книги / Техника высоких напряжений
..pdfСовершенно |
естественно, |
что |
наибольший |
интерес |
для |
техники |
||||||||||||||
в процессе |
эксплуатации |
|
первона |
высоких |
напряжений. |
|
Несколько |
|||||||||||||
чальные |
диэлектрические |
свойства |
особое значение в этом разделе за |
|||||||||||||||||
изоляции постоянно ухудшаются под |
нимает глава, посвященная потерям |
|||||||||||||||||||
влиянием |
внешних |
воздействий. |
на коронный разряд в линиях элек |
|||||||||||||||||
В эксплуатации многие виды изо |
тропередачи, которая по своей на |
|||||||||||||||||||
ляционных |
конструкций |
(изоляция |
правленности ближе к курсу элек |
|||||||||||||||||
генераторов, |
трансформаторов, |
ка |
трических сетей. Однако для изу |
|||||||||||||||||
белей |
и т. д.) работают |
при повы |
чения короны на проводах линий |
|||||||||||||||||
шенных |
температурах, |
подвергают |
электропередач необходима вся сум |
|||||||||||||||||
ся механическим воздействиям |
(на |
ма сведений, полученных в осталь |
||||||||||||||||||
пример, при коротких замыканиях); |
ных главах раздела «Разряды в га |
|||||||||||||||||||
в эксплуатации возможно также за |
зах», поэтому этот вопрос обычно |
|||||||||||||||||||
грязнение |
и увлажнение |
изоляции. |
рассматривается |
|
в |
курсе техники |
||||||||||||||
Все эти факторы способствуют уско |
высоких напряжений. |
|
|
|
|
|
||||||||||||||
рению процесса старения изоляции, |
Разделы 2 и 3 посвящены изу |
|||||||||||||||||||
во время которого в изоляции мо |
чению изоляции линий электропере |
|||||||||||||||||||
гут развиваться различные дефекты, |
дачи, |
трансформаторов, |
|
генерато |
||||||||||||||||
снижающие ее электрическую проч |
ров, |
кабелей |
и |
высоковольтных |
||||||||||||||||
ность. В конце концов она может |
конденсаторов. В этих разделах ос |
|||||||||||||||||||
уменьшиться |
настолько, |
что изоля |
новное |
внимание |
уделяется |
не |
||||||||||||||
ция будет пробита под действием |
столько |
деталям |
|
конструкции |
раз |
|||||||||||||||
перенапряжений или даже нормаль |
личных |
изоляционных |
|
устройств, |
||||||||||||||||
ного |
напряжения установки. |
По |
сколько |
ее основным |
характеристи |
|||||||||||||||
скольку |
каждое |
повреждение |
изо |
кам, условиям работы в эксплуата |
||||||||||||||||
ляции означает аварию в системе, а |
ции и основным видам заводских |
|||||||||||||||||||
короткое замыкание в аппарате при |
испытаний. Условия |
работы изоля |
||||||||||||||||||
водит |
к |
его |
серьезному |
поврежде |
ции |
трансформаторов |
и |
вращаю |
||||||||||||
нию, |
необходимо |
заранее |
заменить |
щихся машин тесно связаны с пере |
||||||||||||||||
дефектную изоляцию новой или ор |
ходными процессами в их обмотках, |
|||||||||||||||||||
ганизовать ее ремонт до того, как |
без |
знания |
которых |
невозможно |
||||||||||||||||
она будет пробита в эксплуатации. |
правильное конструирование их изо |
|||||||||||||||||||
Для |
своевременного |
обнаружения |
ляции. Поэтому в соответствующих |
|||||||||||||||||
развивающихся |
дефектов |
в изоля |
главах уделяется определенное вни |
|||||||||||||||||
ции должна быть разработана си |
мание |
основным |
закономерностям |
|||||||||||||||||
стема эксплуатационных |
испытаний |
переходных процессов в обмотках. |
||||||||||||||||||
изоляции, которые называются про |
Раздел |
4 |
целиком |
|
посвящен |
|||||||||||||||
филактическими |
испытаниями. |
|
профилактическим испытаниям изо |
|||||||||||||||||
В соответствии с весьма кратко |
ляции, причем рассматриваются как |
|||||||||||||||||||
перечисленными |
выше |
вопросами, |
физические |
основы |
различных |
ме |
||||||||||||||
составляющими |
основу |
|
проблемы |
тодов |
испытаний, так |
и практиче |
||||||||||||||
изоляции |
электрических |
систем, |
ские |
рекомендации по применению |
||||||||||||||||
курс |
техники |
высоких |
напряжений |
этих |
методов. |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
делится на две части, обычно читае |
Вторая |
часть |
курса |
|
отведена |
|||||||||||||||
мые в двух смежных семестрах. |
|
проблеме перенапряжений, защите |
||||||||||||||||||
Первая часть курса, в которой |
от перенапряжений |
и |
координации |
|||||||||||||||||
рассматриваются |
устройство |
и |
изоляции. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
основные |
характеристики |
различи |
Раздел 5 начинается |
|
специаль |
|||||||||||||||
ных типов |
изоляции, |
применяемых |
ной главой, в которой сообщаются |
|||||||||||||||||
в электрических системах, начинает |
основные сведения о разряде мол |
|||||||||||||||||||
ся с газовой изоляции. В этом раз |
нии, являющейся |
источником |
гро |
|||||||||||||||||
деле |
основное внимание |
|
уделяется |
зовых перенапряжений. В гл. 2 это |
||||||||||||||||
разряду |
в |
газах |
при |
атмосферном |
го раздела |
рассматриваются |
вол |
|||||||||||||
и более высоких давлениях, так как |
новые процессы в линиях электропе |
|||||||||||||||||||
именно |
этот |
случай |
представляет |
редачи, |
которые |
всегда |
|
сопровож- |
12 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Введение |
|
|
|
|
|
|
|
|
дают разряды молнии, причем изу |
вольтных |
лабораторий |
и |
высоко |
|||||||||||||
чаются только те вопросы, которые |
вольтным измерениям. В настоящем |
||||||||||||||||
имеют прямое отношение к расчетам |
учебнике |
такие |
разделы |
отсутст |
|||||||||||||
грозовых перенапряжений |
в элек |
вуют. Длительный опыт преподава |
|||||||||||||||
трических |
системах. |
В |
остальных |
