Электропроводность газообразных диэлектриков

Электропроводность в газах возникает только при наличии в них ионов или свободных электронов. Ионизация нейтральных молекул газа происходит или под действием внешних факторов, или вследствие соударения ионизиро­ванных частиц самого газа, ускоренных электрическим полем, с молекулами газа. Внешними факторами являются ультрафиолетовые лучи, рентгеновское излучение, космические лучи, радиоактивное излучение, а также термический нагрев газа. Ионизация происходит вследствие поглощения нейтральными мо­лекулами фотонов. Энергия фотона определяется по формуле , где

- постоянная Планка, - частота излучения, 1/с; - скорость света; -

длина волны.

Ионизация молекул происходит при превышении энергией кванта излуче­ния величины потенциала ионизации, :

(2.4)

где - потенциал выхода (работа, которую необходимо затратить для удале­ния за пределы атома частицы, носителя заряда), -заряд электрона (1,6 Кл)

С повышением частоты способность молекул газа к ионизации увеличива­ется.

Энергия, которую необходимо затратить на ионизацию молекул газа изме­ряется в электроновольтах (эВ). Энергия в 1 эВ равна кинетической энергии, которую приобретает электрон при свободном движении между двумя точками с разностью потенциалов в 1В. Следовательно, 1эВ равен энергии е , Вт с(Дж). Потенциал ионизации большинства газов находится в пределах 10-20эВ.

Свободные электроны, находясь в движении, сталкиваются с молекулами газа и при этом часть из них рекомбенирует, то есть захватывается положи­тельными ионами, а часть, которая захватывается нейтральными молекулами, образует отрицательные ионы. Время жизни свободного электрона составляет около с. Так как процессы ионизации и рекомбинации проходят одновре­менно, то при определенной температуре и давлении наступает равновесие, при котором обеспечивается постоянная концентрация ионов. На основании результатов исследований было установлено, что в обычных условиях средняя концентрация положительных ионов в воздухе составляет , а отрица-

тельных - 650

Под воздействием внешних факторов газ приобретает хотя и очень малую, но определенной величины электропроводность, которая называется несамо­стоятельной.

При увеличении напряжения, прикладываемого к газовому промежутку, воз­никает ударная ионизация электронами, которые под действием поля приобре­тают кинетическую энергию, достаточную для ионизации нейтральных моле кул при их соударении. Одновременно с ионизацией газа происходит и реком­бинация положительных и отрицательных ионов с образованием нейтральных молекул. Электропроводность газа, обусловленная ударной ионизацией, назы­вается самостоятельной.

На рис.2.2. приведена вольтамперная характеристика газового промежутка. В случае образования электропроводности под действием внешних факторов при незначительном напряжении ток очень мал, и баланс процессов образова­ния ионов и их рекомбинации сохраняется. В рассматриваемом режиме выпол­няется закон Ома

(2.5)

где - плотность тока; - удельная проводимость; - прикладываемое на­пряжение; - расстояние между электродами. На рис 2.2. этот режим соответствует участку О А.

Рис 2.2. Вольтамперная характеристика газового промежутка.

При дальнейшем увеличении напряжения баланс процессов образования ионов и их рекомбинации нарушается, так как ионы уносятся к электродам не успевая рекомбинировать. Ток растёт медленнее напряжения (участок АВ). Уменьшение концентрации ионов продолжается с ростом напряжения и при определенном его значении наступает насыщение (участок ВС). Ионы, обра­зующиеся под воздействием внешних ионизаторов, уносятся к электродам. Плотность тока в этом случае равна

(2.6)

где - количество положительных и отрицательных ионов; - заряд иона; -расстояние между электродами.

Дальнейшее увеличение напряжения сопровождается усилением ударной ионизации и увеличением количества свободных электронов практически в геометрической прогрессии, что приводит к резкому возрастанию тока.