Что такое искры тока

Искрение и электрическая дуга

Всякая электриче­ская искра или дуга есть результат прохождения тока через воздух. Искрение наблюдается при размыкании электрических цепей под нагрузкой, при пробое изоля­ции между проводниками, при работе электрических ма­шин — между щетками и коллектором (контактными кольцами), а также во всех случаях при наличии плохих контактов в местах соединения и оконцевания проводов и кабелей. Под действием электрического поля воздух между контактами ионизируется и, при достаточной ве­личине напряжения, происходит разряд, сопровождаю­щийся свечением воздуха и треском (тлеющий разряд). С увеличением напряжения тлеющий разряд переходит в искровой, а при достаточной мощности искровой раз­ряд может быть в виде электрической д у ги.

Искры и электрическая дуга, при наличии в помеще­ниях легкогорючих веществ и взрывчатой системы, могут быть причиной пожара, взрыва. Для уменьшения пожарной опасности от электрических искр и дут необходимо: искрящие по условиям работы части выключателей, пе­реключателей, рубильников, магнитных пускателей, кон­такторов и т. п. закрывать крышками, кожухами, колпа­ками; выносить из взрывоопасных помещений искрящие аппараты в безопасное место или применять такие их исполнения (например, маслонаполненное), которые обеспечивают безопасность взрыва; правильно произво­дить соединение и оконцевание проводников; следить за состоянием щеток, колец, коллекторов электрических ма­шин, контактов выключателей, рубильников, магнитных пускателей.

Большие переходные сопротивления

Переход­ным сопротивлением называется сопротивление, возникающее в местах перехода тока с одного провода на другой или с провода на какой-либо электрический аппарат, при наличии плохого контакта, например, в местах соединений и оконцеваний проводов, в контактах машин и аппаратов. При прохождении тока нагрузки в таких местах за единицу времени выделяется некоторое количество тепла, величина которого пропорциональна квадрату тока и сопротивлению места переходного кон­такта, которое может нагреваться до весьма высокой температуры. Если нагретые контакты соприкасаются с горючими материалами, то возможно их зажигание, а при наличии взрывчатой системы возможен взрыв. В этом и состоит пожарная опасность переходных сопро­тивлений, которая усугубляется тем, что места с наличи­ем переходного сопротивления трудно обнаружить, а за­щитные аппараты сетей и установок, даже правильно выбранные, не могут предупредить возникновение пожа­ров, так как ток в цепи не возрастает, а нагрев участка с переходным сопротивлением происходит только вслед­ствие увеличения сопротивления. Величина переходного сопротивления контактов зависит от материала, из кото­рого они изготовлены, геометрической формы и разме­ров, степени обработки поверхностей контактов, силы нажатия контактов и степени окисления. Особенно ин­тенсивное окисление происходит во влажной среде и с химически активными веществами, а также при нагреве контактов выше 70—75 °С.

Профилактика переходных сопротивлений. Для пре­дупреждения возникновения пожаров от больших переходных сопротивлений необходимо тщательное соедине­ние проводов и кабелей (скруткой, пайкой, сваркой, опрессованием). На съемных концах для удобства и на­дежности контактов следует применять специальные наконечники и зажимы, что особенно важно для алюми­ниевых проводов и кабелей; для отвода тепла и рассеи­вания его в окружающую среду необходимо изготовлять контакты определенной массы и поверхности охлажде­ния; для уменьшения влияния окисления на переходное сопротивление размыкающихся контактов последние из­готовляют таким образом, чтобы размыкание и замыка­ние их сопровождалось трением одного контакта по-дру­гому. В этом случае происходит их самоочистка от плен­ки окиси. Контакты из меди, латуни, бронзы часто защищают от окисления покрытием тонким слоем олова, серебра. В процессе эксплуатации необходимо следить за тем, чтобы контакты машин, аппаратов и т. п. плотно и с достаточной силой прилегали друг к другу. Большие переходные сопротивления полезно используются при производстве контактной электросварки металлов.

