Іскровий розряд

З поступовим збільшенням напруги між двома електродами, роз­міщеними в газі при нормальному тиску, виникає самостійний роз­ряд, який називають іскровим. При цьому повітряний проміжок між електродами пронизується яскраво світним тонким каналом зигзаго­подібної форми з розгалуженнями (рис. 11.5). Іскровий розряд у га­зах — це пробій газового діелектрика, який відбувається у разі досяг­нення певної напруженості електричного поля Е_к (критична напру­женість поля, або напруга пробою). Ця напруженість залежить від роду газу, його стану та від форми електродів. Для повітря за нор­мальних умов Е_к ≈ 3∙10⁶ В/м. Критичне значення напруженості май­же лінійно залежить від тиску газу в широкому його інтервалі, тобто

. (11.18)

Однак після того як розрядний проміжок «пробито» іскровим ка­налом, опір цього проміжку стає малим і крізь канал проходить ко­роткочасний імпульс струму великого значення, що зумовлює ви­ділення великої кількості теплоти. При цьому температура газу в розрядному проміжку досягає 10⁴ К. Миттєво нагрітий газ розши­рюється з утворенням циліндричних ударних хвиль. Це супроводжу­ється звуковими ефектами (тріск або грім).

Рис.11.5 Рис.11.6

Досліди показують, що канали іскрового розряду починають зро­стати іноді від позитивного електрода, іноді від негативного, а іноді навіть від якоїсь точки між ними.

Напруженість поля біля електродів залежить від кривизни поверх­ні електрода. Тому мінімальні напруги, при яких для даної відстані між електродами починається іскровий розряд, неоднакові для елек­тродів різної форми. Так, при напрузі 10⁵ В у повітрі за нормальних умов іскровий розряд між вістрями відбувається у проміжку 220 мм, а між плоскими електродами — у проміжку 36,7 мм. Якщо зменшувати відстань між елек­тродами при постійній напрузі, то напруженість електричного поля в газовому проміжку буде зростати і при досяг­ненні критичної напруженості Е_к відбувається іскровий розряд. Чим більша відстань між електродами, тим більша напруга потрібна між ними, при якій вперше проскочить іскра. Така залежність розміру іс­крового проміжку від напруги покладена в основу роботи високо­вольтного іскрового вольтметра.

Розглянемо механізм утворення іскрового розряду. Спочатку вважали, що іскровий розряд зумовлений тими самими процесами, що і тліючий розряд, тобто об'ємною іонізацією молекул електро­нами і вторинною електронною емісією позитивних іонів. Однак, як показав дослід, ці процеси не можуть пояснити ряду особливостей утворення іскрового розряду. Так, згідно з наведеним механізмом розряду час для розвитку іскри має бути близько 10^-4—10^-5 с. Осцилографічні дослідження показують, що час розвитку іскрового роз­ряду значно менший і становить 10^-7—10^-8 с. Механізм розвитку іс­крового розряду пояснюється стримерною теорією розряду, яку роз­робили у 1940 р. Д. Мік і Т. Льоб. Ця теорія якісно пояснює основні особливості розряду. Згідно з цією теорією виникненню яскраво світного кана­лу іскри передує поява світних областей підвищеної провідності — стримерів, їхнє зародження пояснюється виникненням електронних лавин біля катода. Під дією стримерів відбувається іонізація і збу­дження атомів та молекул газу. Світлові кванти, що випромінюються збудженими атомами та молекулами на шляху руху до анода, іонізу­ють газ і створюють початки нових стримерів. Таким чином, причи­ною виникнення стримерів є не тільки утворення електронних лавин внаслідок ударної іонізації, а й іонізація газу випромінюванням, що виникає в самому розряді (фотоіонізація).

Після електронної лавини, що виникла біля катода внаслідок фо­тоіонізації, відбувається виникнення нових лавин. Ці лавини при своєму розвитку породжують інші лавини. Такий процес відбуваєть­ся досить швидко. Поки перша лавина досягне розмірів АВ, область підвищеної іонізації (стример) матиме розміри СП (рис 11.6: лавини умовно зображені заштрихованими конусами, а хвилястими лініями показано напрям поширення випромінювання від областей підви­щеної іонізації).

У твердих і рідких діелектриках іскровий розряд є основною фор­мою самостійної провідності і зв'язаний з руйнуванням самого діелектрика. У твердих діелектри­ках іскра залишає отвір, тому сло­во «пробій» відповідає своєму змістові.

Поряд із стримерами, що поширюються від катода до анода (нега­тивні стримери), існують також стримери, що поширюються від ано­да до катода (позитивні стримери).