, как положительные ионы предыдущей лавины успевают достичь катода. В таком случае лавины распространяются по всему промежутку , и газ в промежутке приходит в состояние плазмы. Наступает искровой или дуговой разряд.

Значение пробивного напряжения можно получить из условия самостоятельности разряда (1.8), подставив (1.3) и приняв, что напряженность в момент пробоя равна

. (1.9)

Тогда из (1.9) при записи

. (1.10)

Выражение (1.10) является математическим выражением экспериментального закона Пашена, из которого следует, что пробивные напряжения в однородном поле при являются функцией произведения давления и расстояния между электродами

. (1.11)

Кривая имеет минимум (рис. 1.3). Для воздуха В при .

При и увеличении плотности газа от значения, соответствующего минимуму кривой, электрическая прочность промежутка возрастает, т.к. уменьшается длина свободного пробега, увеличивается число столкновений и уменьшается вероятность ионизации. При уменьшении плотности относительно минимума возрастает за счет эффекта снижения числа столкновений. В связи с этим в изоляционных конструкциях используется газ под высоким давлением или под малым (вакуум).

Экспериментальная зависимость при высоких и низких давлениях лежит несколько ниже теоретической (на рис. 1.3 показана штриховой линией). Это объясняется при больших давлениях влиянием микровыступов, а при низких – автоэлектронной эмиссией.

Рис.1.3 – Зависимость для воздуха

Для практических расчетов пробивного напряжения можно использовать более простое выражение , (1.12)

где , – постоянные, зависящие от рода газа (для воздуха и ); – относительная плотность воздуха , (1.13)

где и соответствуют нормальным атмосферным условиям ( = 1,013·10⁵ Па или 760 мм рт. ст., и = 20ºС).

Для см и нормальных условиях . При увеличении см . При м .