§ 1. Ионизация газов и коронный разряд

При подаче напряжения на обкладки плоского конденсаторе (рис. 11.1, а) в цепи возникает незначительная сила тока, которая; с повышением напряжения сначала немного увеличивается, а затеи сохраняет постоянное значение, называемое током насыщение. Это объясняется тем, что при постоянном уровне ионизации газа в движение приходят все имеющиеся в газовом промежутке ионы.

Рис. 11.1. Ионизация газа в электрическом поле плоского конденсатора: а — схема включения; б—вольтамперная характеристика; 1 — плоский конденсатор; 2 — источник выпрямленного тока; 3 — регулятор напряжения; 4 — выключатель

При некотором критическом значении приложенного напряжения кинетическая энергия движущихся ионов достигает такой величины, что они при столкновении с нейтральными молекулами расщепляют последние на положительные и отрицательные ионы. Образовавшиеся ионы ускоряются электрическим полем и в свою очередь ионизируют новые молекулы газа. Процесс ионизации приобретает цепной характер и называется ударной ионизацией.

Как известно, между обкладками плоского конденсатора электрическое поле равномерно, т.е. напряженность поля во всех точках сохраняет постоянную величину. Вследствие этого ударная ионизация протекает одновременно во всех точках межэлектродного промежутка и сила тока мгновенно возрастает — наступает дуговой разряд (пробой).

Поэтому в равномерном электрическом поле нельзя осуществить ударную ионизацию, т.е. массовую генерацию ионов, так как ее будет сопровождать пробой межэлектродного промежутка. Однако, чтобы сообщить частицам пыли заряд, необходимо непрерывно генерировать большое количество ионов. Эта задача может быть решена только при организации ударной ионизации в неравномерном электрическом поле. При подаче напряжения на обкладки цилиндрического конденсатора напряженность поля вблизи центрального электрода будет значительно больше, чем у внешнего (рис. 11.2, а).

Рис. 11.2. Распределение напряженности поля в цилиндрическом конденсаторе: 1 — коронирующий электрод; 2 — осадительный электрод.

Закон распределения напряженности поля в цилиндрическом конденсаторе может быть найден на основании теоремы Остроградского—Гаусса, согласно которой поток индукции (электрического смещения) ψ сквозь всякую замкнутую поверхность равен сумме зарядов q, находящихся внутри этой поверхности.

Для цилиндрического конденсатора, согласно теореме Остроградского—Гаусса, можно написать, что произведение поверхности цилиндра на величину индукции (электрического смещения) равно заряду на оси:

2πхLD = q, (11-1)

где L – рассматриваемая длина цилиндра; x – текущий радиус; D – величина индукции на расстоянии х от оси.

Связь между индукцией D и напряженностью поля E выражается следующим уравнением:

D = ε_о·ε·E, (11-2)

где ε_о – диэлектрическая проницаемость вакуума, Ф/м; ε₀ = 8,85·10^-12 Ф/м; ε – относительная диэлектрическая проницаемость среды, для газов близкая к единице.

Как известно, разность потенциалов dU между двумя точками, находящимися на расстоянии l друг от друга, равна работе перенесения единицы заряда из одной точки в другую, т.е. произведению силы на путь. Так как напряженность электрического поля Е представляет собой силу, действующую на единичный заряд, то можно написать, что

dU = E_xdx (11-3)

Из выражений (11-1) и (11-2) следует, что

_. (11-4)

После разделения переменных и интегрирования в пределах от x = R₁ до x = R₂ получим

_, (11-5)

где R_1, R₂ – радиус провода (коронирующего электрода) и радиус цилиндра соответственно, м.

Подставив в формулу (11-4) развернутое значение q из формулы (11-5), получим

_, (11-6)

где E_x – напряженность поля в точке, отстоящей на расстоянии x от провода (коронирующего электрода) .

Графически закон распределения напряженности поля в межэлектродном промежутке цилиндрического конденсатора изображен на рис. 11.2, б. По мере удаления от центрального электрода напряженность поля уменьшается сначала очень быстро, а потом медленнее.

