Басманов В.Г. Высоковольтная изоляция

Подождите немного. Документ загружается.

приводит к образованию трех положительных ионов и четырех электронов, и

т.д. Этот лавинообразный процесс показан на рис. 1.5.

Электроны и ионы, образовавшиеся в лавине, перемещаются под

действием электрического поля. Так как подвижность электронов много больше

подвижности ионов, то в голове лавины образуется избыток электронов, а в ее

хвосте преобладают положительно заряженные ионы.

а )

б )

Рис. 1.5. Схема образования лавины электронов (а) и распределение в ней

заряженных частиц (б)

Самостоятельный разряд. Для образования лавины необходим хотя бы

один начальный электрон. В том случае, когда начальные электроны

непрерывно воссоздаются, лавинный процесс не прекращается. Начальные

электроны могут создаваться внешними ионизаторами, в этом случае разряд

называется несамостоятельным. Воссоздание начальных электронов может

происходить и за счет ионизационных процессов в самой лавине. В этом случае

процесс носит самоподдерживающийся характер, и разряд называется

самостоятельным. Ионизация в лавине сопровождается возбуждением части

молекул и излучением фотонов. Излучаемые фотоны могут вызвать вторичную

ионизацию в газе или на катоде.

Условием самостоятельного разряда является условие, при котором

разряд будет поддерживаться, если даже действие внешнего ионизатора

прекратиться. Однако для начала развития разряда необходим исходный

начальный электрон. Условие самостоятельного разряда:

(e



-1)  1. (1.3)

Если (e



-1) будет даже незначительно превышать единицу, число

развивающихся в промежутке лавин будет непрерывно возрастать.

Последующие лавины будут возникать еще до того, как все положительные

ионы предыдущих лавин уйдут на катод. Следовательно, электроны будут

двигаться в объеме, заполненном положительными ионами, и вдоль пути лавин

газ в промежутке между электродами перейдет в состояние плазмы.

В случае однородного поля условие самостоятельности разряда является

условием пробоя промежутка, поэтому оно может быть использовано для

определения пробивного напряжения.

Пробивное напряжение газа в однородном поле при неизменной

температуре является функцией произведения давления на расстояние между

электродами.

Плазма представляет собой газ, в котором ионизирована значительная

часть молекул. Отличительной особенностью плазмы как ионизированного газа

является ее квазинейтральность, т.е. отсутствие избыточных зарядов какого-

либо знака во всем объеме плазмы. Для поддержания плазменного состояния

вещества необходима некоторая определенная достаточно высокая

концентрация заряженных частиц, так как под действием хаотического

теплового движения частиц легкие электроны стремятся уйти за пределы

объема, занимаемого плазмой. Этому выходу противодействуют силы

электрического поля, возникающие между вылетевшими электронами и

оставшимися избыточными положительными ионами. Только при достаточно

высокой концентрации частиц эти силы создают потенциальный барьер на

границах плазмы, способный удержать электроны от вылета из плазмы и

поддерживающий тем самым плазменное состояние вещества с ее свойством

квазинейтральности.

Плазму рассматривают как четвертое состояние вещества, так как она

обладает рядом специфических свойств. Имея схожесть с газом, плазма

обладает также некоторыми свойствами металлов: плазма электропроводна,

отражает электромагнитные волны. Плазма возникает в электрическом разряде

при достаточно высокой степени ионизации в канале разряда (дуга, искровой

разряд). Чем выше степень ионизации в разряде, тем выше и проводимость

плазмы.

§2.2. Переход от лавинной формы самостоятельного разряда к искровому

разряду в малых искровых промежутках с равномерным полем.

Образование стримеров

В разреженных газах каждая лавина ведет к нарастанию числа начальных

электронов, инициирующих следующую лавину. В результате в каждой

последующей лавине возрастает число ионизаций. Этот процесс нарастает по

экспоненциальному закону, пока промежуток между электродами не

заполнится хорошо проводящей плазмой, состоящей из положительных ионов,

оставшихся от предыдущих лавин, и электронов образованных последней

лавиной. Таким образом, в разреженных газах разряд носит многолавинный

характер. Из-за высокой разреженности газа основную роль во вторичной

ионизации, создающей новые начальные электроны, играет фотоионизация с

катода. Поэтому на разрядное напряжение промежутка заметно влияет

материал катода, характеризуемый потенциалом поверхностной ионизации.

При высокой плотности газа наблюдается иная картина развития

самостоятельного разряда. Искажение поля положительными зарядами лавины

оказывается в этом случае значительным, что приводит к выделению большого

количества фотоионов и интенсивной фотоионизации в объеме газа вблизи

головки лавины (рис. 1.6а). Образующиеся вторичные лавины направляются к

головке первичной лавины, где напряженность поля особенно велика.