Источник

Что такое искры тока

Искровой разряд (искра) — неустановившийся электрический разряд, возникающий в том случае, когда непосредственно после пробоя разрядного промежутка напряжение на нем падает в течение очень короткого времени (от нескольких долей мкс до сотен мкс) ниже величины погасания разряда. Искровой разряд повторяется, если после погасания разряда напряжение вновь возрастает до величины напряжения пробоя. При увеличении мощности источника напряжение искрового разряда переходит обычно в дуговой разряд. В природных условиях наблюдается в виде молний.

Развитие искрового разряда объясняется стримерной теорией электрического пробоя газов: из электронных лавин, возникающих при наложении электрического поля на разрядный промежуток, при определенных условиях образуются т.н. стримеры — тонкие разветвленные каналы, заполненные ионизированным газом. Стримеры, быстро удлиняясь, перекрывают разрядный промежуток и соединяют электроды непрерывными проводящими каналами. Далее сила тока резко нарастает, каждый из каналов быстро расширяется, в них скачкообразно повышается давление, в результате чего на границах возникает ударная волна. Совокупность ударных волн от расширяющихся искровых каналов порождает звук, воспринимаемый как характерный «треск» искры (в случае молнии — гром), (рис. 1).

Величины, характеризующие искровой разряд (напряжение зажигания, напряжение погасания, максимальный ток, длительность), могут применяться в очень широких пределах в зависимости от параметров разрядной цепи, величины разрядного промежутка, геометрии электродов, давления газов и т. д. Напряжение зажигания искрового разряда, как правило, достаточно велико. Продольная напряженность поля в искре понижения от нескольких десятков кВ/см в момент пробоя до 100 В/см спустя несколько мкс. Максимальная сила тока в мощном искровом разряде может достигать значений порядка нескольких сотен кА.

Особый вид искрового разряда — скользящий искровой разряд, возникающий вдоль поверхности раздела газа и твердого диэлектрика, помещенного между электродами. Области скользящего искрового разряда, у которых преобладают заряды какого-либо одного знака, индуцируют на поверхности диэлектрика заряды другого знака, вследствие чего искровые каналы стреляются по поверхности диэлектрика. Процессы, близкие к происходящим при искровом разряде, свойственны также кистевому разряду.

Искровой предохранитель. Искровой промежуток применяется в качестве предохранителя от перенапряжений в электрических линиях передач (например, в телефонных линиях). Если вблизи линии проходит сильный электрический ток, то в проводах этой линии индуцируются напряжения и токи, которые могут разрушить электрическую установку и опасны для жизни людей, во избежание этого используют специальные предохранители (рис. 3), состоящие из двух изогнутых электродов, один из которых присоединен к линии, а другой заземлен.

Если потенциал линии относительно земли сильно возрастает, то между электродами возникает искровой разряд, который вместе с нагретым им воздухом поднимается вверх, удлиняется и обрывается.

Искровая камера. Искровая камера, прибор для наблюдения и регистрации следов (треков) частиц, основанный на возникновении искрового разряда в газе при попадании в него частицы. Используется для исследования ядерных реакций, в экспериментах на ускорителях и при исследовании космических лучей. Простейшая искровая камера — два плоскопараллельных электрода, пространство между которыми заполнено газом (чаще всего Ne, Ar или их смесью). Площадь пластин от десятков см 2 до нескольких м 2 . одновременно с прохождением частицы или с некоторым запоздание (

1 мкс) на электроды искровой камеры подается короткий (10 — 100 нс) импульс высокого напряжения.

В рабочем объеме искровой камеры создается сильное электрическое поле (5 — 20 кВ/см). импульс подается по сигналу системы детекторов (сцинтиляционных счетчиков, черенковских счетчиков и т.п.), выделяющих исследуемое событие. Электроны, возникающие вдоль траектории частицы в процессе ионизации атомов газа, ускоряются полем, ионизируют (ударная ионизация) и возбуждают атомы газа. В результате на очень коротком пути образуются электронно-фотонные лавины, которые в зависимости от амплитуды и длительности импульса, либо перерастают в видимый глазом искровой разряд, либо создают в газе локально светящиеся в области небольшого объема.

Узкозазорная искровая камера обычно состоит из большого числа одинаковых искровых промежутков (

1 см). Искровые заряды распространяются перпендикулярно электродам. Цепочка искр воспроизводит траекторию частицы (рис. 4).

