В газах наблюдается только электрический пробой.

В газообразных диэлектриках есть некоторое количество свободных ионов и электронов, которые под действием электрического поля начинают перемещаться к аноду. Важная роль при пробое, особенно в начальной стадии, принадлежит электронам как частицам, имеющим намного большую подвижность, чем ионы. Электрон при соударении с молекулой передает ей часть своей энергии, после этого возможны два варианта событий, которые упрощенно можно описать так :

1.     молекула ионизируется, испуская электрон, таким образом, двигаются (разгоняясь в поле) два электрона, которые могут ионизировать две другие молекулы  и теперь уже движутся четыре свободных электрона, которые могут ионизировать следующие четыре молекулы — в результате наблюдается  ударная ионизация приводящая к возникновению  электронной лавины;

2.     молекула переходит в возбужденное состояние и отдает избыточную энергию в форме излучения — фотона, который может ионизировать другую молекулу, таким образом, происходит фотонная ионизация приводящая к возникновению канала с повышенной проводимостью (стримера).

Фотоны, двигаясь со скоростью света (3•108 м/с), опережают электронные лавины и  «столкнувшись» с нейтральными молекулами, ионизируют их, давая начало новым электронным («дочерним») лавинам.

Основная и дочерние лавины, двигаясь к аноду, растут, догоняют друг друга, сливаются и образуют электроотрицательный стример — цепочку электронных лавин, слившихся в единое целое. Также  образуется поток из положительных ионов, который двигается в обратном направлении, образуя электроположительный стример. Подходя к катоду, положительные ионы, ударяясь о его поверхность, образуют светящееся катодное пятно, излучающее «вторичные» электроны. 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.

На рисунке 5.9 представлена схема, поясняющая развитие электрического пробоя, где лавины условно показаны  в виде заштрихованных конусов, а волнистыми линиями изображены пути фотонов. Начала волнистых линий исходят из атомов, которые были возбуждены, ударом электрона и вслед за тем испустили фотон.

Рис. 5.9. Схематическое изображение электронной лавины и образования электроотрицательного стримера при пробое газа

Образование плазменного газоразрядного канала (рисунок 5.10) фактически и есть пробой газов. Возникновение Iкз — следствие пробоя. В зависимости от величины Iкз пробой проявляется в виде искры или электрической дуги.

 

Рис. 5.10. Схематическое изображение образования газоразрядного плазменного канала

Для пробоя газа в постоянном однородном поле характерна зависимость Епр от давления (рисунок 5.11.а).  При значениях давления выше нормального газ сжимается и, следовательно, уменьшается средняя длина свободного пробега электрона. Поэтому для выполнения условия возможности пробоя необходимо повысить напряженность электрического поля Е. При разряжении газа средняя длина свободного пробега электрона возрастает, и при этом электроны могут приобрести добавочную энергию даже при меньшем значении напряженности поля. В области высокого вакуума Епр возрастает, так как в результате сильного разряжения газа уменьшается число молекул в единице объема и снижается вероятность столкновения электронов с молекулами. Давление 0.1 МПа соответствует нормальному атмосферному давлению.

Епр воздуха в однородном поле растет, как показано на рисунке 5.11 б), с уменьшением расстояния между электродами из-за уменьшения вероятности столкновения электронов с молекулами газа. Рост электрической прочности в данном случае вызван трудностью формирования разряда  из-за малого расстояния между электродами.

Пробивное напряжение газов существенно снижается в неоднородных полях, например, для воздуха при d=1 см от 30 кВ до 9 кВ.

 

  

                                      а)                                                     б)

Рис. 5.11. Зависимость электрической прочности газа от давления

 

Закон Пашена. Закон Пашена показывает зависимость Unp газообразных диэлектриков в конкретной конструкции от произведения давления Р газа на расстояние h между электродами (рис. 5.12). Закон устанавливает, что каждому газу соответствует свое минимальное значение пробивного напряжения Unp.мин  в зависимости от произведения Ph. Для газов, состоящих из двух- и многоатомных молекул, Uпр.мин лежит в пределах от 280 В (Н2) до 420 В (СО2). На частоте 50 Гц у неионизированного воздуха в однородном электрическом поле Uпр.мин ~ 326 В. У инертных газов (газов, состоящих из одноатомных молекул) Uпр.мин,, ниже, чем у газов из многоатомных молекул (например, у чистого аргона Uпр.мин ≈195 В, а у аргона с примесью паров натрия ~ 95 В, у неона с парами натрия ~ 85 В). Поэтому для снижения Uпр.мин инертных газов, используемых в газоразрядных приборах, электроды изготавливают (или хотя бы их покрывают) из металлов с присадками щелочных или щелочноземельных металлов, обладающих малой работой выхода электронов.

