Решение: Пробой диэлектрика и ударная ионизация

Ниже представлены ответы на контрольные вопросы к лабораторной работе по физике диэлектриков. Оформление адаптировано для записи в тетрадь. Ответы на контрольные вопросы 1. Как происходит пробой газообразного диэлектрика? Пробой газа — это процесс потери газом диэлектрических свойств при достижении напряженности электрического поля критического значения. Процесс начинается с появления в газе свободных электронов (за счет естественного радиационного фона или фотоионизации). Под действием сильного поля электроны ускоряются и при столкновении с нейтральными молекулами ионизируют их. Возникает электронная лавина, которая перерастает в самостоятельный разряд (искровой, дуговой или коронный), образуя проводящий канал между электродами. 2. Что такое «ударная ионизация»? Ударная ионизация — это процесс выбивания электрона из нейтрального атома или молекулы при соударении с ним частицы (обычно электрона), обладающей достаточной кинетической энергией. Условие ударной ионизации выражается формулой: \[ W_{k} \ge W_{i} \] где \( W_{k} \) — кинетическая энергия электрона, \( W_{i} \) — энергия ионизации данного газа. Кинетическая энергия электрона на длине свободного пробега \( \lambda \) в электрическом поле \( E \) равна: \[ W_{k} = e \cdot E \cdot \lambda \] где \( e \) — заряд электрона. 3. Какие существуют виды ионизации газов? Основными видами ионизации являются: — Ударная ионизация (электронным или ионным ударом). — Фотоионизация (под действием квантов света или электромагнитного излучения). — Термическая ионизация (вследствие высокой температуры и большой скорости теплового движения частиц). — Ступенчатая ионизация (атом ионизируется не сразу, а через промежуточные возбужденные состояния). 4. Что такое однородное и неоднородное электрическое поле? Однородное поле — это поле, в котором вектор напряженности \( \vec{E} \) одинаков во всех точках по модулю и направлению. Пример: поле между двумя плоскими параллельными пластинами (при малом расстоянии между ними). Неоднородное поле — это поле, напряженность которого меняется от точки к точке. Пример: поле между иглой и плоскостью или между двумя шарами, если расстояние между ними соизмеримо с их радиусом. В неоднородном поле выделяют области с максимальной напряженностью (у острия иглы). 5. В чем различие пробоя газа в однородном и неоднородном электрических полях? В однородном поле возникновение самостоятельного разряда сразу приводит к полному пробою промежутка. Пробивное напряжение зависит только от природы газа, давления и расстояния. В сильно неоднородном поле (например, игла — плоскость) сначала возникает местный пробой у электрода с малым радиусом кривизны — коронный разряд. Полный пробой наступает при значительно больших напряжениях. Также в неоднородных полях наблюдается эффект полярности: пробивное напряжение зависит от того, какой знак потенциала подан на иглу. 6. Как зависит электрическая прочность газа от его температуры и давления? Электрическая прочность газа напрямую зависит от плотности газа. Согласно закону Пашена, пробивное напряжение является функцией произведения давления \( p \) на расстояние между электродами \( h \): \[ U_{np} = f(p \cdot h) \] При увеличении давления (до определенных пределов) плотность газа растет, длина свободного пробега электрона \( \lambda \) уменьшается, и для ионизации требуется большая напряженность поля. При повышении температуры (при постоянном давлении) плотность газа падает, \( \lambda \) увеличивается, что ведет к снижению электрической прочности. В общем виде зависимость описывается через относительную плотность газа \( \delta \): \[ E_{np} = E_{0} \cdot \delta \] где \( \delta = \frac{p \cdot 293}{0.1013 \cdot T} \) (при нормальных условиях).