Точность локализации искр вблизи траектории составляет доли мм, временное разрешение

10 -6 с, полное время восстановления

10 -3 с. В широкозазорной трековой искровой камере (расстояние между электродами 3 — 50 см) электронно-фотонные лавины, развивающиеся от первичных электронов, сливаются в узкий светящийся канал вдоль трека (рис. 4). В этом режиме могут регистрироваться треки под углами не более 50 ° к направлению электрического поля в камере.

Для наблюдения треков под большими углами, вплоть до 90 ° , используют т.н. стримерный режим, при котором развитие стримера (начальной стадии пробоя) начинается с каждого первичного электрона и обрывается, когда длина стримера достигает нескольких мм. Искровые камеры позволяют в ряде случаев определять, помимо траектории, ионизирующую способность частиц. Помещенная в магнитное поле искровая камера служит для определения импульса частиц по кривизне их траектории. Искровые камеры могут работать в условиях интенсивного потока заряженных частиц на ускорителях, т.к. время их “памяти” (время жизни электронов) может быть уменьшено до 1 мкс. С другой стороны, искровые камеры способны работать с большой частотой, т.к. время восстановления камеры после срабатывания равно всего нескольким мс. Искровая камера управляема, т.е. может срабатывать по сигналу др. детекторов.

Кроме фотографирования, в искровой камере широко применяют др. методы регистрации, позволяющие, в частности, передавать данные с искровой камеры непосредственно на ЭВМ и автоматически их обрабатывать (бесфильмовые искровые камеры). Например, в проволочных искровых камерах, имеющих электроды в виде ряда тонких нитей, расположенных на плоскости на расстоянии

1 мм друг от друга, появление искры сопровождается разрядным током в близлежащей нити; это позволяет определить координаты искры, которые могут быть переданы непосредственно на ЭВМ.

В акустических искровых камерах с помощью установленных вне камеры пьезокристаллов улавливают ударную волну в газе, возникающую в момент искрового пробоя. Интервал времени между появлением искры и сигналом в кристалле позволяет определить расстояние искры от кристалла, т.е. координаты искры. В этом случае также часто осуществляют непосредственную связь пьезодатчиков с ЭВМ.

Зная, как зависит напряжение пробоя от расстояния для электродов какой-либо определенной формы, можно измерить неизвестное напряжение по максимальной длине искры. На этом основано устройство искрового вольтметра (рис. 2), удобного для грубой оценки больших напряжений (например, в рентгеновских установках).

Он состоит из двух металлических изолированных шаров, один из которых может плавно перемещаться. Шары присоединяют к источнику, напряжение которого желают измерить и сближают их до тех пор, пока не возникнет искра. Измеряя расстояние между шарами и соответствующее напряжение, при котором происходит пробой, составляют специальные таблицы, при помощи которых затем измеряют напряжение по длине искры. В качестве примера укажем, что при расстоянии в 0,5 см между шарами диаметром в 5 см напряжение пробоя равно 17,5 кВ, а при расстоянии в 5 см около 100 кВ.

Зная диаметр шаров, расстояние между ними, давление, температуру и влажность воздуха, находят разность потенциалов между шарами по специальным таблицам. Этим методом можно измерять с точностью до нескольких процентов разности потенциалов порядка десятков тысяч вольт.

1. Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия, 1984. — С. 463.

2. Сивухин С.Д. Общий курс физики. — М.: Наука, 1977. — Т.3. Электричество. — С. 529-531.

3. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. — М.: Высшая школа, 1977. — Т. 2. Электричество и магнетизм. — С. 151-152.

Источник

Электрическая искра — Electric spark

Электрическая искра происходит резкий электрический разряд , который возникает , когда достаточно высокое электрическое поле создает ионизированный , электрический проводящий канал через нормально-изолирующую среду, часто воздух или другие газы или газовые смеси. Майкл Фарадей описал это явление как «красивую вспышку света, сопровождающую разряд обычного электричества».

