Jonizacja powierzchniwa
Elektrony mogą pojawić się w gazie poza procesami jonizacji przestrzennej na skutek emisji z elektrod. Wyzwalanie elektronów z masy metalu ma inny charakter ale również wymaga dostarczenia energii zwanej energią lub pracą wyjścia. Elektron wewnątrz metalu znajduje się w polu elektrostatycznym siatki dodatnich jonów. Na powierzchni metalu występuje dla elektronu bariera potencjału, którą elektron musi pokonać aby wyjść z metalu. Ponieważ elektron otoczony jest barierą potencjału ze wszystkich stron , znajduje się w studni potencjału.
hP - poziomy energetyczne zapełnione przy temp. zera bezwzględnego ( zakaz Pauliego ).
Dla wyzwolenia elektronu z metalu należy dostarczyć energię :
WF - energia Fermiego
Może byc ona dostarczona na kilka sposobów :
1). fotoemisja ( zjawisko fotoelektryczne) - elektrony otrzymują energię od fotonów
2). termoemisja - rozżażenie katody
3). autoemisja ( polowa ) - występuje gdy natężenie pola elektrycznego przekracza 1 MV/cm
4). emisja pod wpływem bombardowania jonami - energia jonów przekracza :
Rozwój wyładowania w gazie
Powietrze atmosferyczne zawsze zawiera pewną niewielką liczbę jonow obu znaków ( ok 500 mln par jonów w m3 ).
Wskutek tego powietrze nie jest idealnym dielektrykiem. Po przyłożeniu wzrastającego napięcia do układu elektrod
izolowanych gazem, w układzie pojawia się niewielki poczatkowo prąd, który przy określonej wartości napięcia gwaltownie wzrasta i przerwa gazowa traci swe właściwości izolacyjne. Ma miejsce przeskok elektryczny. Wyładowania w gazach mają różny charakter w zależności od ciśnienia gazu i mocy źródła :
1). dla niskich ciśnień i małych mocy źródla wyładowanie świetlące, żażeniowe
1). dla wyższych ciśnień ( atmosferyczne i wyższe )
a) wyładowania zupelne
- iskrowe ( mała moc źródła )
- łukowe ( duża moc źródła)
b) wyładowania niezupełne
- ulotowe ( koronowe, świetlące)
- snopiaste ( warstwa par przy elektrodzie o małym promieniu krzywizny)
0 - U1 - wzrasta liczba elektronów dostarczanych
z katody
U1 - U2 - odpływ ładunków z elektrod ( stan nasycenia -
ustabilizowany poziom jonizacji)
U2 - U0 - lawina elektronowa
Lawina elektronowa - jest wspólnym elementem
charakteryzującym początkową fazę wszystkich mechanizmów z wyjątkiem prózniowego. Zostaje ona zapoczątkowana
gdy wzrost energii swobodnego elektronu na drodze l w kierunku pola E, równy eEl , przekroczy wartość energii jonizującej eUj. Przy swobodnej drodze krytycznej ze względu na jonizację lj = Uj/E stąd :
Wystąpienie określonej długości drogi swobodnej jest zdarzeniem losowym, a zatem o spełnieniu powyższego warunku można mówić z pewnym prawdopodobieństwem którego dystrybuanta :
l - średnia droga swobodna
Ponieważ prawdopodobna liczba zderzeń jonizacyjnych
to
Uwzględniając że
Oznacza to, że dla określonego gazu w stałej temperaturze stosunek a / p jest funkcją stosunku natężenia pola i ciśnienia ( E/p).
W polu jednorodnym przestrzeni międzyelektrodowej współczynnik a jest wielkością stałą ,
Założeneie
W jednostce czasu z jednostki powierzchni katody jest wyzwalane n0 elektronów. Pod działaniem pola elektrostatycz.
