Пред.
След.
Макеты страниц
Распознанный текст, спецсимволы и формулы могут содержать ошибки, поэтому с корректным вариантом рекомендуем ознакомиться на отсканированных изображениях учебника выше Также, советуем воспользоваться поиском по сайту, мы уверены, что вы сможете найти больше информации по нужной Вам тематике 7.2. МЕХАНИЗМЫ РАЗРЯДА7.2.1. ВведениеЕсли к двум металлическим электродам приложена разность потенциалов, то в пространстве между электродами создается электрическое поле. Вообще, газ, в котором находятся электроды, можно рассматривать как изолятор до тех пор, пока приложенное напряжение не превысит строго определенную величину, известную как напряжение пробоя. Для плоскопараллельных электродов в воздухе при атмосферном давлении и комнатной температуре напряженность электрического поля, необходимая для пробоя, составляет около Начальные электроны ускоряются полем пробоя до энергии, достаточной, чтобы вызвать ионизацию при столкновении с атомами газа. Электроны, возникшие при ионизации, в свою очередь создают новые электроны и в результате происходит рост концентрации электронов и ионов. Процесс разряда может также зависеть от так называемых вторичных процессов, причем первичным процессом является электронно-ударная ионизация. Возможны следующие вторичные процессы: 1) вторичная электронная эмиссия на катоде за счет соударения с положительными ионами; 2) фотоэлектронная эмиссия на катоде, вызванная фотонами, испущенными газом; 3) электронная эмиссия с катода за счет попадания метастабильных атомов или ионов; 4) ионизация газа положительными ионами; 5) ионизация газа фотонами, испущенными газом. Число свободных электронов может уменьшаться за счет захвата нейтральными атомами и молекулами, рекомбинации с ионами и диффузии. Для знакомства с различными видами взаимодействий частиц читатель отсылается к работам [34, 43, 45]. Основная физическая задача заключается в том, чтобы дать количественное описание изменений концентраций электронов и ионов в разрядном промежутке в зависимости от координат и времени на основе процессов взаимодействия, которые происходят в промежутке и на электродах. 7.2.2. Явления разряда в отсутствие заметного пространственного зарядаРассмотрим процесс ионизации в однородном поле между плоско-параллельными электродами до того, как пространственный заряд начнет искажать приложенное поле. Положим, что
Решением уравнения (7.1) является соотношение
т. е. наблюдается экспоненциальный рост числа электронов. Группа электронов, возникающая в результате ударной ионизации, вызванной несколькими первичными электронами, находившимися в одном и том же месте в пространстве, называется лавиной. Можно показать [65], что
где
где отношения
тогда
Если
где
или
Общее число электронов на аноде равно
Выражение (7.9) справедливо для стационарного состояния. Поскольку электрический ток на аноде создается электронами и стационарный ток должен быть непрерывным в межэлектродном промежутке, выражение (7.9) пропорционально току разряда. Это делает возможным Экспериментальную проверку спрдвед Даже если (7.9) справедливо только в отсутствие искажения поля пространственным зарядом и полный электрический пробой не протекает без таких искажений, из выражения (7.9) можно получить однозначный критерий пробоя. Критерий пробоя Таунсенда можно сформулировать так: пробой происходит, если знаменатель в (7.9) становится равным нулю, т. е.
Для данного межэлектродного промежутка и давления газа должна быть такая напряженность электрического поля и, следовательно, статический потенциал пробоя, при котором справедливо уравнение (7.10). Оно эквивалентно условию, что каждый электрон, вылетевший из катода и достигший анода, будет замещен за счет вторичных процессов новым выбитым из катода электроном. С точки зрения теории управления это будет механизм с положительной обратной связью (регенерация вышедших с катода электронов), приводящий к неустойчивому состоянию, которое кончается пробоем. Достаточно весьма небольшого увеличения напряжения сверх статического потенциала пробоя, чтобы привести к пробою и, следовательно, критерий самоподдерживающегося разряда является по существу критерием пробоя. Для более детального рассмотрения процессов ионизации в однородных межэлектродных промежутках, а также различных вторичных процессов читатель отсылается к работам [29—31, 34, 57]. В этих работах показано, что для всех рассмотренных вторичных процессов критерий пробоя, данный уравнением (7.10), остается по существу неизменным. 7.2.3. Явления разряда в присутствии пространственного зарядаТеория ионизации в однородном электрическом поле, данная в разд. 7.2.2, справедлива, пока электрическое поле, созданное электронами и ионами, находящимися в разряде, мало по сравнению с внешним полем. Однако для возникновения пробоя необходимы большие поля, вызванные пространственным зарядом. Эти поля играют важную роль в создании областей с высокой проводимостью между катодом и анодом, которые характеризуют пробой во всем разрядном промежутке. Рассмотрим явления, вызванные наличием пространственного заряда в зазоре с плоско-параллельными электродами при приложении к ним ступенчатого напряжения. Рейзер [57] установил, что существуют два механизма пробоя. 