Быстрый переход из непроводящего состояния в проводящее вызывает короткое излучение света и резкий треск или щелчок. Искра возникает, когда приложенное электрическое поле превышает диэлектрическую прочность пробоя промежуточной среды. Для воздуха прочность на пробой составляет около 30 кВ / см на уровне моря. Экспериментально эта цифра имеет тенденцию различаться в зависимости от влажности, атмосферного давления, формы электродов (игольчатая и заземляющая, полусферическая и т. Д.) И соответствующего расстояния между ними и даже типа формы волны, будь то синусоидальная или косинусно-прямоугольная. На начальных этапах свободные электроны в зазоре (от космических лучей или фонового излучения ) ускоряются электрическим полем. Когда они сталкиваются с молекулами воздуха, они создают дополнительные ионы и недавно освобожденные электроны, которые также ускоряются. В какой-то момент тепловая энергия станет гораздо большим источником ионов. Экспоненциально увеличивающиеся электроны и ионы быстро заставляют области воздуха в зазоре становиться электропроводными в процессе, называемом диэлектрическим пробоем . После пробоя зазора ток ограничивается имеющимся зарядом (для электростатического разряда ) или импедансом внешнего источника питания . Если источник питания продолжает подавать ток, искра превратится в непрерывный разряд, называемый электрической дугой . Электрическая искра может также возникать в изолирующих жидкостях или твердых телах, но с другими механизмами пробоя от искр в газах.

Иногда искры могут быть опасными. Они могут вызвать пожар и ожог кожи.

Молния является примером электрической искры в природе, в то время как электрические искры, большие или маленькие, возникают во многих искусственных объектах или рядом с ними, как намеренно, так и иногда случайно.

Содержание

• 1 История
• 2 использования
  • 2.1 Источники возгорания
  • 2.2 Радиосвязь
  • 2.3 Металлообработка
  • 2.4 Химический анализ
• 3 опасности
• 4 См. Также
• 5 ссылки
• 6 Внешние ссылки

История

В 1671 году Лейбниц обнаружил, что искры связаны с электрическими явлениями. В 1708 году Сэмюэл Уолл провел эксперименты с янтарем, натертым тканью для образования искр. В 1752 году Томас-Франсуа Далибар , действуя в рамках эксперимента, предложенного Бенджамином Франклином , организовал для отставного французского драгуна по имени Койффье в деревне Марли, чтобы он собрал молнию в лейденской банке, тем самым доказав, что молния и электричество эквивалентны. В знаменитом эксперименте Франклина с воздушным змеем он успешно извлек искры из облака во время грозы.

Использует

Источники возгорания

Электрические искры используются в свечах зажигания бензиновых двигателей внутреннего сгорания для воспламенения топливно-воздушных смесей. Электрический разряд в свече зажигания возникает между изолированным центральным электродом и заземленной клеммой на основании свечи. Напряжение для искры обеспечивается катушкой зажигания или магнето, которые соединены со свечой зажигания с помощью изолированного провода.

Воспламенители пламени используют электрические искры для инициирования горения в некоторых печах и газовых плитах вместо запального пламени . Автоматическое повторное зажигание — это функция безопасности, которая используется в некоторых воспламенителях пламени, которая определяет электрическую проводимость пламени и использует эту информацию, чтобы определить, горит ли пламя горелки. Эта информация используется для предотвращения искры в устройстве розжига после зажигания пламени или перезапуска пламени, если оно погаснет.

Радиосвязь

Передатчик искрового промежутка использует электрический искровой промежуток для генерации радиочастотного электромагнитного излучения , которые могут быть использованы в качестве передатчиков для беспроводной связи. Передатчики с искровым разрядником широко использовались в первые три десятилетия радио с 1887 по 1916 год. Позже они были вытеснены системами на электронных лампах и к 1940 году больше не использовались для связи. Широкое использование искровых передатчиков привело к прозвищу «искры» для судового радиста.

Металлообработка

Электрические искры используются в различных видах металлообработки . Электроэрозионная обработка (EDM) иногда называется искровой обработкой и использует искровой разряд для удаления материала с детали. Электроэрозионная обработка используется для твердых металлов или металлов, которые трудно обрабатывать традиционными методами.

Искровое плазменное спекание (SPS) — это метод спекания , в котором используется импульсный постоянный ток, который проходит через проводящий порошок в графитовой матрице. SPS работает быстрее, чем обычное горячее изостатическое прессование , при котором тепло обеспечивается внешними нагревательными элементами .