te elektrony bedą wywoływać jonizację zderzeniową, w wyniku czego liczba elektronów będzie wzrastać. Taki strumień elektronów o rosnącej ich liczbie nazywa się lawiną elektronową. W odległości x od katody znajduje się n elektronów ( na jednostce czasu i powierzchni ), które przebywając drogą dx wytwarzają dn nowych elektronów. Każdy elektron na drodze dx wywołuje a*dx jonizacji. Zatem dn = a*dx*n . Po scałkowaniu w granicach od n0 do n i od 0 do x możemy napisać :
Liczba elektronów, które dochodzą do anody
otrzymujemy gęstość prądu :
W polu niejednorodnym a zależy od x ( ostrze-ostrze ; ostrze - płyta )
Wzory te obowiązują w zakresie napięcia od U2 doU0 . Osiągnięcie wartości U0 oznacza przejście od wyładowania niesamodzielnego do samodzielnego ( zupełnego lub niezupełnego )
Mechanizm Towsenda
Opiera się na założeniu że wewnętzrznym źródłem elektronów jest ich emisja z katody wyłącznie pod wpływem bombardowania jej przez jony dodatnie powstające w procesie jonizacji zderzeniowej w lawinie i wplyw ładuku przestrzennego jest pomijalny ( małe d ). Oznaczmy przez g współczynnik wtórnej jonizacji powietrza :
g =
Jezeli procesy jonizacyjne w przestrzeni osiągną stan ustalony : g =
gdzie : nK - całkowita liczba elektronów wybitych z katody
n0 - liczba elektronów wychodzących z katody pod wpływem czynników zewnętrznych ( pole przyłożone )
nd - liczba elektronów dochodzących d oanody
Patrz rysunek na odwrocie !!
Ponieważ
mnożąc przez ładuek i powierzchnie
Ponieważ ten człon ( ) jest liczbą jonów dodatnich, g ( ) jest liczbą elektronów wtórnych wybitych przez te jony a wyładowanie staje się samodzielne ( niezależne od I0 gdy 1-g ( ) = 0, czyli g ( ) = 1
( jeden padający jon wybija jeden elektron )
Aby proces się rozwijał g ( ) ³ 1. W polu niejednorodnym g ( ) ³ 1
Napięcie przeskoku w polu jednorodnym
Na podstawie warunku wyładowania samodzielnego g ( ) ³ 1 można wyznaczyć wartość napiecia przeskoku w jednorodnym :
W przestrzeni miedzelektrodowej w chwili rozpoczęcia wyładowania występuje krytyvzne natężenie pola E0 i odpowiadajace mu napięcie U0.
W polu jednorodnym początek wyładowania oznacza przeskok : UP = U0 =E0*d ( d - odległość między elektrodami )
zK - krytyczna liczba zderzeń jonizujących wywołanych przez jeden elektron na drodze d. Dla powietrza zK = 8 ¸ 10
g = 10- 5 .....10- 3
Dla powietrza 350 V przy pd = 0.73 Pa*m.
Mechanizm kanałowy
Zbadany i opisany przez L.B.Loeba, J.M.Meeka, i H.Raethera, oparty jest na założeniu, że wewnętrznym źródłem swobodnych elektronów jest fotojonizacja wywołana przez procesy odwzbudzeniowe i rekombinacyjne zachodzące w lawinie, a odstęp między elektrodami jest wystarczajacy do wzrostu w lawinie ładunku przestrzennego do znaczącej wartości. W rozwijającej się lawinie występuje rozdział ładunku. Szybkie elektrony gromadzą się przy jej czele, a cięższe jony dodatnie pozostają w tyle. Wpływ lawiny na rozkład pola:
Wytworzony w ten sposób ładunek przestrzenny jest
źródłem natężenia pola E’’ , które nakłada się na pole
pierwotne E’ i odkształca znacznie jego rozkład. Towarzyszące
powstaniu ładunku przestrzennego procesy rekombinacyjne
i odwzbudzające są źródłem energii wystarczającej nie
tylko do zintensyfikowania jonizacji w samej lawinie, ale również
do zapoczątkowania fotojonizacji w jej otoczeniu.
Pojawienie się fotojonizacji daje poczatek wyład. samoistnemu.
Wokół lawiny powstają lawiny wtórne ( rys. na odwrocie !! )
Przy dostatecznie duzym polu wytwarzanym przez ładunek przestrzenny ( E’’ ³ E’ ) lawiny wtórne są wciągane w obszar lawiny pierwotnej. Wzrasta w niej liczba ładunków a zderzenia sprężyste powodują wzrost temperatury. Powstaja warunki pozwalające na przekształcenie się lawiny pierwotnej w kanał plazmowy ( strimer ). Aby warunek
( E’’ ³ E’ ) był spełniony ładunek na czole lawiny musi osiągnąć liczbę krytyczną :
nK = n0 exp ( a*xK ) gdzie xK - krytyczna długość lawiny , a - współczynnik jonizacji pierwotnej.
