Пробой газообразных диэлектриков имеет чисто электрическую форму. Механизм пробоя газов рассмотрим на примере пробоя воздуха.
В результате воздействия внешнего ионизирующего излучения воздух всегда содержит некоторое количество свободных ионов и электронов, которые, так же как и нейтральные молекулы, находятся в тепловом (хаотическом) движении. При приложении электрического поля эти заряженные частицы дополнительно приобретают направленное движение — дрейф. Важная роль при пробое, особенно в начальной стадии, принадлежит электронам как частицам, имеющим намного большую подвижность, чем ионы. Кроме того, при электронной ударной ионизации (см.ниже) отщепляемый от молекулы электрон отталкивается от нее ионизирующим электроном, облегчая условие ионизации.
В упрощенном виде механизм пробоя газов сводится к следующему. Свободный электрон (обычно это n свободных электронов) под действием приложенного электрического поля, двигаясь по направлению к аноду, приобретает добавочную энергию W, равную для однородного поля
где е — заряд электрона; — средняя длина свободного пробега электрона (участок пути, пройденный электроном от столкновения с одной молекулой до столкновения с другой молекулой); Е — напряженность электрического поля (фактически это градиент потенциала поля на участке К).
Если в момент столкновения электрона с нейтральной молекулой его добавочная энергия W будет равна или больше энергии ионизации Wи данной молекулы (W>Wи, то произойдет ее расщепление на положительный ион и электрон, т. е. произойдет электронная ударная ионизация (она имеет место только в сильных электрических полях).
Энергия ионизации с каждым последующим электроном, отрываемым от молекулы (атома), возрастает, особенно значительно при переходе на последующий электронный слой (см.гл.1.4). Поэтому энергетически выгоден однократный акт ионизации молекулы (атома), а не многократный.
После первого акта электронной ударной ионизации уже два (2п) электрона, разгоняясь в поле, будут ионизировать молекулы. Если в момент их «соударения» с молекулами W >Wи, то образуются четыре свободных электрона, при последующем акте — 8, затем 16 и т. д.
В направлении анода со скоростью, примерно равной (1—3)-106 м/с, начнет прорастать электронная лавина аналогично снежной лавине с гор (рис. 5.2, АБ). Электронная ударная ионизация для каждого газообразного диэлектрика начинается при определенной напряженности поля, величина которой зависит от давления, температуры и частоты напряжения. Эта напряженность поля называется начальной напряженностью.
Кроме электронной ударной ионизации, важная роль при пробое принадлежит фотоионизации. Если при соударении электрона с молекулой W электрона окажется меньше, чем Wи данной молекулы, то она не ионизирует. Получив добавочную энергию W, молекула переходит в возбужденное состояние (один из ее валентных электронов перейдет на более высокий энергетический уровень). Это состояние молекулынеустойчивое, и спустя примерно 10-8с электрон возвратится на прежний энергетический уровень, а молекула излучит квант энергии в виде фотона. Фотоны, двигаясь со скоростью на два порядка большей (сф=3×108 м/с), чем электронные лавины, значительно опережают последние. «Столкнувшись» с нейтральной молекулой, фотон ее ионизирует, если энергия, приобретенная молекулой, будет равна или больше ее энергии ионизации Wи. Этот процесс называется фотоионизацией. Если энергия фотона окажется меньше Wи молекулы, то фотоионизации не произойдет. Получив энергию фотона, молекула перейдет в возбужденное состояние. В следующий момент молекула возвратится в нормальное состояние, излучив фотон. Этот процесс может повториться многократно, пока фотон не поглотится молекулой воздуха, имеющей Wиравную или меньшую энергии фотона.
Образовавшийся в результате фотоионизации электрон, двигаясь к аноду и сталкиваясь с нейтральной молекулой, ионизирует ее, порождая новую, «дочернюю» лавину, находящуюся далеко впереди основной лавины (см. рис. 5.2). Фотоны, испускаемые лавинами, далеко вперед обгоняя их, зарождают все новые и новые дочерние лавины. Основная и дочерние лавины, двигаясь к аноду, растут, догоняют друг друга, сливаются и образуют электроотрицательный стример — цепочку электронных лавин, слившихся в единое целое (см. рис. 5.2, СД). При этом если электронные лавины распространяются прямолинейно, то стример — зигзагообразно.
Одновременно с ростом электроотрицательного стримера начинает образовываться поток из положительных ионов, концентрация которых особенно велика вблизи анода. Положительные ионы движутся в обратном направлении, образуя электроположительный стример (рис. 5.3), который перекрывает пространство между анодом и катодом. Подходя к катоду, положительные ионы, ударяясь о его поверхность, выбивают электроны, называемые «вторичными». Происходит эмиссия электронов из катода. Положительный стример, заполняясь вторичными электронами и электронами, образующимися в результате электронной ударной ионизации и фотоионизации, превращается в сквозной канал газоразрядной плазмы. Электропроводность этого канала очень высока, и по нему устремляется ток короткого замыкания Iкз.
Из вышесказанного следует, что электрическая прочность газообразных диэлектриков зависит от значений WииW, при этом W, приобретаемая электронами под действием поля, в свою очередь, зависит от Е и ℷ (см. формулу (5.2)). Чем больше энергия ионизации Wи молекул диэлектрика и меньше средняя длина свободного пробега электрона ℷ, тем выше электрическая прочность. Значения Wииℷ зависят от природы диэлектрика, а ℷ, кроме того, и от его состояния (температуры,давления). Поэтому введение в состав молекул газообразных диэлектриков атомов более электроотрицательных элементов (F, Cl) приводит к возрастанию Wи газа, а увеличение давления и снижение температуры — к уменьшению ℷ; Епр газа при этом возрастает.
Явление пробоя газа зависит от степени однородности электрического поля, в котором осуществляется пробой.
Рассмотрим явление пробоя газа в однородном электрическом поле. Однородность или неоднородность поля обеспечивают электроды, между которыми помещается электроизоляционный материал. Существуют следующие виды электродов:
1. Плоские электроды с закругленными краями;
2. 2 Сферы;
3. Игла – игла;
4. Игла – плоскость;
5. Плоскость – плоскость;
6. Провод – провод.
Однородное поле можно получить между плоскими электродами с закругленными краями, а также между сферами при расстоянии между ними, соизмеримом с диаметром сферы. В таком поле пробой наступает практически мгновенно при достижении строго определенного напряжения, зависящего от температуры и давления газа. Между электродами возникает искра
— средняя длина свободного пробега электрона (участок пути, пройденный электроном от столкновения с одной молекулой до столкновения с другой молекулой); Е — напряженность электрического поля (фактически это градиент потенциала поля на участке К).