1. Относительно медленный механизм, нестационарная теория которого является модификацией теории, изложенной в разд. 7.2.2 с учетом искажения полей, вызванных пространственным зарядом. В медленном механизме (который Рейзер назвал генерационным, или таунсендовским, механизмом) межэлектродный промежуток, прежде чем произойдет пробой, пересекает множество последовательных электронных лавин. 2. Быстрый механизм, в котором первая лавина развивается непосредственно в канале высокой проводимости за счет образования стримера. Идея стримера была развита в 30-х годах независимо Лебом [39] и Рейзером [57]. Они определили стример как нитевидный разряд с сильными полями, вызванными пространственным зарядом, на конце и перед концом нити. Предполагается, что эти поля усиливают ионизацию за счет столкновений и фотоионизацию на конце нити, что приводит к удлинению нити. Фотоионизация играет важную роль в механизме стримера и, как полагают, является неотъемлемой частью положительных стримеров, распространяющихся по направлению к катоду. Вопрос о том, действительно ли существуют два различных механизма пробоя в однородном межэлектродном промежутке, является спорным. По мнению некоторых исследователей [74, 75], механизм стримера является просто разновидностью генерационного, или таунсендовского, механизма, и наблюдаемые характеристики «стримера» являются главным образом следствием ионизации за счет столкновений в полях, искаженных пространственным зарядом, а фотоионизация в газе не играет существенной роли. Были опубликованы [8, 23, 24, 47, 48, 74, 75] расчеты роста ионизации в условиях искажения поля пространственным зарядом. Недавно Вагнер [72, 73] опубликовал результаты экспериментального исследования стримера пробоя в промежутке с плоско-параллельными электродами. Электрические поля, которые приводят к разряду молнии, чрезвычайно неоднородны. Они сильны у основания облака и слабы у земли. Поскольку пробой должен начинаться в области с высокой напряженностью поля, то разряд молнии на землю должен распространяться из области с высокой напряженностью поля в область с низкой напряженностью. Пробой в неоднородном межэлектродном промежутке обычно описывается на основе модели стримера. Подробности о пробое в таком промежутке даны у Леба [36, 37]. Обычно разряд начинается с распространения светящихся импульсов ионизации от электрода с высокой напряженностью поля в область с низкой напряженностью. Эти начальные импульсы были названы Лебом [36] первичными стримерами. В результате действия многочисленных первичных стримеров в пространстве между электродами распространяется относительно узкий светящийся канал. Этот светящийся канал был назван Лебом [36] вторичным стримером. После того как вторичный стример соединит электроды, от электрода с низкой напряженностью поля к электроду с высокой напряженностью распространяется возвратный удар, переводя канал разряда в состояние высокой проводимости. В большей части старой литературы по пробою в неоднородном межэлектродном промежутке упоминаются только вторичный стример Если рассматривать вторичный стример как хороший проводник, то он должен быть самораспространяющимся, поскольку он несет потенциал одного из электродов и, следовательно, имеет высокую напряженность электрического поля у вершины. Такой механизм стримера может качественно объяснить распространение разряда в область с низкой напряженностью поля. Однако физические детали процесса остаются неясными. На рис. 7.1а — 7.1в схематически показано, каким образом механизм, аналогичный стримеру, может объяснить распространение первых лидеров, стреловидных лидеров и возвратных ударов молнии. Скорости распространения лидеров молнии и возвратных ударов, очевидно, больше скорости дрейфа электронов у вершин распространяющихся разрядов. Крейвс и Леб [7] первыми отметили такое положение для лидеров и предложили физическое объяснение. В полях с высокой напряженностью перед вершиной лидера число свободных электронов быстро увеличивается за счет ионизации при столкновениях. Если на расстоянии На основе этой теории Шонланд [59] предложил аналитическое выражение для скорости распространения фронта волны (кликните для просмотра скана) Ход рассуждений при выводе этого выражения следующий. Предположим, что концентрация электронов во фронте волны перед тем, как пройдет ударная ионизация равна
Рис. 7.1в. Диаграмма, иллюстрирующая общие черты стримерного механизма в приложении к возвратному удару. Отметим, что весь ток переносится электронами, так как подвижность положительных ионов низка. Обозначения те же, что на рис. 7.1а. Шонланд предположил в качестве «наиболее простой из возможных гипотез», что время
Таким образом, скорость распространения Выведем, на основе теории Крейвса — Леба скорость распространения волны. Пусть
где длина каждой лавины
Согласно Лебу (36], если стример развивается в неионизированном воздухе, то Вин [76] сделал следующее справедливое замечание относительно выражений (7.11) и (7.13) для скорости распространения волны. В обе формулы входит размер фронта волны
|
1 |
Оглавление
|