Химический анализ

Свет, создаваемый электрическими искрами, можно собирать и использовать в спектроскопии, называемой искровой эмиссионной спектроскопией .

Импульсный лазер высокой энергии может использоваться для создания электрической искры. Спектроскопия лазерного пробоя (LIBS) — это тип атомно-эмиссионной спектроскопии , в которой для возбуждения атомов в образце используется лазер с высокой энергией импульса . LIBS также называют лазерной искровой спектроскопией (LSS).

Электрические искры также могут использоваться для создания ионов для масс-спектрометрии .

Опасности

Искры могут быть опасными для людей, животных или даже неодушевленных предметов. Электрические искры могут воспламенить горючие материалы, жидкости, газы и пары. Даже случайных статических разрядов или небольших искр, возникающих при включении света или других цепей, может быть достаточно для воспламенения легковоспламеняющихся паров из таких источников, как бензин, ацетон, пропан или концентрации пыли в воздухе, например, на мукомольных заводах или в целом на заводах, работающих с порошками.

Искры часто указывают на наличие высокого напряжения или «потенциального поля». Чем выше напряжение; чем дальше искра может проскочить через зазор, и при достаточном количестве подводимой энергии это может привести к большим разрядам, таким как свечение или дуга . Когда человек заряжен статическими зарядами высокого напряжения или находится в присутствии источников высокого напряжения, между проводником и человеком, находящимся на достаточно близком расстоянии, может проскочить искра, позволяя высвобождать гораздо более высокие энергии, которые может вызвать серьезные ожоги, вывести из строя сердце и внутренние органы или даже перерасти в дуговую вспышку .

Искры высокого напряжения, даже с малой энергией, например, от электрошокера , могут перегрузить проводящие пути нервной системы, вызывая непроизвольные сокращения мышц или нарушить жизненно важные функции нервной системы, такие как сердечный ритм. Когда энергия достаточно мала, большую часть ее можно использовать просто для нагрева воздуха, поэтому искра никогда полностью не стабилизируется в свечение или дугу. Однако искры с очень низкой энергией по-прежнему создают «плазменный туннель» в воздухе, через который может проходить электричество. Эта плазма нагревается до температур, часто превышающих температуру поверхности солнца, и может вызвать небольшие локальные ожоги. При наложении электродов на тело человека часто используются токопроводящие жидкости, гели или мази, предотвращающие образование искр в месте контакта и повреждение кожи. Точно так же искры могут вызвать повреждение металлов и других проводников, абляции или изъязвления поверхности; явление, которое используется при электрическом травлении . Искры также выделяют озон, который в достаточно высоких концентрациях может вызывать респираторный дискомфорт или расстройство, зуд или повреждение тканей, а также может быть вредным для других материалов, таких как некоторые пластмассы.

Источник



Электронная эмиссия, ионизация воздуха и электрическая искра

Автоэлектронная эмиссия в вакууме

Известно, что в металлах существуют электроны проводимости. И хотя они непрерывно участвуют в тепловом движении, тем не менее постоянно удерживаются внутри металла благодаря действию сил, направленных от поверхности металла — внутрь него, и не дающих электронам произвольно покинуть данный металл. Эти силы — силы притяжения, действующие на электроны со стороны положительно заряженных ионов кристаллической решетки металла.

В результате вблизи поверхности внутри металла имеется электрическое поле E, обуславливающее разность потенциалов φ на переходе из пространства снаружи металла — внутрь него. То есть потенциальная энергия электрона, чтобы он смог проникнуть снаружи вовнутрь металла, должна уменьшиться на величину eφ.

Рассмотрим энергетическую диаграмму. Здесь изображены: W0 — энергия покоящегося электрона вне металла; Ec – минимальная энергия электрона проводимости.

Налицо потенциальная яма, глубина которой как раз и равна eφ = W0 – Ec. Данная величина называется электронным сродством и характеризует конкретное вещество. Соответственно, если некий электрон внутри металла обладает энергией W1, которая меньше W0, то у такого электрона просто не хватит энергии чтобы покинуть металл.

Но электронам внутри металла можно каким-нибудь способом сообщить дополнительную кинетическую энергию, так что часть электронов сможет покинуть металл, и мы будем наблюдать явление электронной эмиссии, то есть испускание электронов с поверхности данного металла.