ния на |
электроэнергетическом |
фа |
|||||||||||
главах раздела 5 обсуждаются во |
культете МЭИ и неоднократное об |
||||||||||||||||
просы |
|
грозозащиты отдельных эле |
суждение этого вопроса с предста |
||||||||||||||
ментов |
электрической |
системы |
и |
вителями других специальностей по |
|||||||||||||
описываются |
устройство |
и |
основ |
казали, что для студентов, не спе |
|||||||||||||
ные характеристики защитных аппа |
циализирующихся |
по |
технике |
вы |
|||||||||||||
ратов |
и схем грозозащиты. |
|
|
соких |
напряжений, |
ознакомление |
|||||||||||
Раздел 6 посвящен в основном |
с основным высоковольтным обору |
||||||||||||||||
внутренним перенапряжениям, |
но |
дованием |
и измерениями |
достаточ |
|||||||||||||
начинается он главой о способах за |
но производить во время лабора |
||||||||||||||||
земления |
нейтрали |
электрических |
торных занятий, на которые по |
||||||||||||||
систем, |
имеющей |
несколько более |
учебному |
плану электроэнергетиче |
|||||||||||||
общее |
|
значение. Затем |
последова |
ского факультета |
МЭИ |
отводится |
|||||||||||
тельно |
|
рассматриваются |
основные |
около 60 ч. С целью облегчить это |
|||||||||||||
виды |
внутренних |
перенапряжений, |
ознакомление, кафедрой ТВН МЭИ |
||||||||||||||
причем |
последняя самая |
обширная |
выпущено |
специальное |
пособие |
по |
|||||||||||
глава |
посвящена |
перенапряжениям |
высоковольтным |
установкам и |
из |
||||||||||||
в дальних передачах, которые в по |
мерениям, |
причем |
этот |
материал |
|||||||||||||
следнее время приобрели особо важ |
практически не излагается на лек |
||||||||||||||||
ное значение. |
высоких напряжений |
циях. Зато профилактическим испы |
|||||||||||||||
В технике |
таниям |
изоляции |
и |
в |
учебнике и |
||||||||||||
весьма большое значение имеют экс |
в лекциях уделяется большое вни |
||||||||||||||||
периментальные |
исследования, |
по |
мание, так как именно с этим видом |
||||||||||||||
этому в большинстве издававшихся |
испытаний |
будущим |
инженерам- |
||||||||||||||
ранее курсов имелись разделы, по |
энергетикам придется |
больше |
все |
||||||||||||||
священные |
оборудованию |
высоко |
го иметь дело. |
|
|
|
|
|
ЧАСТЬ ПЕРВАЯ
ИЗОЛЯЦИЯ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ
|
|
|
Р А З Д Е Л П Е Р В Ы Й |
|
|
|
|||
|
|
|
РАЗРЯДЫ |
В ГАЗАХ |
|
|
|
||
|
|
|
|
ГЛАВА ПЕРВАЯ |
|
|
|
||
|
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ГАЗОВОЙ |
ИЗОЛЯЦИИ |
|
||||||
Воздух |
или другие газы |
в той |
ние |
которой |
приобретает |
принци |
|||
или иной степени всегда присутст |
пиально важное значение. |
|
|||||||
вуют в любой изоляционной конст |
Но воздух или другой газ имеют |
||||||||
рукции. Шины распределительных |
значение не только естественной га |
||||||||
устройств, |
провода |
линий электро |
зовой среды, в которой находятся |
||||||
передачи, |
выводы |
высокого |
напря |
изоляционные конструкции, |
как это |
||||
жения |
трансформаторов и |
других |
было в приведенных |
выше |
приме |
||||
аппаратов изолированы друг от дру |
рах. |
Газ может |
использоваться |
||||||
га воздушными промежутками, в ко |
также в качестве одного из основ |
||||||||
торых |
воздух играет роль |
единст |
ных изоляционных материалов в ка |
венного изолирующего вещества. белях, конденсаторах и других
Опорные |
изоляторы |
|
подстанций, |
электрических |
аппаратах. |
|
|
|||||||||
подвесные |
изоляторы |
линий элек |
Основным |
недостатком газовой |
||||||||||||
тропередачи и другие изоляционные |
изоляции |
является |
ее недостаточ |
|||||||||||||
конструкции находятся в воздушной |
ная |
электрическая |
прочность. |
На |
||||||||||||
среде. |
Нарушение |
электрической |
пример, |
слой |
воздуха |
толщиной |
||||||||||
прочности изоляторов |
и изоляцион |
0,5 см выдерживает напряжение по |
||||||||||||||
ных |
конструкций может |
произойти |
рядка 17 /се, а слой чистого транс |
|||||||||||||
путем пробоя твердого диэлектрика, |
форматорного масла той же толщи |
|||||||||||||||
из |
которого |
изготовлен |
изолятор, |
ны около 150 /се. Поэтому целесо |
||||||||||||
или путем развития разряда в воз |
образность применения газовой изо |
|||||||||||||||
духе |
вдоль |
поверхности |
твердого |
ляции тесно связана с возможно |
||||||||||||
диэлектрика. Так как |
пробой |
ди |
стью |
увеличения ее |
электрической |
|||||||||||
электрика приводит к полному вы |
прочности. |
|
прочность |
газа |
||||||||||||
ходу изолятора из строя, а пере |
Электрическая |
|||||||||||||||
крытие по поверхности в большин |
увеличивается |
при повышении дав |
||||||||||||||
стве случаев не приносит изолятору |
ления от атмосферного до более вы |
|||||||||||||||
существенного |
вреда, |
напряжение |
соких. Например, тот же слой воз |
|||||||||||||
пробоя изолятора всегда стараются |
духа толщиной 0,5 см при давлении |
|||||||||||||||
сделать больше |
напряжения |
пере |
15 ата * будет иметь прочность око |
|||||||||||||
крытия по поверхности. Таким обра |
ло 190 /се, т. е. больше, чем у транс |
|||||||||||||||
зом, |
фактическая |
электрическая |
форматорного масла. С другой сто |
|||||||||||||
прочность очень |
многих |
изоляцион |
роны, известно, что |
прочность |
воз |
|||||||||||
ных конструкций определяется элек |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
трической прочностью воздуха, зна |
* Здесь |
и далее давление |
абсолютное, |
духа сильно возрастает и при глубо |
Воздух |
имеет |
большое |
преиму |
|||||||||||||||||||||
ком |
вакууме. |
Хорошие |
|
диэлектри |
щество |
|