Электроны вторичных лавин проникают внутрь первичной лавины, образуя с ее

положительными ионами канал проводящей плазмы. Напряженность поля на

конце канала (со стороны катода) повышается, что ведет к возникновению

новых вторичных лавин и к дальнейшему прорастанию плазменного канала и

т.д. Такой быстро удлиняющийся канал получил название стримера (англ.

stream - поток). Когда стример достигает катода, плазменный канал замыкает

электроды и разряд переходит в искровую стадию.

Таким образом, в малых промежутках и в плотных газах разряд протекает

в однолавинной форме, переходящей в стримерную. Основную роль в

образовании вторичных лавин играет фотоионизация в объеме газа, поэтому

материал электрода не оказывает заметного влияния на напряжение искрового

разряда.

а )

б ) в ) г ) д )

Рис. 1.6. Схема стримерной формы разряда в малом промежутке с равномерным полем:

а - начальная лавина пересекла промежуток; электроны лавины поглощены анодом; головка

лавины интенсивно испускает фотоны; б - фотоионизация породила вторичные лавины;

электроны вторичных лавин проникают внутрь первичной лавины; началось образование

плазменного канала – стримера; в, г – на конце плазменного канала резко увеличивается

напряженность поля, что приводит к интенсивной фотоионизации и возникновению новых

лавин; плазменный канал быстро прорастает к катоду (положительный стример);

д – стример достиг катода; разряд переходит в искровую стадию

§2.3. Самостоятельный разряд в неравномерном поле.

Лавинная корона

В неравномерном поле остаются в силе основные закономерности

самостоятельного разряда, но вследствие изменения Е вдоль пути лавины

условие самостоятельного разряда приобретает вид:

const

1lndx





















, (1.4)

где



- коэффициент ионизации.

Далее рассмотрена качественная характеристика самостоятельного

разряда вблизи электрода с малым радиусом кривизны, например провода.

Лавинный процесс возникает на некотором пути S вблизи электрода; за

участком S напряженность поля уже недостаточна для ионизационных

процессов. При условии соблюдения равенства (1.4) разряд на участке S имеет

самостоятельный характер. Однако в данном случае лавинный процесс не

приводит непосредственно к искровому разряду, так как ионизационные токи

ограничены большим емкостным сопротивлением оставшейся части

промежутка. Разряд в такой форме получил название коронного разряда

(корона). Коронный разряд возникает при некоторой начальной напряженности

поля E

или начальном напряжении U

. Характер коронного разряда

существенно зависит от полярности электрода.

Пусть электрод имеет положительную полярность. Возникающие вблизи

стержня лавины будут развиваться по направлению к стержню (рис. 1.7а). Под

действием сил электрического поля легкие электроны лавины быстро

перемещаются к стержню и поглощаются им, а тяжелые положительные ионы

направляются к расположенному в отдалении катоду, но со скоростью, много

меньшей, чем скорость движения электронов. Из-за этого различия в скоростях

стержень оказывается окруженным облаком избыточных положительных ионов

(рис. 1.7б). Создаваемое облаком ионов дополнительное поле с

напряженностью E

ослабляет основное поле E у стержня (анода) и усиливает

основное поле вдали от стержня (рис. 1.7в). В результате область, охваченная

короной, расширяется.

а )

б )

в )

р е з

а )

б )

в )

р е з

E= +

Рис. 1.7. Возникновение короны у положительно

заряженного стержня:

а – развитие лавин; б – образование облачка

избыточных положительных ионов; в –

искажение исходного поля в промежутке объемным зарядом

В случае лавинной короны вблизи отрицательного стержня лавины

возникают у стержня (катода) и развиваются в глубь промежутка (рис. 1.8а).

Электроны выносятся силами электрического поля из области ионизации и

попадают в область слабого электрического поля, где они захватываются

нейтральными молекулами и образуют отрицательные ионы. В результате

вблизи катода образуется облако положительных ионов; отрицательные ионы

рассеяны за концентрированным облаком положительных ионов (рис. 1.8б).

Вблизи катода поле усиливается, а в неионизированном пространстве поле

ослабляется. В результате происходит стягивание лавинной короны к

отрицательному электроду. С каждой новой лавиной происходит усиление поля

вблизи катода и ослабление поля за центром скопления положительных ионов.

Поэтому лавины начинают пробегать все меньшее расстояние. В итоге у

поверхности катода образуется узкий слой высокой напряженности поля, где

существует лавинный процесс и где рождаются электроны, выносимые во

внешнее пространство.