Электрический пробой газа¶

Электрический пробой газа — это явление резкого возрастания электрического тока в газовой среде, сопровождающееся переходом газа из состояния диэлектрика в состояние проводника. Пробой наступает, когда напряжённость электрического поля в газе превышает критическое значение, называемое пробивным напряжением. В результате пробоя в газе образуется проводящий канал (искровой, дуговой или тлеющий разряд), через который протекает значительный ток. Электрический пробой газа лежит в основе работы многих устройств — от газоразрядных ламп и молниеотводов до высоковольтных коммутаторов и плазменных технологий, а также является причиной аварийных отказов изоляции в электроэнергетике.

¶Физическая природа пробоя

В обычных условиях газы состоят из нейтральных атомов или молекул и не содержат свободных носителей заряда, поэтому являются хорошими изоляторами. Однако при приложении достаточно сильного электрического поля начинаются процессы ионизации, которые приводят к появлению свободных электронов и ионов. Основные механизмы, ответственные за развитие пробоя:

• Ударная ионизация — свободный электрон, ускоряясь в электрическом поле, приобретает энергию, достаточную для выбивания электрона из нейтрального атома или молекулы при столкновении. В результате образуются два электрона и положительный ион. Каждый из новых электронов, в свою очередь, может произвести ионизацию, что приводит к лавинообразному нарастанию числа носителей заряда (электронная лавина).
• Фотоионизация — фотоны, излучаемые возбуждёнными атомами и молекулами в разряде, могут ионизировать другие частицы газа, способствуя распространению разряда.
• Вторичная эмиссия — положительные ионы, бомбардируя катод, выбивают из него дополнительные электроны, что усиливает ток.
• Термическая ионизация — при высоких температурах (например, в дуговом разряде) кинетическая энергия частиц становится достаточной для ионизации при столкновениях.

¶Виды электрического пробоя газа

Классификация пробоя проводится по форме разряда, условиям возникновения и параметрам электрической цепи.

¶Искровой разряд

Искровой разряд — кратковременный, импульсный пробой газа, сопровождающийся яркой вспышкой и звуком (треском). Типичный пример — молния в атмосфере. В лабораторных условиях искровой пробой наблюдается между двумя электродами при напряжении в несколько киловольт и выше. Искра представляет собой узкий, сильно нагретый канал, в котором газ полностью ионизирован. После пробоя напряжение на промежутке резко падает, и разряд гаснет, если источник тока не способен поддерживать горение дуги.

¶Дуговой разряд

Дуговой разряд — устойчивая форма самостоятельного газового разряда, характеризующаяся высокой плотностью тока (до 10⁶ А/см²) и низким напряжением на электродах (обычно 10–100 В). Для возникновения дуги необходимо предварительное зажигание (например, искрой) или короткое замыкание электродов. Дуга поддерживается за счёт термоэлектронной эмиссии с катода и термической ионизации газа. Применяется в электросварке, плазменных резаках, дуговых печах, а также в газоразрядных лампах высокого давления.

¶Тлеющий разряд

Тлеющий разряд — самостоятельный разряд при низком давлении газа (обычно от 0,1 до 10 мм рт. ст.) и относительно небольших токах (миллиамперы — амперы). Характеризуется наличием тёмного катодного пространства и положительного столба, который может светиться различными цветами в зависимости от состава газа. Тлеющий разряд используется в неоновых лампах, газоразрядных индикаторах, лазерах (например, гелий-неоновых) и в плазменных панелях.

¶Коронный разряд

Коронный разряд — неполный пробой газа, возникающий в резко неоднородных полях (например, у острых кромок проводов, игл, коронирующих электродов). При коронном разряде ионизация происходит только вблизи электрода с малым радиусом кривизны, а остальная часть промежутка остаётся изолирующей. Коронный разряд наблюдается в высоковольтных линиях электропередачи (потери на корону), в электрофильтрах для очистки газов, в копировальных аппаратах и лазерных принтерах.

¶Скользящий разряд

Скользящий разряд — разряд, развивающийся вдоль поверхности диэлектрика, помещённого между электродами. Часто возникает в изоляторах высоковольтного оборудования при загрязнении или увлажнении поверхности. Может приводить к перекрытию изоляции и авариям.

¶Законы и критерии пробоя

¶Закон Пашена

Эмпирический закон, описывающий зависимость пробивного напряжения газа от произведения давления газа p и расстояния между электродами d (для однородного поля). Согласно закону Пашена, пробивное напряжение U_пр является функцией произведения p·d и имеет минимум при некотором значении p·d. Для воздуха при нормальных условиях минимум составляет около 300–400 В при p·d ≈ 0,5–1 мм рт. ст.·см. Закон Пашена лежит в основе расчёта изоляции вакуумных и газонаполненных приборов.