Одним из частных случаев электронной эмиссии является автоэлектронная эмиссия — испускание электронов поверхностью металла под действием достаточно сильного электрического поля.

Рассмотрим для примера вакуумированную трубку, внутри которой с двух ее сторон впаяны два электрода, один из которых (а именно — катод) имеет заостренную форму, а другой — отличается сравнительно большой площадью поверхности.

Катод, как следует из его названия, подключается к отрицательному полюсу источника напряжения, а анод — к положительному. В этой ситуации линии напряженности электрического поля E возле катода окажутся сгущены сильнее по сравнению с пространством возле анода.

Разберем ситуацию более подробно. Допустим, у нас есть анод в форме сферы радиуса b, а катод представляет собой маленький шарик радиуса a, причем b>>a, при этом катод установлен точно в центре сферы. В этом случае в точке на расстоянии r от центра сферы напряженность электрического поля будет равна:

А если принять r = a, то найдем напряженность поля E у самой поверхности катода. Она будет приблизительно равна:

Значит уже при напряжении между катодом и анодом в 1000 вольт и радиусе катода в 0,01 мм, напряженность электрического поля на его поверхности будет равна 100 МВ/м! В таких условиях в вакуумированной трубке возникнет слабый электрический ток (измеряемый микроамперами), поскольку электроны начнут покидать острие катода и станут носителями данного тока. И чем выше мы поднимем напряжение между катодом и анодом — тем большим окажется этот ток.

Катод при этом может быть холодным, поэтому данный вид эмиссии называют холодной эмиссией или автоэлектронной эмиссией. Если напряжение продолжить повышать дальше, то катод начнет разогреваться вплоть до испарения металла и возникновения газового разряда в данной трубке.

Нетрудно понять, что автоэлектронная эмиссия возникает просто в силу того, что сильное электрическое поле возле катода изменяет потенциальный барьер на поверхности металла — высота барьера уменьшается, поэтому и необходимая работа выхода для электронов становится меньше. Барьер к тому же становится тоньше, а это значит, что в целом повышается вероятность того, что электрон проникнет сквозь него и покинет таки поверхность металла.

При высокой напряженности электрического поля у катода автоэлектронная эмиссия способна проявить себя даже при достаточно низкой его температуре, в этих условиях вовсе не обязательно подогревать катод или освещать его ультрафиолетом или рентгеновскими лучами, чтобы добиться эмиссии. Напомним, что здесь мы рассмотрели процессе эмиссии в вакууме.

Самостоятельный разряд в газе на примере воздуха

В своем обычном состоянии газы электрический ток не проводят. Но если подвергнуть газ определенному внешнему воздействию, его можно сделать электропроводным.

Например в атмосферном воздухе под действием ультрафиолетовых лучей появляются заряженные частицы. Это происходит потому, что от атомов газа отщепляются электроны, и вместо нейтральных атомов в воздухе будут присутствовать также положительные ионы и электроны. Часть электронов будет вскоре захвачена нейтральными атомами, тогда в данном объеме появятся еще и отрицательные ионы.

Для ионов газа справедливо утверждение, что скорость упорядоченного движения ионов пропорциональна напряженности электрического поля E, в котором они находятся, а также подвижности ионов b:

Подвижность ионов определяется как средняя скорость, которую приобретают ионы газа в электрическом поле напряженностью равной 1 В/м. Причем подвижности отрицательных и положительных ионов различны:

Приведенное выше утверждение справедливо тогда, когда число соударений достаточно велико, и средняя длина свободного пути ионов газа значительно меньше чем расстояние между катодом и анодом. В обычных условиях это положение выполняется практически всегда, поскольку давления в газе около десятых мм рт.ст уже достаточно, иначе можно было бы считать что процесс происходит в вакууме. В результате подвижность ионов обратно пропорциональна давлению в газе в широком интервале давлений.

Стоит отметить, что характер движения ионов в газах сильно сложнее чем характер движения электронов в металлах. Дело в том, что ионы в газе зачастую распределены неравномерно между электродами, поэтому имеется определенный градиент концентрации ионов между электронами, вызывающий поток диффузии ионов.

