§ 26. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАЗРЯД

В обычных условиях проводимость изоляторов очень мала. Однако в достаточно сильных электрических полях возникает так называемый пробой изолятора, или электрический разряд. В месте пробоя проводимость изолятора резко возрастает, причем она зависит сложным образом от напряженности поля, тока, начальных условий и многих других факторов.

Начнем с электрического разряда в газе. Проводимость газа в слабых полях связана с наличием в нем небольшого числа ионов и электронов, которые возникают вследствие ионизации молекул газа под действием космических лучей, радиоактивности земной коры и, в меньшей степени, ультрафиолетового излучения Солнца. Так, например, у поверхности моря космические лучи создают около двух пар ионов в кубическом сантиметре в секунду. У поверхности суши к этому прибавляется еще около пяти пар ионов за счет радиоактивности земной коры. Средняя концентрация всех ионов у поверхности Земли составляет Среднее время жизни иона до рекомбинации порядка 100 с. За такое большое время все электроны, возникшие в результате ионизации, успевают образовать отрицательные ионы, «примкнув» к молекулам кислорода. При нормальных условиях электрону требуется для этого около 105 столкновений, т. е. всего лишь с. Отсюда видно, что при обычных условиях проводимость газа в слабых полях является ионной. Реальная картина еще сложнее: проводимость определяется в основном ионными кластерами, содержащими десятки атомов газа. Проводимость воздуха у поверхности Земли в то время как проводимость лучших твердых изоляторов (янтарь, плавленый кварц) составляет а для обычного стекла -

В жидкости в отличие от газа концентрация ионов определяется не внешней ионизацией, а диссоциацией молекул благодаря их взаимодействию между собой. Такая жидкость называется электролитом. Диссоциация особенно облегчается, если жидкость представляет собой раствор, поэтому последний обладает, как правило, значительной проводимостью. Так, например, проводимость -ного раствора медного купороса что все же на семь порядков меньше, чем у меди. Это объясняется тем, что носителями заряда в электролите (так же, как и в газе) являются тяжелые ионы, а вязкость жидкости значительно больше, чем вязкость электронного газа в металле.

Вернемся теперь к газу и рассмотрим его поведение в более сильных полях. На рис. II 1.5 изображена схематически вольт-амперная характеристика газового промежутка. Область слабых полей

Рис. 111.5. Вольт-амперная характеристика газового промежутка.

Рис. 111.6. Кривые Пашена для некоторых газов.

соответствует участку а, где справедлив закон Ома. За ним следует так называемое плато (участок где ток практически не зависит от напряженности поля. В этой области электрическое поле вытягивает все рождающиеся (в промежутке) электроны. В еще более сильных полях (участок с) ток резко возрастает, и наступает пробой. Возрастание тока связано с процессами вторичной ионизации, приводящей к лавинному «размножению» электронов. Очень упрощенно этот процесс можно представить себе следующим образом. Электрон, выбитый из атома при ионизации, ускоряется внешним полем до такой энергии (~10 эВ), что он сам может ионизовать другие атомы.

Электронная лавина сама по себе приводит лишь к увеличению тока проводимости в газовом промежутке (участок с, см. рис. III.5). Для возникновения электрического, или, точнее, самоподдерживающегося разряда, необходима еще так называемая обратная связь между электродами газового промежутка. Необходимо, чтобы электронная лавина, движущаяся к аноду, вызывала бы каким-то образом новые лавины с катода. Одним из возможных механизмов такой обратной связи является фотоэффект с катода под действием фотонов, испускаемых возбужденными атомами газа или анода.

Условия зажигания разряда характеризуются так называемой кривой Пашена (рис. III.6), которая связывает между собой три основные величины: напряжение на разрядном промежутке V, длину промежутка и давление газа Прежде всего, оказывается, что зажигание разряда зависит только от произведения где — длина свободного пробега электрона. Она и характеризует скорость развития электронной лавины.

Зависимость напряжения зажигания разряда от имеет характерный минимум. Вид кривой Пашена легко объяснить качественно, рассмотрев случай постоянного давления. При развитие лавины определяется напряженностью поля, поэтому напряжение зажигания растет приблизительно пропорционально длине зазора. При очень малых однако, развитие электронной лавины также затруднено, так как электроны не успевают столкнуться с атомами газа в зазоре. Интересно отметить, что при напряжениях, меньших

минимального , зазор не пробивается ни при каких условиях.

При очень больших давлениях (точнее, больших значениях механизм развития разряда существенно изменяется. Из-за малой длины свободного пробега электронов разряд сначала локализуется в небольшой области промежутка вблизи места первичной ионизации. Распространение разряда происходит в этих условиях в основном за счет фотоионизации соседних участков газа. Такой процесс называется стримером. Примером стримерного разряда может служить молния.

Одним из интересных применений стримерного разряда является так называемая стримерная камера, в которой можно наблюдать следы заряженных частиц. В камере на очень короткое время создается сильное электрическое поле. Заряженная частица, прошедшая через камеру непосредственно перед включением поля, производит ионизацию газа вдоль своей траектории, а образующиеся при этом свободные электроны служат центрами возникновения стримеров. Свечение стримеров и позволяет наблюдать треки заряженных частиц (рис. III.7). Вследствие импульсного характера поля размеры стримеров остаются малыми, что обеспечивает высокую степень локализации траектории (порядка 0,3 мм).

При очень малых давлениях, т. е. в высоком вакууме пробой промежутка определяется почти исключительно процессами на электродах. Разряд развивается за счет автоэлектронной («холодной») эмиссии электронов с микроострий на поверхности катода, когда напряженность поля на них поднимается до величины В/см. Эмиссионный ток, плотность которого достигает на острие огромных значений, нагревает и испаряет острие, а сильное электрическое поле отрывает и увлекает на анод небольшие кусочки катода. Последние вызывают испарение материала анода, и образующиеся при этом ионы бомбардируют, в свою очередь, катод, разогревая его и вызывая термоэлектронную эмиссию.

Рис. 111.7. Фотографии треков электронов и позитронов в стрингерной камере (а) и разряда (б) в жидкости (гексан). Напряженность электрического поля 700 кВ/см, время экспозиции 5нс [4].

Описанный механизм развития разряда в высоком вакууме позволяет понять важный в практическом отношении эффект «тренировки» вакуумного зазора. Тренировка производится путем многократного пробоя зазора при небольшой мощности разряда и приводит к оплавлению острий на катоде.

Вполне естественно также, что электрическая прочность зазора существенно возрастает при очень малой длительности высокого напряжения или при его высокой частоте. Так, например, при с вакуумный зазор выдерживает поле около в то время как при с это значение падает до и дальше уже не зависит от .