с |
точки |
зрения |
предельно |
|||||||||||||||
ческие |
свойства |
глубокого |
вакуума |
низкой стоимости, поэтому при по |
|||||||||||||||||||||
широко |
|
используются |
в |
электрон |
вышенных давлениях нашел некото |
||||||||||||||||||||
ных приборах и в ряде |
специаль |
рое |
применение |
|
в |
конденсаторах, |
|||||||||||||||||||
ных |
установок. |
|
В |
промышленной |
кабелях и др. Но он не удовлетво |
||||||||||||||||||||
изоляции глубокий вакуум в на |
ряет |
второму |
требованию, так |
как |
|||||||||||||||||||||
стоящее |
время |
применяется редко. |
ионизация |
воздуха |
сопровождается |
||||||||||||||||||||
Дело в том, что газ в изоляционных |
выделением озона, окиси и закиси |
||||||||||||||||||||||||
конструкциях |
применяется |
всегда |
азота, |
|
вызывающих |
интенсивную |
|||||||||||||||||||
в сочетании с другими изоляцион |
коррозию |
всех |
металлических |
ча |
|||||||||||||||||||||
ными материалами, которые, сопри |
стей аппарата и окисление органи |
||||||||||||||||||||||||
касаясь с вакуумом, выделяют га |
ческой изоляции, приводящее к по |
||||||||||||||||||||||||
зы и тем самым приводят к посте |
степенному ухудшению |
|
ее |
изоли |
|||||||||||||||||||||
пенному |
увеличению |
давления |
й |
рующих |
свойств. |
Поэтому |
вместо |
||||||||||||||||||
уменьшению |
прочности |
изоляции. |
воздуха чаще применяют азот, ко |
||||||||||||||||||||||
В таких конструкциях вакуум прак |
торый имеет такую же электриче |
||||||||||||||||||||||||
тически |
|
невозможно |
поддерживать |
скую |
прочность, |
|
невысокую стои |
||||||||||||||||||
и в промышленной изоляции для |
мость и является инертным газом. |
||||||||||||||||||||||||
увеличения |
электрической |
прочно |
Для |
того |
чтобы |
электрическая |
|||||||||||||||||||
сти |
преимущественно |
|
применяют |
прочность воздуха или азота сде |
|||||||||||||||||||||
повышенные давления, а не глубо |
лалась |
|
соизмеримой с |
прочностью |
|||||||||||||||||||||
кий вакуум. |
|
|
|
|
в |
качестве |
твердых |
или жидких диэлектриков, |
|||||||||||||||||
Газ, |
|
применяемый |
таких |
как |
масло, |
слюда, |
фарфор |
||||||||||||||||||
изоляции, |
должен |
удовлетворять |
и т. д., давление в этих газах не |
||||||||||||||||||||||
следующим основным требованиям. |
обходимо поднимать до 10—15 ат. |
||||||||||||||||||||||||
Газ |
|
должен |
|
быть |
|
химически |
Применение |
столь |
высоких |
давле |
|||||||||||||||
инертным и не вступать в реакции |
ний, |
естественно, |
утяжеляет |
всю |
|||||||||||||||||||||
с диэлектриками, в комбинации с ко |
конструкцию |
и |
создает |
серьезные |
|||||||||||||||||||||
торыми он применяется, и с други |
затруднения |
в |
эксплуатации. |
По |
|||||||||||||||||||||
ми |
материалами, |
использованными |
этому в последнее время серьезное |
||||||||||||||||||||||
в конструкции аппарата. |
|
которая |
внимание |
уделяется |
различным га |
||||||||||||||||||||
|
При |
ионизации |
газа, |
зам, имеющим электрическую проч |
|||||||||||||||||||||
в какой-то степени всегда возмож |
ность, |
значительно |
большую, |
чем |
|||||||||||||||||||||
на в аппаратах высокого напряже |
у воздуха и азота. Некоторые из |
||||||||||||||||||||||||
ния, также не должно выделяться |
этих |
газов |
приведены |
в |
табл. |
1-1. |
|||||||||||||||||||
химически активных веществ. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица /•/ |
|||||||||||||
|
Газ |
должен |
обладать |
низкой |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
Относительная |
электрическая |
|||||||||||||||||||||||
температурой |
сжижения, так |
как |
|
прочность некоторых газов |
|
||||||||||||||||||||
в противном случае его нельзя будет |
|
|
|
|
|
|
|
|
Химические состав |
|
прочЭлектрическая отношениюпоность воздухук |
сжиТемпература- градження, |
|||||||||||||
применять |
при |
повышенных давле |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
ниях |
(при |
|
увеличении |
давления |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
температура, |
при |
которой |
газ пре |
|
|
Газ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
вращается в жидкость, возрастает). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
Газ |
должен |
обладать |
возможно |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
большей |
электрической |
прочностью |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
и высокой |
теплопроводностью. По |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
следнее |
особенно важно |
в тех слу |
Воздух . |
|
|
|
|
|
|
|
1,0 |
|
|||||||||||||
чаях, когда газ одновременно яв |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
Водород |
|
|
|
|
|
|
н , |
|
0,6 |
|
|||||||||||||||
ляется и изолирующей и охлаждаю |
А зо т ............................. |
|
N , |
|
1,0 |
|
|||||||||||||||||||
щей средой. |
|
|
|
|
|
|
|
|
Элегаз |
(гексафторид |
|
SF, |
2 .5 |
—62 |
|||||||||||
Стоимость газа должна быть до |
серы) . . . |
|
|
|
|||||||||||||||||||||
Фреон |
(дихлордиф- |
|
|
|
2,5 |
|
|||||||||||||||||||
статочно низкой, чтобы сделать его |
торметан) |
|
. . . |
CCIJFJ |
—30 |
||||||||||||||||||||
применение экономически оправдан |
Трихлорфторметан . |
CCljF |
4,5 |
+49 |
|||||||||||||||||||||
ным. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Тетрахлорметан |
|
|
|
ССЦ |
6,3 |
+76 |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Последние два |
вещества имеют |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
очень высокую электрическую проч |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