¶Критерий Таунсенда

Критерий, определяющий условие перехода от несамостоятельного разряда к самостоятельному (пробою). В теории Таунсенда пробой наступает, когда коэффициент ударной ионизации α (число ионизаций на единицу пути электрона) и коэффициент вторичной эмиссии γ (число электронов, выбиваемых с катода одним ионом) удовлетворяют уравнению: γ·(exp(α·d) — 1) = 1. Этот критерий хорошо описывает пробой при низких давлениях и малых расстояниях.

¶Стримерная теория

Для пробоя при атмосферном давлении и больших промежутках (например, в молнии) более адекватна стримерная теория, разработанная Л. Б. Лёбом и Дж. М. Миком. Согласно этой теории, электронная лавина, достигнув критического размера, порождает фотоионизацию в окружающем пространстве, что приводит к образованию плазменных каналов — стримеров. Стримеры быстро распространяются навстречу друг другу, замыкая электроды и образуя проводящий канал искры.

¶Факторы, влияющие на пробивное напряжение

Пробивное напряжение газа зависит от многих параметров:

• Род газа — различные газы имеют разные энергии ионизации и сечения столкновений. Например, элегаз (SF₆) обладает в 2–3 раза более высокой электрической прочностью, чем воздух, благодаря сильной электроотрицательности (захвату электронов).
• Давление — с увеличением давления пробивное напряжение обычно растёт (до определённого предела), так как возрастает плотность частиц и длина свободного пробега электронов уменьшается.
• Форма электродов и неоднородность поля — в резко неоднородных полях (остриё — плоскость) пробой происходит при меньших напряжениях, чем в однородных.
• Влажность и загрязнение — влага и пыль могут снижать пробивное напряжение, особенно на поверхности изоляторов.
• Температура — при высоких температурах (например, в пламени) пробивное напряжение снижается из-за термической ионизации.
• Частота приложенного напряжения — при импульсном или высокочастотном напряжении пробивное напряжение может отличаться от статического.

¶Применение и значение

Электрический пробой газа имеет как полезные, так и вредные аспекты.

¶Технические устройства

• Газоразрядные лампы — люминесцентные, неоновые, ртутные, натриевые лампы, в которых тлеющий или дуговой разряд преобразует электрическую энергию в свет.
• Высоковольтные коммутаторы — разрядники, тиратроны, искровые промежутки, используемые для коммутации больших токов и напряжений.
• Плазменные технологии — плазмотроны, плазменные резаки, плазменные напылители, работающие на дуговом разряде.
• Электрофильтры — устройства для очистки газов от взвешенных частиц, использующие коронный разряд.
• Молниезащита — молниеотводы и разрядники, отводящие ток молнии в землю.
• Лазеры — газовые лазеры (CO₂, He-Ne, эксимерные) используют тлеющий или дуговой разряд для накачки активной среды.

¶Опасности и защита

• Пробой изоляции — в высоковольтных линиях, трансформаторах, кабелях пробой газа (воздуха) может привести к короткому замыканию и аварии. Для защиты применяют изоляторы, элегазовую изоляцию, вакуумные выключатели.
• Молния — атмосферный пробой газа между облаками и землёй представляет серьёзную опасность для людей, зданий и электрооборудования. Для защиты используются молниеотводы, грозозащитные тросы, ограничители перенапряжений.
• Коронный разряд — в высоковольтных линиях вызывает потери энергии, радиопомехи и акустический шум. Для снижения короны применяют расщеплённые провода, гладкие поверхности и увеличение диаметра проводов.

¶Интересные факты

• Минимальное пробивное напряжение для воздуха (согласно закону Пашена) составляет около 300–350 В при давлении около 1 мм рт. ст. и расстоянии около 0,5–1 см. При меньших или больших произведениях p·d напряжение пробоя возрастает.
• В вакууме (при давлении ниже 10⁻⁵ мм рт. ст.) пробой газа невозможен, так как практически отсутствуют частицы для ионизации. Однако в вакууме возможен пробой по поверхности изоляторов или за счёт эмиссии электронов с электродов.
• Молния — самый мощный природный пример электрического пробоя газа. Напряжение между облаком и землёй может достигать сотен миллионов вольт, а ток — десятков тысяч ампер. Температура в канале молнии превышает 30 000 °C.
• Элегаз (SF₆) широко используется в высоковольтном оборудовании (распределительные устройства, выключатели, трансформаторы) благодаря высокой электрической прочности и дугогасящим свойствам. Однако он является мощным парниковым газом, и его выбросы в атмосферу ограничиваются международными соглашениями.

¶Источники

• Райзер Ю. П. Физика газового разряда. — М.: Наука, 1987.
• Леб Л. Б. Основные процессы электрических разрядов в газах. — М.: ГИТТЛ, 1950.
• Физическая энциклопедия / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Советская энциклопедия, 1988. — Т. 1.
• ГОСТ 1516.2-97. Электрооборудование и электроустановки переменного тока на напряжение 1 кВ и выше. Общие методы испытаний электрической изоляции.
• Meek J. M., Craggs J. D. Electrical Breakdown of Gases. — Wiley, 1978.