При повышении приложенного напряжения сначала, как и в плоском конденсаторе, устанавливается ток насыщения. Далее, с возрастанием напряжения вблизи центрального провода (внутреннего электрода), напряженность поля достигает критической величины соответствующей началу ударной ионизации.

По мере роста напряжения область ударной ионизации расширяется и сила тока, проходящего через межэлектродный промежуток, повышается (рис. 11.3). Этот участок (1—2) диаграммы соответствует так называемому коронному разряду, при котором генерация ионов достаточна для осуществления зарядки пылевых частиц при отсутствии пробоя межэлектродного промежутка. При дальнейшем повышении напряжения область коронного разряда настолько увеличивается, что происходит искровой разряд (пробой) U_пр.

Рис. 11.3. Зависимость силы тока i коронного разряда от величины приложенного напряжения в цилиндрическом конденсаторе

Критическое напряжение на электродах, соответствующее критической напряженности поля, может быть определено в соответствии с формулой (11-6):

. (11-7)

Коронный разряд может быть получен не только в цилиндрическом конденсаторе, но и при другом взаимном расположении электродов, обеспечивающем образование неравномерного электрического поля. В практике широко применяют конструкции, в которых неравномерное электрическое поле создается расположением ряда коронирующих электродов между параллельными плоскостями. В этом случае критическое напряжение U_KP короны может быть рассчитано по формуле

, (11-8)

где Н — расстояние между коронирующими и осадительными электродами; S — шаг коронирующих электродов в ряду, м.

Внешними проявлениями коронного разряда являются слабое голубовато-фиолетовое свечение вокруг коронирующего электрода, негромкое потрескивание, а также запах озона и окислов азота, если разряд происходит в атмосферном воздухе. В зависимости от полярности коронирующего электрода корона может быть положительной и отрицательной. Начало коронирования и искровой разряд в воздухе в случае отрицательной короны происходят при более высоких напряженностях поля, чем в случае положительной короны.

Критическая напряженность электрического поля, В/м, при которой возникает корона, может быть определена по эмпирической формуле Пика:

а) для отрицательной полярности коронирующего электрода

; (11-8)

б) для положительной полярности коронирующего электрода

, (11-9)

где β – отношение плотности газа в рабочих условиях к плотности газа в стандартных условиях (Т = 20⁰С, р = 101,3 кПа).

_;

здесь р_бар - барометрическое давление, кПа; р_г - разрежение или избыточное давление в газоходе, кПа; T - температура газов, ⁰С.

Формула Пика получена для воздуха и провода круглого сечения, но с известной степенью приближения может применяться и -для дымовых газов.

После появления короны в электрическом поле цилиндрического конденсатора образуются две области, отличающиеся друг от друга. В области короны происходит генерация ионов обоих знаков и свободных электронов. При отрицательной полярности коронирующего электрода под действием сил электрического поля положительные ионы движутся к коронирующему электроду и нейтрализуются на нем. Отрицательные ионы и свободные электроны движутся через внешнюю зону (область) коронного разряда к положительно заряженному цилиндрическому электроду и отдают ему свой заряд.

Так как корона занимает сравнительно небольшой объем в непосредственной близости к проводу, то основная часть межэлектродного промежутка заполнена только отрицательными ионами и свободными электронами, движущимися к цилиндрическому электроду. Наличие движущихся отрицательных ионов создает униполярный пространственный заряд во внешней зоне коронного разряда и обусловливает протекание в цепи цилиндрического конденсатора электрического тока, называемого током короны.

Пространственный заряд влияет на распределение напряженности поля в межэлектродном промежутке. Между движущимися отрицательными ионами и положительным электродами создаются свои локальные электрические поля. Накладываясь на основное поле, они усиливают и выравнивают его, благодаря чему напряженность поля во внешней зоне коронного разряда приближается к некоторому постоял ному значению, повышающемуся с ростом тока короны (см. рис. 11.2, б).