ность. Но тетрахлорметан при нор |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
мальной температуре |
представляет |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
Собой жидкость, а в газообразном |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
состоянии он разлагается под дей |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
ствием |
ионизации |
с |
выделением |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
углерода, образующего проводящие |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
слои на поверхности твердых ди |
Рис. |
|
1*1. |
Зависимость |
тока |
в |
газе от на |
||||||||||||||
электриков, |
и хлора, вызывающего |
|
|||||||||||||||||||
коррозию |
металлических |
|
деталей |
|
|
пряжения между |
электродами. |
||||||||||||||
конструкции. |
По причине |
высокой |
мер, |
в |
1 см3 |
атмосферного |
воздуха |
||||||||||||||
температуры |
сжижения |
и химиче |
|||||||||||||||||||
каждую |
секунду создается |
|
несколь |
||||||||||||||||||
ской активности при наличии иони |
|
||||||||||||||||||||
ко десятков пар ионов, которые через |
|||||||||||||||||||||
зации |
не нашел |
себе применения и |
|||||||||||||||||||
трихлорфторметан, |
имеющий элек |
определенное время рекомбинируют |
|||||||||||||||||||
друг с другом и снова превращают |
|||||||||||||||||||||
трическую |
прочность |
в |
4,5 |
раза |
|||||||||||||||||
ся |
в |
нейтральные |
молекулы. Если |
||||||||||||||||||
больше, чем |
воздух. |
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
к газовому промежутку с плоскими |
|||||||||||||||||
Наиболее |
широко |
применяются |
|||||||||||||||||||
электродами |
подвести |
постоянное |
|||||||||||||||||||
в качестве |
изолирующей среды два |
напряжение, |
величину |
которого |
|||||||||||||||||
газа: фреон и элегаз, имеющие при |
|||||||||||||||||||||
можно изменять, то ионы начнут |
|||||||||||||||||||||
близительно одинаковую электриче |
двигаться вдоль силовых линий по- |
||||||||||||||||||||
скую прочность. Оба эти газа хими |
ля, создавая ток / во внешней цепи. |
||||||||||||||||||||
чески |
инертны, |
но |
при |
ионизации |
По |
мере |
увеличения |
приложенного |
|||||||||||||
выделяют |
некоторое количество хи |
напряжения |
этот |
ток |
возрастает |
||||||||||||||||
мических веществ, вызывающих кор |
(рис. 1-1) за счет того, что все |
||||||||||||||||||||
розию. Преимуществом элегаза яв |
большая часть ионов успевает до |
||||||||||||||||||||
ляется его более низкая температу |
стичь |
электродов, |
не |
рекомбиниро^ |
|||||||||||||||||
ра сжижения, позволяющая исполь |
вав |
|
в |
пространстве. |
Затем |
насту* |
|||||||||||||||
зовать его при давлениях до 20 ат, |
пает режим насыщения, как в элек |
||||||||||||||||||||
в то время как фреон можно сжи |
тронных лампах, когда ионы в про |
||||||||||||||||||||
мать только до 6 ат. Но даже при |
странстве практически не рекомби-8 |
||||||||||||||||||||
давлении в 3 ат, применение кото |
нируют, а при дальнейшем возра^ |
||||||||||||||||||||
рого не вызывает существенных тех |
стании |
|
напряжения |
ток |
начинает |
||||||||||||||||
нических |
трудностей, |
напряжение, |
снова |
возрастать, |
что |
свидетельст |
|||||||||||||||
выдерживаемое |
слоем |
фреона |
или |
вует о начавшемся процессе иони» |
|||||||||||||||||
элегаза толщиной 0,5 см, достигает |
зации в газе под действием элек |
||||||||||||||||||||
140 кв, т. е. имеет тот же порядок, |
трического поля. Этот процесс раз |
||||||||||||||||||||
что и для трансформаторного масла. |
вивается весьма интенсивно и при |
||||||||||||||||||||
Общим |
недостатком |
этих |
двух |
некотором |
значении |
|
напряжения |
||||||||||||||
газов |
является |
их |
большая |
стои |
происходит резкое увеличение тока, |
||||||||||||||||
мость, которая, однако, существенно |
которое |
свидетельствует |
о |
внезап |
|||||||||||||||||
снижается при массовом изготовле |
ном качественном изменении состоя |
||||||||||||||||||||
нии. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ния газа. Это напряжение называет |
|||||||||||
Идеальный газ, состоящий толь |
ся разрядным напряжением газово |
||||||||||||||||||||
ко из нейтральных молекул, абсо |
го промежутка и при достижении |
||||||||||||||||||||
лютно |
*не |
проводит электрического |
этого напряжения газ теряет свой |
||||||||||||||||||
тока. В реальных газах за счет раз |
ства |
диэлектрика |
и |
превращается |
|||||||||||||||||
личных внешних воздействий |
(уль |
в проводник. |
|
|
|
также сле |
|||||||||||||||
трафиолетовое |
излучение |
солнца, |
|
Весьма существенна |
|||||||||||||||||
радиоактивное |
излучение |
почвы, |
дующая |
особенность |
прохождения |
||||||||||||||||
космические лучи и т. д.) |
всегда |
тока |
через газ. При |
напряжениях |
|||||||||||||||||
имеется некоторое |
количество ионов |
меньше |
разрядного, |
непременным |
|||||||||||||||||
и электронов, сообщающих |
газу оп |
условием прохождения тока являет |
|||||||||||||||||||
ределенную |
проводимость. |
Напри- |
ся |
наличие |
внешнего |
|
ионизатора. |
непрерывно |
создающего электроны |
даря ее высокой температуре, кото |
||||||||||||||||||||||||
и ионы в межэлектродном простран |
рая достигается за счет непрерыв |
|||||||||||||||||||||||||
стве. Если этот внешний ионизатор |
ных |
столкновений |
электронов, |
дви |
||||||||||||||||||||||
убрать, ток в промежутке немед |
гающихся под действием поля, с мо |
|||||||||||||||||||||||||
ленно прекращается, |
прекращается |
лекулами и ионами плазмы. Чем |
||||||||||||||||||||||||
и |
