Теория искры - Лозанский Э.Д.
Скачать (прямая ссылка):
8.5. Коронный разряд
Если один или два электрода имеют малый радиус кривизны поверхности или резко различны по размерам, то вблизи одного или обоих электродов может образоваться область пробивного поля даже тогда, когда на электроды подано напряжение, значительно более низкое, чем то, которое необходимо для пробоя всего разрядного промежутка.
(8.20)
(8.21)
228
В этом случае пробой начинается в области усиленного поля вблизи электродов, ионизация и свечение газа происходят лишь в тонком слое вблизи электрода с малым радиусом кривизны. Этот слой называют короной, или коронирующим слоем. Вне коронирую-щего слоя ударной ионизации не происходит, так как поля там слабы и ток осуществляется движением положительных и отрицательных ионов. Эта область называется внешней областью коронного разряда.
Толщина коронирующего слоя и сила тока растут с увеличением прикладываемого напряжения, и при достижении определенного для данного промежутка напряжения коронный разряд может перейти в искровой и пробить весь промежуток.
Корона наблюдается при различных давлениях и в разных газах, однако наиболее отчетливо она выражена при относительно высоком давлении (порядка атмосферного). Так называемые «огни святого Эльма» — это коронный разряд на громоотводах и мачтах кораблей. Часто наблюдается корона на высоковольтных линиях передач.
Физика процессов, происходящих при коронном разряде,- довольно сложна и до конца еще не выяснена. В нашу задачу не входит подробное рассмотрение вопроса о коронном разряде, так как этот вопрос заслуживает написания отдельной книги, и потому лишь кратко рассмотрим физические процессы, протекающие вблизи ко-ронирующих электродов различной полярности в воздухе.
Пусть имеется разрядный промежуток острие — плоскость и на острие подан отрицательный потенциал. Когда поле на отрицательном острие становится достаточно сильным, случайный положительный ион при ударе о катод может выбить вторичный электрон, и этот электрон, удаляясь от катода, ионизирует газ и образует электронную лавину. В сильном поле вблизи острия электрон производит усиленную ионизацию, и число электронов в одной лавине можно рассчитать по формуле
п = ехр [ J a (;z)dz]. (8.22)
Лавина оставляет за собой след положительных ионов, частично экранирующих поле острия. Кроме этого, поле острия быстро падает с удалением от него. Поэтому электроны быстро теряют энергию и благодаря прилипанию образуют отрицательные ионы Oj, которые медленно дрейфуют к аноду. Положительные ионы дрейфуют к катоду и с некоторой вероятностью могут выбить из него вторичные электроны. Одновременно с ионизацией образуется большое число возбужденных молекул, причем некоторая часть из них излучает фотоны, способные производить фотоионизацию. Если поля очень сильные, то электроны могут возбуждать ионы, которые затем испускают фотоионизирующее излучение. Эти фотоны могут также выбивать электроны из катода в результате фотоэффекта. Некоторый вклад в образование вторичных электронов дают также мета-стабильные молекулы, дрейфующие к катоду.
229
Таким образом, в случае коронного разряда можно, по-видимому, пользоваться условием самостоятельности разряда Таунсенда с учетом зависимости а (г). Это условие теперь будет иметь вид
Здесь у включает все возможные процессы, ведущие к выбиванию электронов из катода; а— отсчитанная вдоль силовой линии поля ширина слоя, в котором напряженность поля достаточно велика для ионизации электронным ударом; г — радиус кривизны острия. Когда поле положительного пространственного заряда становится .достаточно большим, оно практически полностью экранирует поле острия, и ионизация прекращается. Ток при этом сильно уменьшается. Положительные ионы приходят на катод, уменьшая тем самым поле пространственного заряда. Когда к катоду подходят последние ионы, поле опять становится сильным, и эти ионы выбивают электроны, давая начало новым электронным лавинам, и т. д.
Процесс повторяется периодически, причем период зависит от напряженности поля, удаляющего положительные ионы. Таким образом, возникают пульсации тока, наблюдаемые экспериментально [4]. Эти пульсации получили в литературе название импульсов Тричела.
При давлениях порядка атмосферного таунсендовский процесс ионизации, который характеризуется коэффициентом у, может и не быть основным процессом, обусловливающим повторение импульсов. Это подтверждается экспериментами Беннета [5], в которых было установлено, что начальное напряжение появления импульсов Тричела практически не зависит от материала острия. В этом случае механизмом, ответственным за появление вторичных электронов, по-видимому, является фотоионизация газа.
Картина развития разряда выглядит при этом так. Начальные электроны или один начальный электрон, двигаясь в усиленном поле острия, производят возбуждение и ионизацию газа, образуя лавину, движущуюся от острия. Головка лавины непрерывно излучает фотоны. Вторичные электроны, образованные в результате фотоионизации вблизи острия, дают начало новым лавинам, и таким образом возникает самоподдерживающийся разряд.
