Электрический разряд в воздухе

Основной причиной возникновения электрического разряда в газе является ударная ионизация, которая возникает под действием электронов ускоряемых электрическим полем. В электроположительных газах, в которых невозможно образование отрицательных ионов, интенсивность этого процесса характеризуется коэффициентом ударной ионизации . Физический смысл заключается в следующем. Это число столкновений электрона на единичном пути, умноженному на вероятность ионизации:

= exp (- ). (1.2)

где - средняя длина свободного пробега электрона;

x - путь, который должен пройти электрон, чтобы набрать энергию равную или большую энергии ионизации.

В электроотрицательных газах помимо образования электронов в результате ударной ионизации происходит потеря электронов за счет их «прилипания» к нейтральным молекулам с образованием малоподвижных отрицательных ионов.

Этот процесс характеризуется коэффициентом «прилипания»/захвата - , который равен числу актов прилипания на единичном пути вдоль силовых линий электрического поля.

Поскольку в воздухе есть электроположительные и электроотрицательные газы, то суммарный ионизационный процесс характеризуется эффективным коэффициентом ударной ионизации =

Коэффициенты и зависят от напряженности электрического поля Е, давления p и абсолютной температуры газа T. Для воздуха при давлении и температуре, близких к нормальным такая зависимость обычно имеет вид:

=f(), (1.3)

где - относительная плотность воздуха.

, (1.4)

где и давление и температура, соответствующие нормальным условиям.

Напряжение, при котором возникает самостоятельный разряд, называют начальным напряжением. В промежутках с однородным или слабонеоднородным полем начальное напряжение совпадает с пробивным. В промежутках с неоднородным или резконеоднородным полем при начальном напряжении возникает коронный разряд.

Для расчета начальных и пробивных напряжений в газе обычно используется математическая формулировка условия самостоятельности разряда в виде:

(x)dx = K. (1.5)

В этом выражении является функцией напряженности электрического поля, координаты x на всей длине разрядного промежутка S, а также . Для воздуха эта функция имеет следующий вид:

=0.2 ( - ), (1.6)

где =24.5 кВ/см – критическая напряженность (минимальная), при которой возможна эффективная ионизация в воздухе. Важно отметить, что это выражение справедливо в очень большом диапазоне напряженностей (до 100кВ/см) и давлений (до нескольких мегапаскалей).

Для воздуха хорошее совпадение расчетных и экспериментальных значений условия самостоятельности обеспечивается при К 8.2.

В промежутке с неоднородным полем меняется вдоль силовой линии электрического поля. Поэтому необходимо проводить интегрирование вдоль силовой линии поля в соответствии с (1.5). При определении начальных напряжений встречаются два характерных случая. В первом случае E > на всем протяжении центральной силовой линии. Интегрирование при этом надо вести вдоль всей силовой линии. Во втором случае E > только на части центральной силовой линии. Следовательно, эффективная ионизация может осуществляться только там где E > . Таким образом интегрирование по выражению (1.5) необходимо вести не по всей длине, а только на участке воздушного промежутка, где выполняется условие E > .