ионизация |
под |
действием |
|
сил |
больше |
число |
двигающихся |
элек |
|||||||||||||||||
электрического |
поля. |
Процесс |
яв |
тронов, |
т. е. чем |
больше |
проходя |
|||||||||||||||||||
ляется несамостоятельным, т. е. он |
щий через плазму ток, тем выше ее |
|||||||||||||||||||||||||
не |
может |
поддерживаться |
только |
температура, |
а |
следовательно, |
и |
|||||||||||||||||||
за счет внутренних ресурсов самого |
проводимость. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
промежутка. При напряжении, рав |
|
Таким образом, |
|
разряд |
в |
газе |
||||||||||||||||||||
ном разрядному, процесс приобре |
сопровождается |
|
переходом |
в со |
||||||||||||||||||||||
тает |
самостоятельный |
характер, |
стояние |
плазмы |
всего пространства |
|||||||||||||||||||||
т. е. он больше не нуждается в по |
между электродами или его части. |
|||||||||||||||||||||||||
мощи внешнего ионизатора. Поэто |
Устанавливающийся |
|
при |
|
этом |
в |
||||||||||||||||||||
му часто говорят, что условием про |
промежутке |
режим |
может приобре |
|||||||||||||||||||||||
боя промежутка является |
условие |
тать различные качества в зависи |
||||||||||||||||||||||||
превращения |
разряда |
в самостоя |
мости |
от конфигурации электриче |
||||||||||||||||||||||
тельный. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ского поля, мощности источника и |
||||||||||||||||
|
Как известно, высокую проводи |
давления газа. Можно назвать сле |
||||||||||||||||||||||||
мость газ может приобретать только |
дующие основные виды разряда. |
|
||||||||||||||||||||||||
в |
особом |
состоянии, |
|
называемом |
|
Тлеющий |
разряд |
|
возникает |
в |
||||||||||||||||
плазмой, |
когда значительная |
часть |
промежутке |
при |
малых |
давлениях |
||||||||||||||||||||
молекул газа ионизирована, причем |
газа, когда плазма даже при высо |
|||||||||||||||||||||||||
проводимость |
плазмы |
возрастает |
кой степени ионизации не может |
|||||||||||||||||||||||
по |
мере |
увеличения |
числа |
HOIHOB, |
приобрести большую |
проводимость |
||||||||||||||||||||
содержащихся |
в единице |
объема. |
из-за недостаточного числа молекул |
|||||||||||||||||||||||
Количество положительных |
и отри |
газа в единице объема. Поэтому аб |
||||||||||||||||||||||||
цательных зарядов в единице объ |
солютная величина |
тока, |
проходя |
|||||||||||||||||||||||
ема плазмы практически одинаково, |
щего в газе, не может быть очень |
|||||||||||||||||||||||||
причем |
носителями |
положительных |
большой, невелико также и взаимо |
|||||||||||||||||||||||
зарядов являются ионы, а носителя |
действие между отдельными ирна- |
|||||||||||||||||||||||||
ми отрицательных зарядов — ионы и |
ми, |
|
находящимися |
в |
промежутке. |
|||||||||||||||||||||
электроны. |
|
|
|
|
|
|
|
|
Тлеющий разряд |
обычно |
занимает |
|||||||||||||||
|
Содержащиеся |
в |
плазме |
элек |
все пространство |
между электрода |
||||||||||||||||||||
троны |
собственно |
и |
обеспечивают |
ми. Характерным |
примером являет |
|||||||||||||||||||||
ее |
проводимость, природа которой, |
ся |
тлеющий |
разряд, |
|
используемый |
||||||||||||||||||||
таким |
|
образом, |
весьма |
сходна |
в |
газосветных |
|
трубках, |
лампах |
|||||||||||||||||
с природой проводимости металлов. |
дневного света |
и др. |
|
образуется |
в |
|||||||||||||||||||||
Существенное |
различие |
между |
га |
|
Искровой |
разряд |
|
|||||||||||||||||||
зом в состоянии плазмы и металли |
промежутке |
при |
достаточно |
боль |
||||||||||||||||||||||
ческим |
|
проводником |
заключается |
ших давлениях газа р и расстоя |
||||||||||||||||||||||
в том, что в плазме заряды разных |
ниях |
|
между |
электродами |
5 (ps> |
|||||||||||||||||||||
знаков |
|
все |
время |
рекомбинируют |
>1 000 |
см •мм |
рт. ст.) |
в |
случае, |
|||||||||||||||||
друг с другом, следовательно, в объ |
если |
|
мощность |
источника |
питания |
|||||||||||||||||||||
еме, заполненном |
плазмой, |
|
непре |
невелика или если напряжение при |
||||||||||||||||||||||
рывно должен идти процесс иониза |
ложено к промежутку на |
очень ко |
||||||||||||||||||||||||
ции, |
поддерживающий |
плотность |
роткое время. При больших давле |
|||||||||||||||||||||||
зарядов |
на |
неизменном |
уровне. |
ниях газа разряд уже не занимает |
||||||||||||||||||||||
В противном случае газ постепен |
всего |
поперечного |
сечения |
проме |
||||||||||||||||||||||
но вернется к своему нормальному |
жутка, а развивается в виде узко |
|||||||||||||||||||||||||
нейтральному состоянию. Одним из |
го |
|
канала. |
Концентрация |
|
ионов |
||||||||||||||||||||
основных |
механизмов |
ионизации |
в плазме, заполняющей этот |
узкий |
Вплазме является термическая канал, может достигать больших
ионизация, осуществляемая благо величин, поэтому по каналу мог бы
§ 2-1 ] |
|
|
|
|
|
|
|
Общие сведения |
|
|
|
|
|
|
|
17 |
|||
проходить |
значительный |
ток, |
одна |
турами |
и |
значительной |
степенью |
||||||||||||
ко |
его |
величина |
ограничивается |
ионизации газа. |
|
|
|
|
|
||||||||||
мощностью |
|
источника. |
Благодаря |
Коронный разряд является свое |
|||||||||||||||
этому |
интенсивность |
термической |
образной формой |
разряда, |
харак |
||||||||||||||
ионизации в канале может оказать |
терной |
для |
резконеоднородных по |
||||||||||||||||
ся |
недостаточной для |
поддержания |
лей, |
когда |
ионизация |
возникает |
|||||||||||||
его проводимости и канал разряда |
только в небольшой области вбли |
||||||||||||||||||
распадается. Это, |
.например, |
имеет |
