Разряд в неоднородных полях. Эффект полярности

 

К типичным промежуткам с неоднородным полем относятся: стержень - стержень, стержень–плоскость, провод–земля и другие реальные изоляционные промежутки

Основные закономерности развития разряда в любых резконеоднородных полях (K_H> 4) практически одинаковы. При некотором начальном напряжении U_Нв промежутке возникает самостоятельный разряд в лавинной форме, т.к. вблизи стержня имеется область с напряженностью, превышающей значение, соответствующее возникновению самостоятельной формы разряда. Разряд локализуется в этой области, а вторичные лавины поддерживаются либо за счет фотоионизации из объема газа (при положительной полярности стержня), либо за счет фотоэмиссии или автоэлектронной (холодной) эмиссии с катода (при отрицательной полярности стержня). Такой разряд называется коронным разрядомв лавинной форме. Значение напряжения и напряженности поля на электроде при возникновении коронного разряда зависит от степени неоднородности поля. С увеличением степени неоднородности напряженность на электроде-стержне  увеличивается, а напряжение возникновения короны уменьшается.

При увеличении напряжения свыше U_H, когда количество электронов в лавине возрастает, она переходит в плазменное состояние и в промежутке возникает стример. Если в однородном поле возникший стример пересекает весь межэлектродный промежуток, то в резконеоднородном поле в зависимости от величины напряжения стример, пройдя некоторое расстояние, может остановиться. При этом плазма его распадается, но вблизи острия возникают новые стримеры, которые также останавливаются и их плазма распадается.

Такое состояние разряда устойчивое, т.к. выполняется условие самостоятельности разряда. Случай, когда стримеры не достигают противоположного электрода, получил название коронного разряда в стримерной форме.

Для пробоя всего межэлектродного промежутка необходимо еще увеличить напряжение. Тогда образуется канал, который продвигается от электрода с повышенной напряженностью (острие) к противоположному электроду. При пересечении искровым каналом всего промежутка он преобразуется в электрическую дугу, что означает завершение пробоя. В резконеоднородных полях напряжение пробоя всегда больше напряжения возникновения коронного разряда в любой форме.

В слабонеравномерных полях коронное и разрядное напряжения практически совпадают друг с другом, влияние полярности невелико.

В сильнонеравномерном поле коронное напряжение намного ниже разрядного, полярность при несимметричных электродах оказывает существенное влияние на величину разрядного напряжения.

При положительном острие (рис.1.3, а) имеющиеся в промежутке электроны, двигаясь к острию в область сильного поля, совершают ударную ионизацию и образуют лавину электронов. Когда лавина доходит до острия, электроны лавины нейтрализуются на аноде, а положительные ионы вследствие малой скорости движения остаются у острия и создают положительный объемный заряд, который обладает собственным электрическим полем E_q. В результате сложения поля объемного заряда и внешнего электрического поля E_q + E _вн результирующее поле несколько уменьшается у острия и увеличивается в объеме между положительным объемным зарядом и плоскостью.

 

 

Рис. 1.3. Развитие разряда в промежутке стержень–плоскость

 

При дальнейшем увеличении напряжения лавина электронов возникает в области наибольшей напряженности электрического поля – справа от объемного заряда. Лавина электронов и объемный заряд создают зародыш анодного стримера, заполненный плазмой. Головка стримера имеет избыточный положительный заряд, что усиливает поле и обеспечивает образование новых лавин и прорастание стримера до противоположного электрода – плоскости, т. е. облегчает пробой.

При отрицательной полярности острия (рис. 1.3, б), появившиеся у катода электроны образуют лавину, двигающуюся к плоскости. Выйдя из сильного поля острия электроны теряют энергию и перестают производить ионизацию. Часть электронов достигает анода, а часть образует при столкновениях отрицательные ионы. Образующийся у острия объемный положительный заряд усиливает поле у стержня и ослабляет в остальной части пространства.

При отрицательной полярности иглы образование лавин начинается между стержнем и объемным зарядом – катодная лавина. Вследствие этого вокруг стержня образуется плазменный слой, который увеличивается с повышением напряжения. Напряженность поля на поверхности слоя растет и начинается образование лавин справа от объемного заряда. Образование катодных стримеров происходит в области с более низкой напряженностью электрического поля, что затрудняет развитие стримера. Скорость их оказывается на порядок ниже, чем скорость положительного стримера при положительной игле. В результате разрядные напряжения при отрицательной игле в 2–2,5 раза выше, чем при положительной. Это и есть проявление эффекта полярности. При небольших промежутках (8–10 см) их электрическая прочность составляет 8–15 кВ/см.

Применение барьеров

 

Электрическая прочность системы с резконеравномерным полем может быть повышена за счет барьеров (рис. 1.4). В качестве барьеров используют твердые диэлектрики (электрокартон, гетинакс и др.). При наличии барьера напряженность электрического поля на участке острие – барьер снижается, а на участке барьер–плоскость – возрастает. Поле становится более однородным.

Рис. 1.4. Барьер в резконеоднородном поле

 

При отрицательном острие барьер задерживает двигающиеся к плоскости электроны, которые образуют на его поверхности отрицательные ионы и тем самым создается концентрированный отрицательный заряд.

При положительном острие он также задерживает положительные ионы, которые растекаются по его поверхности, т. о. формируя как бы положительную плоскость.

Наиболее эффективным является расположение барьера на расстоянии (0,2-0,3) L от иглы. В этом случае разрядные напряжения при положительной игле увеличиваются более чем в два раза, а при отрицательной – не уменьшаются. Расположение барьера у иглы не дает большого эффекта, т.к. при положительной игле ионы располагаются на барьере неравномерно, а при отрицательной – электроны летят с большой скоростью и проходят через барьер, т. е. отрицательный заряд не создается.