Szacuje się, że nK = 10 8 a a*xK jest szacowana 18 - 20.
Kryterium przeskoku kanałowego wg. Raethera a*xK = 17.7 + ln xK
Osiągnięcie przez lawinę pierwotną krytycznej długości xK a tym samym przekształcenie jej w strimer jest możliwe, jeżeli odstęp międzelektrodowy a jest większy od xK. Równość a = xK wyznacza wg. Rauthera, najmniejszą wartość a jaka jest niezbędna do spowodowania przeskoku strimerowego.
Mechanizm strimerowo - liderowy
Przy dużych odstepach międzyelektrodowych, gdy do zwarcia elektrod przez strimer jeszcze nie dochodzi wzrost liczby i prędkości ładunków w kanale powoduje przekroczenie temp. jonizacji termicznej i przekształcenie się kanału strimerowego w lider.
Kanał lidera rozwija się skokowo. Strimer ostatniego skoku przekształca się w wyładowanie główne.
Mechanizmy próżniowe
Występują gdy średnia droga swobodna cząstek gazu jest większa niż odstęp międzyelektrodowy i niemożliwy staje się rozwoj lawinowy elektronów. Żródłem nośników ładunków elektrycznych stają się elektrody.
1). Mechanizmy inicjowania przeskoku między elektrodami :
- emisja termoelektronowa ( E ¯ ; T )
- emisja polowa ( E ; T ¯ )
- emisja termopolowa ( E i T )
Emisja polowa elektronów z powierz. elektrody ma miejsce dla określonych punktów elektrody tj. mikrowystępów i
mikroostrzy. Może wystepować również z lokalnych zanieczyszczeń wbitych w powierzchnię. Jeśli prąd emisji wzmagając się przy wzroście napięcia i temperatury oraz bombardowania jonów doprowadzi do nagrzania katody i odparowania metalu ( mikroplazmy) do przestrzeni międzyelektrodowej to mówimy o katodowym mechaniźmie przeskoku. Jeśli zaś prąd elektronowy rozgrzewa powierzchnię anody do tego stopnia, że z jej poierzchni wyrzucane są pary metalu to mamy do czynienia z mechanizmem anodowym.
2). Zjawisko makrocząsteczkowego bombardowania elektrod - odparowuje uderzająca bryłka lub mat. elektrody
3). Możliwa jest międzyelektrodowa wymiana cząstek
Wyładowania piorunowe
Wyładowania piorunowe powstają w wyniku burz piorunowych. Rozróżnia się dwa podstawowe ich rodzaje :
- burze frontowe - powstają w klimacie umiarkowanym na granicy zderzających się mas ciepłego powietrza z zimnym lub z pochyłościami terenu. Wilgotne ciepłe powietrze jest unoszone na duże wysokości, gdzie ulega schłodzeniu, dając zaczątek rozleglej chmurze burzowej. Może ona obejmować setki km i przemieszczać się z prędkością zwykle większą niż 50 km*h- 1 . Towarzyszy jej nieduża gęstość piorunów.
- burze termiczne - charakteryzują się większą ilością wyładowań piorunowych niż burze frontowe. Powstają one pod wpływem silnego nagrzania i unoszenia dolnych mas wilgotnego powietrza ku górze z zawirowaniami, na wysokość do 15 km, gdzie następuje jego ochłodzenie. W procesach tych formuje się naelektryzowana chmura burzowa, której ładunek tworzy dodatnie i ujemne centra o średniej gęstości rzędu 10- 9 A*s*m- 3.
Istnieje kilka teorii, które wyjasniają separację ładunków dodatnich i ujemnych w chmurze.
* Elster i Geitel
duże krople wody w polu elektr. ziemi ( ładunek ujemny rzędu 5.4*10 5 C ) polaryzują się z ładukiem ujemnym
na górze. Kiedy spadająca duża kropla spotyka drugą
nastepuje przepływ ładunku. Duża kropla z ładukiem
ujemnym spada na dół a mała z ładunkiem dodatnim
przemieszcza się ku górze
* Wilson
Krople wody ładują się w zderzeniu z jonami ( mała kropla zastępuje jony )
damiano_80