зи электрода. При этом между |
||||||||||||||||
место при переменном напряжении, |
электродами |
промежутка |
не возни |
||||||||||||||||
когда разряд в газовом промежутке |
кает |
сквозного проводящего кана |
|||||||||||||||||
происходит |
в виде |
перемежающих |
ла, что исключает возможность про |
||||||||||||||||
ся |
искр, |
последовательно |
возни |
хождения большого |
тока |
независи |
|||||||||||||
кающих между электродами. |
после |
мо от давления газа и мощности |
|||||||||||||||||
|
Дуговой разряд является |
источника. Таким |
образом, |
образо |
|||||||||||||||
дующей стадией искрового разряда |
вание коронного разряда не озна |
||||||||||||||||||
при большой мощности |
источника. |
чает полной потери газовым проме |
|||||||||||||||||
В этом случае через промежуток мо |
жутком |
изолирующих |
свойств, од |
||||||||||||||||
жет проходить большой ток, кото |
нако в изоляционных |
конструкциях |
|||||||||||||||||
рый способствует разогреву канала, |
образование |
коронного разряда яв |
|||||||||||||||||
возрастанию |
его |
|
проводимости, |
ляется нежелательным. |
|
во всех |
|||||||||||||
а следовательно, дальнейшему уве |
Возникновение |
разряда |
|||||||||||||||||
личению тока. В конце концов бу |
газах |
|
происходит |
|
приблизительно |
||||||||||||||
дет достигнуто |
состояние |
равнове |
одинаковым путем, хотя и имеются |
||||||||||||||||
сия, когда тепловые потери из ка |
важные различия в деталях про |
||||||||||||||||||
нала прекратят |
дальнейшее |
повы |
хождения процесса. В последующих |
||||||||||||||||
шение |
температуры. |
Этот |
процесс |
главах |
изложение |
ведется |
главным |
||||||||||||
длительный, |
вследствие |
чего искро |
образом применительно |
к |
самому |
||||||||||||||
вой разряд не переходит в дуговой |
распространенному |
газу |
|
воздуху, |
|||||||||||||||
в |
случае приложения напряжения |
но в гл. 6 будут приведены экспери |
|||||||||||||||||
на очень короткое время. Канал ду |
ментальные данные и для других |
||||||||||||||||||
гового |
разряда |
|
характеризуется, |
газов. |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
следовательно, |
высокими |
темпера |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ГЛАВА ВТОРАЯ
ОСНОВНЫЕ ПРОЦЕССЫ ИОНИЗАЦИИ В ГАЗЕ
2-1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ |
нию электрона между двумя точ |
||||||||||
Для |
того |
чтобы |
ионизировать |
ками, |
разность потенциалов между |
||||||
нейтральную молекулу, т. е. удалить |
которыми равна 1 в. Так как заряд |
||||||||||
из нее один электрон, необходимо |
электрона |
17= 1,6 • 10~19 /с, то 1 эв = |
|||||||||
затратить |
определенную |
работу, |
= 1,6 - 10-19 дж= 1,6 . 10-12 эрг. |
||||||||
которая |
называется энергией иони |
Чтобы помимо первого электрода |
|||||||||
зации И7и. Эту работу принято из |
удалить из молекулы газа еще один |
||||||||||
мерять с помощью разности потен |
электрон, |
|
требуется совершить зна |
||||||||
циалов t/и, проходя которую в элек |
чительно |
|
большую |
работу, |
поэтому |
||||||
трическом |
поле, электрон |
приобре |
соответствующий |
(второй) |
потен |
||||||
тает энергию, равную энергии иони |
циал |
ионизации значительно боль |
|||||||||
зации. Величина Un называется по |
ше первого. |
газа сообщается |
|||||||||
тенциалом |
ионизации |
и |
численно |
Если |
молекуле |
||||||
равна энергии ионизации, выражен |
энергия, |
меньшая |
энергии |
иониза |
|||||||
ной в |
электронвольтах. |
Энергия |
ции, то внешний электрон, не поки |
||||||||
в 1 эв равна совершаемой электри |
дая пределов молекулы, может пе |
||||||||||
ческим |
полем |
работе |
по перемеще |
рейти |
на |
другой, |
более |
высокий |
2
энергетический уровень. Такой про |
образуются |
и представляют |
собой |
||||||||||||||||||
цесс называется возбуждением. Мо |
прочные соединения» Такие газы на |
||||||||||||||||||||
лекула |
в |
возбужденном |
|
состоянии |
зываются электроотрицательными. |
||||||||||||||||
обычно может находиться очень не |
Если положительный ион «столк |
||||||||||||||||||||
продолжительное |
время, |
порядка, |
нется» |
со |
свободным |
электроном |
|||||||||||||||
10“8 сек, после чего она самопроиз |
или отрицательным |
ионом, возмож |
|||||||||||||||||||
вольно переходит в нормальное со |
на их рекомбинация, т. е. присоеди |
||||||||||||||||||||
стояние, а затраченная на возбуж |
нение лишнего электрона к положи |
||||||||||||||||||||
дение энергия выделяется в виде |
тельному |
|
иону |
с |
|
образованием |
|||||||||||||||
кванта света. Однако молекулы мно |
нейтральных частиц. При рекомби |
||||||||||||||||||||
гих химических элементов обладают |
нации |
энергия, |
ранее |
затраченная |
|||||||||||||||||
Некоторым |
количеством |
так |
назы |
на ионизацию, выделяется в виде |
|||||||||||||||||
ваемых |
|
метастабильных |
уровней |
излучения |
с определенной |
длиной |
|||||||||||||||
энергии, попадая на которые, элек |
волны. Частота излучения v в об |
||||||||||||||||||||
трон |
может |
задерживаться в тече |
щем |
случае определяется равенст |
|||||||||||||||||
ние более длительного времени по |
вом |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
рядка |
10"2 сек. |
|
|
|
|
|
|
|
|
Ь = № и+ Д№к, |
|
(2-1) |
|||||||||
Положительные ионы также мо |
где |
Л = 6,5 • 10"27 |
эрг • сек — кванто |
||||||||||||||||||
гут переходить в возбужденное со |
|||||||||||||||||||||
стояние, |
причем энергия, |
затрачи |
|
|
вая |
постоянная; |
|
|
кине |
||||||||||||
ваемая на возбуждение исина, зна |
ДЯ7К— разность |
суммарной |
|
||||||||||||||||||
