Основные виды ионизационных процессов в газовом разрядном промежутке. Энергия ионизации и работа выхода

Величины, характеризующие электрическую прочность диэлектрика.

Пробивное напряжение изоляцииU _пр - значение напряжения на изоляции при превышении которого наступает явление потери изоляцией изоляционных свойств (электрическим пробой).

Электрическая прочность диэлектрикаE_пр - среднее значение напряженности электрического поля в межэлектродном промежутке непосредственно перед пробоем:

,

где S – расстояние между электродами.

На электрическую прочность изоляционного промежутка сильно влияет форма электродов.

По степени однородности электрического поля, зависящей от формы электродов, различают два вида изоляционных промежутков:

• изоляционные промежутки с однородным и слабонеоднородным электрическим полем (СНП);

• изоляционные промежутки с резконеоднородным электрическим полем (РНП).

 

Коэффициент неоднородности k_н - отношение максимального значения напряженности электрического поля в изоляционном промежутке к среднему значению напряженности электрического поля:

К промежуткам с СНП относятся промежутки, у которых k_н < 3. Это промежутки с электродами типа плоскость – плоскость с закругленными краями или промежутки с электродами типа шар – шар, если радиусы шаров много больше расстояния между их поверхностями.

К промежуткам с РНП относят промежутки, имеющие k_н > 3. Наиболее резко выраженными изоляционными промежуткам этого типа являются промежутки с электродами стержень (игла) – плоскость.

 

Основные виды ионизационных процессов в газовом разрядном промежутке. Энергия ионизации и работа выхода.

В нормальном неионизированном состоянии газы являются почти идеальными диэлектриками. Это состояние нарушается под воздействием напряженности электрического поля, при которой в газе возникает интенсивная ионизация -газовый разряд. При газовом разряде резко возрастает ток, стекающий с электродов. Этот ток есть ток конвекции, обусловленный движением заряженных частиц между электродами.

В газах атомы обычно связаны в молекулы. При отрыве одного электрона от нейтральной молекулы возникает однозарядный положительный ион; его заряд по величине равен заряду электрона +q_e(1,6*10^-19 К).

Процесс отрыва электрона от молекулы называется ионизацией.

Для ионизации молекулы требуется затратить энергию. В атомных процессах энергию принято измерять в электрон-вольтах (эВ). Энергия в 1эВ равна кинетической энергии, которую приобретает электрон при свободном движении между двумя точками с разностью потенциалов в 1В. Следовательно, 1эВ равен энергии q_eU=1,6*10^-19 К • 1 В = 1,6* 10^-19 Вт• сек. Так как заряд электрона постоянен, энергию можно также численно измерять величиной напряжения (или потенциала) U, выражаемого в вольтах.

Значения энергии или потенциал, необходимый для ионизации U_и атмосферного воздуха близок к потенциалу ионизации основных атмосферных газов – кислорода (U_и =12,5В), водорода (U_и =15,4В;), азота (U_и =15,8В). Наибольшие значения U_и имеют инертные газы - гелий, неон, аргон и др.; наименьшие значения - щелочные газы.

Ударная ионизация -ионизация при столкновении молекулы с электроном, ускоренным в электрическом поле называется ударной ионизацией. Число ионизаций, совершаемое одним электроном на единичном пути в направлении поля, наз. коэффициентом ударной ионизации.

Фотоионизация - ионизация в результате поглощения молекулой квантов лучистой энергии, т.е. фотонов. Энергия фотона

где v - частота излучения, 1/с;

h- постоянная Планка, равная 4,13 • 10'⁸ эВ*с.

Условия ионизации выражается формулой:

Как видно из формулы, повышение частоты увеличивает способность фотона к ионизации. Наибольшей ионизирующей способностью обладают космические лучи, γ - излучение радиоактивного распада, рентгеновские и ультрафиолетовые лучи.

Термоионизация. Температура является мерой кинетической энергии хаотического (теплового) движения молекул и свободных электронов в газе. Величина этой энергии определяется для молекулы выражением

где к - постоянная Больцмана, равная 0,86 • 10" эВ/ °К;

Т - температура, °К.

При достаточно высокой температуре становится возможной ионизация в результате столкновения электронов с молекулами. Процесс термоионизации играет решающую роль в столбе электрической дуги, температура которого составляет от 4000 до 15000°К.

Поверхностная ионизация -это эффект испускания из электродов (из катода) свободных электронов. Для выхода из металла (преодоления потенциального барьера) электроны должны получить энергию, достаточную для выхода (энергия поверхностной ионизации). Эта энергия для всех металлов значительно ниже энергии ионизации молекул газов.

Поверхностная ионизация может иметь различные формы:

• термоэлектронная эмиссия – освобождение электронов из катода при его нагреве; в отличие от термической ионизации требуется сравнительно небольшая температура в несколько сотен градусов;

• фотоэлектронная эмиссия – освобождение электронов при облучении катода коротковолновым электромагнитным излучением (эффект Столетова); для многих металлов достаточно облучения видимым светом;

• автоэлектронная эмиссия – освобождение электронов из металла за счет высокой напряженности электрического поля порядка 10⁵– 10⁶В/см, которая может быть реализована на остриях;

• вторичная электронная эмиссия – освобождение электронов из катода при бомбардировке его тяжелыми частицами (положительными ионами).