Поскольку токи положительных и отрицательных ионов не равны друг другу, в газе формируются объемные заряды, усложняющие картину распределения напряженности электрического поля между электродами. Кроме того носители заряда здесь могут возникать также по причине ударной ионизации электронами, и концентрация ионов может поэтому зависеть от напряженности электрического поля. Все это ведет к тому, что в газе закон Ома обычно не выполняется.

В условиях ионизации в газе возможно возникновение самостоятельного разряда по принципу лавины. Допустим, из катода вылетел электрон. На длине свободного пробега он движется ускоренно под действием электрического поля, и приобретает кинетическую энергию.

Если данная энергия больше или равна энергии ионизации атомов газа, то при столкновении с атомом, атом будет ионизирован, он станет положительным ионом, в результате уже имеются движущийся положительный ион и новый электрон. Электроны станут двигаться к аноду, а положительные ионы — к катоду.

После соударений электроны будут набирать энергию, и при следующих соударениях появятся четыре электрона. Затем восемь, потом шестнадцать и т. д. Так образуется лавина электронов по мере их движения к аноду (и соответствующее число положительных ионов, движущихся к катоду).

Число пар ионов и электронов, образовавшихся на единице пути от одного электрона называется коэффициентом объемной ионизации α. А поскольку энергия электронов тем больше, чем больше напряженность электрического поля Е, то и коэффициент объемной ионизации α зависит от напряженности Е.

Коэффициент α также пропорционален давлению в газе. Чтобы разряд при этом стал самостоятельным, необходимо, чтобы электронная лавина поддерживалась процессом поставки новых электронов взамен тех, которые уходят на анод.

Одним из таких процессов может выступать вторичная электронная эмиссия, при которой некоторые особо быстрые положительные ионы выбивают из катода некоторое число электронов.

В определенных гипотетических условиях (при определенной напряженности), оба процесса в совокупности приведут к возникновению самостоятельного разряда.

Но в реальности бесконечного возрастания лавин электронов не возникнет, так как цепь разряда имеет сопротивление, при значительном возрастании тока напряжение на промежутке уменьшится, а значит уменьшится и электрическое поле. Поэтому значение тока конечно, и зависит как от ЭДС источника, так и от сопротивления цепи.

Искра в воздухе

Вернемся к атмосферному воздуху. Будем постепенно наращивать напряжение между катодом и анодом, имеющими форму больших шаров. Электрическое поле между ними будет почти однородным.

В определенный момент, в процессе увеличения напряженности электрического поля, между шарами возникнет электрическая искра — тонкий изогнутый светящийся канал, соединяющий электроды.

Это произойдет в момент, когда электрическая напряженность Е достигнет определенного критического значения Eк. Для воздуха в нормальных условиях это 3 МВ/м. При действии на воздух внешнего ионизатора напряжение пробоя, конечно уменьшится.

Казалось бы, процесс образования искры можно было бы объяснить электронной лавиной, по приведенной выше схеме. Но нет! Если бы существенную роль в искре играла только ударная ионизация электронами, то время развития искры составляло бы порядка 10 — 100 мкс, но практически оно составляет не более 100 нс — в сотни раз меньше!

На самом деле процесс образования искры хорошо объясняет стримерная теория. Согласно стримерной теории, в первый момент появляется скопление ионизированных частиц, имеющих слабое свечение. Эти частицы пронизывают промежуток между катодом и анодом, образуя многочисленные проводящие каналы, по которым устремляются более мощные потоки электронов. Здесь участвуют не только электронные лавины ударной ионизации, но и фактор ионизации газа излучением самого искрового разряда.

Так, кроме первой электронной лавины, возникающей непосредственно возле катода, в точках расположенных далеко впереди «головы» первоначальной лавины зарождаются новые лавины, являющиеся следствием появления затравочных электронов в результате фотоионизации от излучения предыдущей лавины.

Отдельные лавины достигая друг друга сливаются и формируют канал стримера высокой проводимости. Поэтому общий путь стримера «искры» в несколько раз превышает путь проходимый самой первой лавиной. Параллельно стримерам распространяющимся от катода к аноду (отрицательным стримерам), существуют и положительные стримеры, движущиеся от анода к катоду.

Источник