чительно больше энергии возбужде |
|
|
тической энергии |
участвую |
|||||||||||||||||
ния нейтральной молекулы и обыч |
|
|
щих |
в столкновении |
частиц |
||||||||||||||||
но превышает первую энергию иони |
|
|
до и после столкновения. |
||||||||||||||||||
зации. Для иллюстрации в табл. 2-1 |
Таким |
образом, |
ионизационные |
||||||||||||||||||
приведены |
потенциалы |
|
ионизации |
процессы |
в |
газе всегда |
сопровож |
||||||||||||||
и возбуждения некоторых газов. |
даются выделением большого коли |
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 24 |
чества |
фотонов, |
обладающих |
раз |
|||||||||
Потенциалы ионизации и возбуждения |
личными энергиями. |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
атомов и молекул |
различных газов |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
Газ или пар |
|
Первый потенциал ионизации, |
|
Второй потенциал ионизации, |
|
|
потенциал возбуждения, в |
Потенциал возбуждения нона, в |
|
|
2-2. ВИДЫ ИОНИЗАЦИИ |
|
|||||||||
|
|
|
Первый |
|
|
1. |
Ударная ионизация |
|
|||||||||||||
|
|
|
Если |
какая-либо |
частица |
с мас |
|||||||||||||||
|
в |
в |
сой tfi (электрон, ион или нейтраль |
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ная молекула), летящая со скоро |
||||||||||
н |
|
13,6 |
|
|
|
10,2 |
|
стью v, столкнется |
с |
нейтральным |
|||||||||||
Н2 |
|
15,4 |
— |
|
|
11,2 |
— |
атомом или молекулой, то кинетиче |
|||||||||||||
N |
|
14,5 |
2 9,6 |
|
6 ,3 |
— |
|||||||||||||||
м, |
|
15,5 |
— |
|
|
6,1 |
— |
ская энергия летящей частицы мо |
|||||||||||||
О |
|
13,6 |
3 5,2 |
|
9,1 |
— |
жет быть затрачена |
на совершение |
|||||||||||||
0 2 |
|
12,2 |
— |
|
|
|
|
— |
акта ионизации, |
если |
выполнено не |
||||||||||
|
54,1 |
|
19,8 |
40,6 |
|||||||||||||||||
Не |
|
2 4,6 |
|
равенство |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
Cs |
|
|
3 ,8 8 |
23,4 |
|
1 ,38 |
— |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
С02 |
|
13,7 |
—- |
|
10,0 |
— |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(2-2) |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Образованные |
в |
процессе |
иони |
В ряде случаев важное значение |
|||||||||||||||||
зации |
электроны |
могут |
существо |
имеет |
так |
называемая |
ступенчатая |
||||||||||||||
вать |
в |
газе |
либо |
в |
свободном со |
ионизация, |
осуществляемая |
части |
|||||||||||||
стоянии, либо присоединяться к ней |
цами |
(например, |
|
электронами), |
|||||||||||||||||
тральным |
атомам, |
образуя отрица |
энергия которых меньше Wn. Сту |
||||||||||||||||||
тельные |
ионы. Возможность |
обра |
пенчатая ионизация может осущест |
||||||||||||||||||
зования отрицательных |
ионов зави |
вляться |
путем следующих |
процес |
|||||||||||||||||
сит |
от |
конструкции атома |
газа. |
сов: |
|
|
Электрон |
с энергией |
меньше |
||||||||||||
В ряде газов |
(кислород, хлор, фтор |
а) |
|
||||||||||||||||||
и др.) |
отрицательные |
ионы |
легко |
Wn переводит атом в возбужденное |
состояние. Летящий вслед за ним |
дают длины волны не менее 150— |
||||||||||||||||||||||
электрон, сталкиваясь с возбужден |
200 |
ммк, |
поэтому |
|
непосредствен |
||||||||||||||||||
ным атомом, сообщает ему недо |
ную ионизацию с их помощью |
||||||||||||||||||||||
стающую энергию, необходимую для |
можно |
|
было |
бы |
получить |
|
только |
||||||||||||||||
ионизации. |
|
|
|
|
|
|
|
|
в газах, |
энергия |
|
ионизации |
ко* |
||||||||||
б) |
|
При столкновении электронаторых |
№и= (6—8) |
эв. |
В |
действи |
|||||||||||||||||
с возбужденным атомом происходит |
тельности |
наблюдается |
ионизация |
||||||||||||||||||||
переход атома в нормальное со |
ультрафиолетовыми |
лучами |
почти |
||||||||||||||||||||
стояние. |
Освобождающаяся |
при |
всех |
газов. |
Это |
объясняется, |
во* |
||||||||||||||||
этом энергия сообщается электрону, |
первых, |
ступенчатой |
фотоионизаци |
||||||||||||||||||||
скорость его возрастает и при сле |
ей, когда фотоны сначала возбужда |
||||||||||||||||||||||
дующем столкновении он уже может |
ют молекулы газа, а затем новые |
||||||||||||||||||||||
ионизировать. |
|
|
|
|
|
|
|
фотоны |
переводят |
их |
в ионизиро |
||||||||||||
в) |
|
Происходит столкновение двухванное |
|
состояние; |
во-вторых, |
при |
|||||||||||||||||
возбужденных атомов, один из них |
наличии |
в газе взвешенных |
посто |
||||||||||||||||||||
переходит в |
нормальное |
состояние, |
ронних частиц (пыль, туман) элек |
||||||||||||||||||||
а освободившаяся энергия затрачи |
троны освобождаются не только из |
||||||||||||||||||||||
вается на ионизацию второго атома. |
молекул газа, но и с поверхности |
||||||||||||||||||||||
Поскольку |
все |
перечисленные |
этих частиц, для чего требуется зна |
||||||||||||||||||||
процессы для |
своего |
завершения |
чительно |
меньшая |
энергия. |
|
|
|
|||||||||||||||
требуют |
определенного |
|
времени, |
Мощным |
источником фотоиони |
||||||||||||||||||
ступенчатая |
ионизация |
|
может |
про |
зации является газовый разряд. Пе |
||||||||||||||||||
исходить только в тех газах, моле |
реход |
|
возбужденных |
молекул |
и |
||||||||||||||||||
кулы |
которых |
обладают |
метаста- |
ионов в нормальное состояние, про |
|||||||||||||||||||
бильными уровнями. |
|
|
|
|
|
цесс рекомбинации, приводят к по |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
явлению большого количества фото |
||||||||||||
2. Фотоионизация в объеме газа |
нов, |
значительная |
|
часть |
которых |
||||||||||||||||||
Вторым важным |
источником об |
обладает |
энергией, |
