5.5 Газообразные диэлектрики

О ни должны быть химически инертны, не образовывать активных веществ, разрушающих твердые материалы и вызывать коррозию металлов.

Электропроводность газов обусловлена наличием ионов и электронов. Проводимость повышается, если приложить повышнное напряжение. Вольт-амперная характеристика показывает изменение тока в газе (рис5.5) .

Н

Рис. 5.5. Вольт-амперная характеристика газообразного диэлектрика

а участке 1 носители образуются под воздействием приложенного напряжения (не самостоятельная проводимость).

Протекающий при этом электрический ток пропорционален приложенному напряжению U, т. е. выполняется закон Ома:

I = U/R;

где R - электрическое сопротивление газа в промежутке между электродами.

На этом участке наряду с ге­нерацией заряженных частиц происходит и их рекомбинация.

На участке II с дальнейшим повышением напряжения ско­рость движения заряженных частиц увеличивается и подавляющее их большинство достигают электрода, не успев рекомбинировать. При критическом напряжении U_Kp энергии заряженных частиц дос­таточно для совершения ударной ионизации. При этом пропорциональность между током и напряжением нарушается, так как все ионы и электроны в газовом промежутке разряжаются на электродах, поэтому ток остается постоянным. Максимальный ток, не зависящий от приложенного напряжения, называется током насыщения I_н. При возникновении ударной ионизации число электронов и ионов рез­ко возрастает, появляется самостоятельная проводимость, ток вновь начинает увеличиваться с возрастанием напряжения на участке III.

В результате развития процесса ударной ионизации возникает электронная лавина, которая, двигаясь к положительному электро­ду, встречает лавинный поток положительных ионов, направлен­ный к отрицательному электроду. В результате образовавшейся в газовом промежутке проводящей газоразрядной плазмы* возника­ет пробой газа.

Пробой газов в однородном электрическом поле

Однородное поле образуется между электродами одинаковой геометрической фор­мы с большой площадью поверхности (например, плоскость-плос­кость, шар-шар), когда их диаметр D в 10 раз больше расстояния между ними h.

Электрическая прочность газов по сравнению с твердыми и жид­кими диэлектриками невелика. Нарушение их изоляционных свойств связано с явлением ударной ионизации.

Число электронов, образующихся в течение 1 с в 1 см² воздуха под действием радиоактивности Земли или космических лучей, со­ставляет от 10 до 20. Эти электроны являются начальными заряда­ми, которые могут привести к пробою газа в достаточно сильном электрическом поле.

При увеличении напряженности электрического поля электро­ны ударяются между собой и приобретают энергию, достаточную для ионизации молекул газа:

W=gU — gvE, (57)

где g - заряд частицы; v - средняя длина свободного пробега электрона или иона; Е- напряженность электрического поля.

Для возникновения ударной ионизации необходимо, чтобы энер­гия движущихся зарядов была выше энергии ионизации W_н:

gvE>WK,

Энергия ионизации W_н для различных газов находится в преде­лах 4...25 эВ.

Необходимая для ионизации критическая напряженность элект­рического поля

. (58)

Начальные заряды сталкиваются с атомами и молекулами и по­рождают новые электроны. Выбитые при этом «вторичные» электроны под действием поля вызывают ионизацию молекул газа. В результате этого процесса число электронов в газовом промежут­ке, нарастая лавинообразно, очень быстро увеличивается.

Ударная ионизация электронами составляет основу пробоя газа. Однако электронная лавина еще не достаточна для образования про­боя, так как не создает проводящего пути между электродами.

Кроме явления ударной ионизации, создающей первую лавину заряженных частиц, при пробое газа большую роль играют фотоны. Параллельно с явлением ударной ионизации газа происходит пере­ход электронов на более высокие энергетические уровни. Эти элект­роны не теряют связь с ядром и, не задерживаясь на возбужденных уровнях, возвращаются на нормальные, излучая энергию в виде све­товых частиц фотонов. Таких молекул значительно больше, чем иони­зированных. Они создают новые очаги ионизации и образуют фото­электронные лавины, что значительно ускоряет процесс пробоя газа.

Пробой газа происходит мгновенно, при расстоянии между элек­тродами h = 1 см, время пробоя примерно 10^-8 с.

Электрическая прочность газов Е_пр зависит от однородности электрического поля, давления газа Р, расстояния между электро­дами h, частоты f.

П

Е_пр

ри высоком давлении газа Р (рис. 5.6) увеличение электрической прочности Е связано с уменьшением длины свободного пробега элект­ронов, а при малом давлении - с уменьшением вероятности столкнове­ния электронов с молекулами газа. Пробой при высоком вакууме можно объяснить явлением взрывания электронов на поверхности электродов.

На зависимости электри­ческой прочности от давления газа Р основано применение газов в качестве электричес­кой изоляции в вакуумных конденсаторах и кабелях, за­полненных газом под давлени­ем. Высокую электрическую прочность вакуума широко используют в технике, напри­мер при конструировании электровакуумных приборов.

Э

Рис. 5.6. Зависимость электрической прочности газов от давления (штриховой линией отмечено нормальное давление)

1 атм

Рис. 5.7. Зависимость электрической прочности воздуха при нормальном давлении в однородном электрическом поле от расстояния между электродами

лектрическая прочность Е_пр увеличивается при умень­шении расстояния между электродами (h = 0,1 мм и ме­нее) (рис. 5.7), что связано с уменьшением вероятности столкновений электронов с молекулами газа в межэлект­родном промежутке и трудностью формирования разряда, так как свободные электроны и ионы при таких малых расстояниях не успе­вают приобрести энергию, достаточную для ударной ионизации.

Пробивное напряжение газов U_np в однородном электрическом поле зависит от произведения расстояния между электродами h и давления газа Р. Эта зависимость была установлена немецким ученым Ф. Пашеном и носит название закона Пашена.

Пробой газов на высоких частотах (f>10⁴ Гц) связан с образова­нием объемных зарядов и со статическим запаздыванием ампли­тудного напряжения.

Если частота тока, при которой пробивается газ, менее 10⁴ Гц, то его электрическая прочность Е_п на по­стоянном и переменном токе одинакова. При увеличении частоты тока пробивное напряжение Un газового промежутка снижается. Это объясняется тем, что ма­лоподвижные ионы при изменении на­правления тока не успевают рассасывать­ся и способствуют развитию пробоя.

Е сли частота тока выше 10⁷ Гц, то полупериод воздействия напряжения мень­ше времени, которое необходимо для раз­вития пробоя. Поэтому электрическая прочность газа возрастает. Это явление называется статическим запаздыванием напряжения.