В неоднородном поле на Uпр влияет также полярность электродов. Так, для электродов с малым радиусом кривизны Uпр при положительной полярности оказываются ниже, чем при отрицательной. Это связано с образованием положительного объемного заряда у острия в результате развития коронного разряда, что приводит к возрастанию напряженности поля в остальной части промежутка.

Рис. 5.12. Зависимость пробивного напряжения Uпр.макс воздуха (1) и неона (2)  от от произведения давления газа Р на расстояние между электродами h

При достаточно высоких частотах свободные электроны успевают сместиться на большие расстояния и достигают электродов. Ионы с большой массой за время полупериода колебаний не успевают сместиться на значительные расстояния и концентрация положительных ионов в межэлектродном пространстве растет, приводя к появлению так называемого «объемного заряда». Поэтому, начиная с частот, превышающих десятки килогерц вероятность столкновения ионов с молекулами возрастает и электрическая прочность газов уменьшается (рисунок 5.13). Дальнейший рост частоты электрического поля приводит к тому, что за время полупериода не только положительные ионы не успевают сместиться на значительные расстояния, но и электроны не успевают вылететь из межэлектродного пространства. Вероятность рекомбинации заряженных частиц растет и их концентрация падает. Кроме того, снижение времени полупериода требует увеличения силы, действующей на ионы, чтобы кинетической энергии хватило для ионизации молекул. Поэтому при частотах, превышающих один мегагерц, электрическая прочность газов возрастает.

 

Рис. 5.13. Зависимость электрической прочности газа от частоты электрического поля

Пробою газа (воздуха) в неоднородном поле предшествует коpонный разряд или корона, являющийся неполным пробоем. Корона возникает при напряжении Uк, которое ниже, чем Unp (Uk<Unp), вблизи электрода с малым радиусом кривизны, на заостренных металлических кpаях и т.п.; она наблюдается в виде прерывистого голубоватого свечения и сопровождается характерным звуком (жужжанием или потрескиванием). С повышением напряжения коронный разряд переходит в искровой и затем при достаточной мощности источника напряжения — в дуговой разряд.

В случае электродов типа стержень-плоскость, создающих резко неоднородное поле, Uпр газов будет наименьшим при положительной полярности стержня и наибольшим — при отрицательной полярности стержня (рисунок  5.14). Объясняется это следующим. Как отмечено выше, пробою  воздушного промежутка предшествует коронный разряд. Образующиеся при этом электроны, имея большую (в ~ 1000 раз) подвижность, чем положительные ионы, быстро уходят из коронирующего слоя, и возникает объемный положительный заряд. Образовавшийся около острия электрода объемный положительный заряд по-разному влияет на величину напряжения воздушного промежутка. Если на электроде в виде стержня будет положительный потенциал, то объемный положительный заряд приведет к увеличению напряженности поля во внешней области короны, и пробой произойдет при более низком значении Uпр. Если на стержне будет отрицательный потенциал, тогда объемный положительный заряд уменьшит напряженность поля во внешней области короны, и пробой воздушного промежутка наступит при большем значении Uпр. С уменьшением длительности импульса (повышением частоты напряжения) различие между значениями Uпр в зависимости от полярности стержня уменьшается. Величина Uпр при пробое газа при высоких частотах в неоднородном поле (в отличие от пробоя в однородном поле) значительно ниже, чем Uпр при постоянном напряжении или напряжении промышленной частоты.

 

Рис. 5.14. Зависимость пробивного напряжения Uпр воздуха от расстояния h

между электродами (поле неоднородное)

 

В неоднородных полях с увеличением влажности воздуха пробивное напряжение Uпр возрастает. Это можно объяснить повышенной способностью молекул воды захватывать свободные электроны и превращаться в малоподвижные отрицательные ионы. В результате число ионизирующих электронов в межэлектродном пространстве уменьшается, поэтому разрядное напряжение" возрастает. Приближенно можно считать, что при увеличении абсолютной влажности воздуха в два раза Unp при частоте 50 Гц возрастает на 10%.