превышающей |
|||||||||||||||||||
энергию |
ионизации |
газа. |
Как |
мы |
|||||||||||||||||||
разования |
свободных |
|
электронов |
увидим в дальнейшем, эти фотоны |
|||||||||||||||||||
является фотоионизация, т. е. иони |
играют весьма важную роль в раз |
||||||||||||||||||||||
зация газа под действием коротко |
витии |
разряда. |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
волнового излучения. Для того что |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
бы воздействие |
на |
газ |
излучения |
|
3. |
Термическая |
ионизация |
|
|||||||||||||||
с частотой V (длиной волны Х=-~, |
|
|
|||||||||||||||||||||
Под термической ионизацией по |
|||||||||||||||||||||||
с — скорость света) |
привело к иони |
нимаются все процессы ионизации, |
|||||||||||||||||||||
обусловленные тепловым состоянием |
|||||||||||||||||||||||
зации |
газа, |
необходимо |
выполнить |
газа. При высокой температуре име |
|||||||||||||||||||
условие |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ются следующие возможности иони |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
hy> W a или |
|
|
|
|
(2-3) |
зации: |
ионизация |
при |
соударениях |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
а) |
||||||||||||
Наименьшую |
энергию |
иониза |
между |
|
молекулами |
газа, |
|
которые |
|||||||||||||||
ции имеют пары цезия (№и=3,88эв), |
при высоких температурах двигают |
||||||||||||||||||||||
следовательно, ионизирующее излу |
ся с большими скоростями; |
|
|
||||||||||||||||||||
чение должно иметь длину волны во |
б) |
фотоионизация за счет тепло |
|||||||||||||||||||||
всяком |
случае |
не |
более |
|
|
|
вого |
излучения нагретого газа; |
|
||||||||||||||
, |
3>10и -6,55- Ю- ” |
о 10 |
|
|
в) |
ионизация |
при |
соударениях |
|||||||||||||||
ММК. |
молекул |
с электронами, образовав |
|||||||||||||||||||||
|
' 3,88-1 ,6 -10~ia~ = 3 1 8 |
||||||||||||||||||||||
Волны с такими длинами лежат в |
шимися в результате первых двух |
||||||||||||||||||||||
процессов. |
кинетической |
теории |
|||||||||||||||||||||
ультрафиолетовой |
|
части |
спектра, |
Согласно |
|||||||||||||||||||
так что видимый свет практически |
молекулы газа двигаются со все |
||||||||||||||||||||||
не ионизирует. Искусственные источ |
возможными |
скоростями. |
Поэтому |
||||||||||||||||||||
ники |
|
ультрафиолетовых |
и |
лучей |
теоретически |
при |
любой |
темпера |
|||||||||||||||
(ртутно-кварцевые |
лампы |
др.) |
туре имеется 1некоторая вероятность |
||||||||||||||||||||
2* |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ионизации при столкновениях меж ду молекулами. Однако эта вероят ность при низких температурах ис чезающе мала. Во всей атмосфере земного шара, если бы она находи лась при температуре порядка 20° С, ионизирующее столкновение проис ходило бы только 1 раз в 10500 лет. При увеличении температуры веро ятность ионизации сильно возра стает. У гелия, например, при ком натной температуре из 10825 моле кул ионизирует только одна, а при
температуре |
10 000° К — одна |
из |
|
1024. У паров |
цезия при |
10 000° К |
|
необходимую |
для ионизации |
энер |
|
гию имеет одна молекула |
из 2 000. |
||
Аналогичные рассуждения |
мож |
но привести и относительно иони зирующего действия теплового из лучения газа, которое содержит волны с самыми разнообразными длинами. При /низких температурах вероятность ионизации за счет теп лового излучения невелика, с ро стом температуры спектр теплового излучения смещается в область бо лее коротких волн и ионизация де лается значительно более вероят ной.
Одновременно с ионизацией мо лекул газа происходит и обратный процесс — рекомбинация ионов про тивоположного з/нака. Интенсив ность ионизации определяется толь ко температурой газа, рекомбина ция же происходит тем более энер гично, чем больше ионизированных частиц находится в единице объема. Поэтому для каждой температуры
Рис. |
2-1. Зависимость степени ионизации |
|
( |
т = |
NA |
1 |
-ÿÿr J от температуры для двух газов, |
имеющих энергию ионизации 7,5 и 15 эв.
Давление атмосферное.
существует определенное состояние равновесия, при котором число воз никающих и рекомбинирующих ча стиц в единицу времени равно друг другу. Степень ионизации газа т , т. е. отношение числа ионизирован ных молекул NK к общему числу молекул N в единице объема, для равновесного состояния, может определяться по формуле Саха:
р t _ ^ a- = 2 ,4 - 10—4• Т2>*е |
кТ, |
(2-4) |
|
Nn |
|
|
га |
где m = -fi— степень ионизации |
|||
за; |
|
газа, |
|
р — давление |
|
||
мм pm. cm.; |
|
|
|
Wa —энергия |
ионизации, |
||
эрг; |
эрг/°К—по |
||
£ = 1,37.10-1в |
|||
стоянная |
Больцмана; |
||
Т — абсолютная |
темпера |
||
тура. |
|
|
|
На рис. 2-1 показаны кривые за висимости степени ионизации от тем пературы для двух газов, имеющих энергии ионизации 7,5 и 15 эв, что приблизительно всоответствует па рам меди и воздуху.
4. Ионизация на поверхности электродов
До сих пор мы связывали появ ление в газе свободных электронов и ионов с процессами объемной иони зации, т. е. с ионизацией самого га за находящегося в пространстве между электродами. Между тем электроны в газе могут появляться и путем эмиссии с катода. Осво бождение электрона из толщи ме талла также требует совершения определенной работы, называехмой энергия выхода, которая у разных металлов различна и зависит от со стояния их поверхности. В табл. 2-2 приведены значения энергии выхода для некоторых чистых металлов и окислов.
Энергия, необходимая электрону для выхода из металла, может со общаться ему различными спосо бами.