Поверхностный разряд. Если электрическое поле в межэлектродном пространстве однородное, то пробой может произойти в любом месте и при самом высоком напряжении. Если же в однородное поле внести твердый диэлектрик, как это показано на рисунке  5.15.а, то электрический разряд произойдет в воздухе по поверхности твердого диэлектрика и, при прочих равных условиях, при более низком напряжении. В данном случае разрядное напряжение Up будет зависеть от ряда факторов и, в первую очередь, от физико-химических свойств твердого диэлектрика, состояния поверхности образца и расположения ее относительно силовых линий поля, влажности воздуха, формы и частоты приложенного поля, плотности прилегания электродов к твердому диэлектрику и расстояния между ними.

                                                                                         а                                                   б

 

Рис. 5.15 Распределение линий вектора Е в электроизоляционной конструкции, состоящей из твердого диэлектрика (1) и воздуха (2):

а — силовые линии поля направлены параллельно,

б — перпендикулярно относительно границы раздела диэлектриков

 

Кривые зависимости Up от расстояния L между электродами в однородном и неоднородном электрическом полях в зависимости от природы твердого диэлектрика (величины диэлектрической проницаемости ε и удельной поверхностной электропроводности gs) представлены на рисунке 5.16.  Из рисунка видно, что с увеличением расстояния между электродами Up возрастает неодинаково у твердых диэлектриков различной химической природы. Самое высокое Up наблюдается при разряде вдоль поверхности неполярных твердых диэлектриков молекулярного строения. У полярных диэлектриков Up ниже, чем у неполярных, и тем ниже, чем больше ε и gs твердого диэлектрика и меньше его краевой угол смачивания.  У диэлектриков ионного строения (см. рисунок  5.16. а), кривые 3 и 4), которые содержат ионы щелочных металлов и поэтому имеют более высокую поверхностную электропроводность, Up еще ниже, чем у полярных диэлектриков молекулярного строения. Особенно значительно Up снижается при плохом прилегании электродов к поверхности твердого диэлектрика (кривая 5). В этом случае электрическое поле в межэлектродном пространстве становится более неоднородным, в результате разрядное напряжение снижается.

Установлено, что на поверхности твердого диэлектрика образуется сплошная или прерывистая пленка сконденсировавшейся из воздуха влаги толщиной от мономолекулярного слоя и более, которая нарушает однородность поля, и поэтому Up снижается. В данном случае электрический разряд фактически происходит в неоднородном поле. При этом чем больше электропроводность водяной пленки, тем ниже Up.

 

                                                                                 а                                           б                                    в

 

Рис. 5.16. Зависимость разрядного напряжения Up в воздухе по поверхности диэлектриков от расстояния L между электродами в однородном поле (а) и неоднородном поле (б) и от величины диэлектрической проницаемости ε(I) и удельной поверхностной электропроводности γs (II) твердого диэлектрика (в):

а, б — диаметр образцов 50 мм; 1 — парафин, 2 — бакелит, 3 — фарфор, 4 — стекло, 5 — фарфор и стекло при плохом контакте электродов, 6 — воздушный промежуток;

в — электроды плоскопараллельные с закругленными краями, диаметр образцов 45 мм, высота 30 мм, Т=20°С; У — ПТФЭ, 2— ПЭ, 3— ПС, 4— ПММА, 5— винипласт, б — древесина, 7— гетинакс, 8— воздушный промежуток

Если поверхность твердого диэлектрика сильно шероховатая и содержит трещины, то в этих местах образуются воздушные микрозазоры, которые оказываются включенными последовательно с твердым диэлектриком. Из-за разных значений диэлектрической проницаемости воздуха и твердого диэлектрика напряженность поля в микрозазорах повышается и, достигнув начальной напряженности, вызывает ионизацию воздушных включений. Ионизация, в свою очередь, становится дополнительным фактором усиления неоднородности поля и снижения Up. На снижение Up оказывают влияние и другие факторы. Известно, что в воздухе всегда имеются свободные положительные и отрицательные ионы. Поэтому на поверхности твердых диэлектриков даже в очень сухом воздухе образуется слой ионов одного знака, а над ним, в воздухе — слой ионов противоположного знака. Под действием приложенного напряжения эти ионы вместе с ионами воды смещаются к противоположно заряженным электродам, участвуя в формировании объемных зарядов. На величину образующихся у электродов объемных зарядов влияет не только поверхностная электропроводность, но и длительность воздействия напряжения. При коротких импульсах и высоких частотах (ƒ> 50 кГц) успевает сместиться малое число ионов, поэтому электрическое поле искажается слабо, и, следовательно, Up снижается незначительно.