Частицы газа движутся с различными скоростями, а значит, и с разными энергиями. Скорость частицы v (в см/с) зависит от ее абсолютной температуры Θ и плотности т (в кг/см3) и определяется из уравнения 0,5tv2 = 1,5k/O, где k — постоянная Больцмана. Скорости частиц соответствуют максвелловскому распределению частиц по скоростям. Большинство частиц имеет наиболее вероятную скорость. Однако некоторые частицы имеют скорость, большую или меньшую, чем вероятная. При повышении температуры газа скорость движения частиц увеличивается и при какой-то скорости столкновения двух молекул может закончиться распадом этих молекул на атомы. Процесс распада молекул при их соударении на атомы называется диссоциацией. На диссоциацию молекул расходуется определенное количество энергии (см. табл. 1). Эта энергия забирается от газа, и, следовательно, при диссоциации газа его температура понижается. Образовавшиеся при диссоциации нейтральные атомы диффундируют в окружающую среду и там снова соединяются в молекулы, выделяя тепловую энергию. Таким образом диссоциация ускоряет перенос тепловой энергии от ствола дуги в окружающее пространство, как бы увеличивая теплопроводность газа.
Рис. 1. Зависимость степени диссоциации х при различных избыточных давлениях и степени ионизации х при атмосферном давлении от температуры для некоторых газов и паров металлов
Степень диссоциации, т. е. отношение числа молекул, распавшихся на атомы, к общему числу молекул в данном объеме зависит от температуры и давления газа (рис. 1). Она может быть определена по приведенной ниже формуле (1), если в нее вместо энергии ионизации подставить энергию диссоциации. Для О2 и Н2 при давлении 0,1 МПа диссоциация начинается при 2250 К и заканчивается при 6000 К, для Ν2 — соответственно при 4000 и 14 000 К, а для SFв — при 2100 К и 5000 К.
При более высокой температуре столкновение частиц может закончиться их ионизацией. Термическая ионизация может проходить ступенчато, т. е. сначала молекула или атом при столкновениях переходят в возбужденное состояние, а уже при последующих столкновениях происходит их ионизация.
Таким образом, даже небольшая доля паров меди в воздухе сильно снижает эффективный потенциал ионизации смеси газов. Причем на понижении эффективного потенциала ионизации на столько сказывается содержание паров меди, сколько потенциал ионизации паров металла. Например, если примесь паров меди в воздухе составит 50 %, то эффективный потенциал ионизации будет 7,95 В, т. е. немного меньше того, который был при 12 %.
Эффективный потенциал ионизации смеси газов зависит от ее температуры.
Деионизация дугового промежутка осуществляется путем рекомбинации и диффузии.
Рекомбинация (воссоединение) заключается в том, что две противоположно заряженные частицы, например два иона разных знаков или положительный ион и электрон, сближаясь, притягиваются друг к другу, образуя нейтральную частицу (атом или молекулу). Частицы, соединяющиеся в процессе рекомбинации, выделяют энергию, равную начальной энергии, затраченной на ионизацию этих частиц. Эта энергия выделяется в виде энергии светового кванта, в которую переходят энергия ионизации и кинетическая энергия движения электрона. Столкновение электрона с положительным ионом не всегда приводит к образованию нейтральной молекулы (атома). При таком столкновении возможно и образование возбужденной молекулы. Выделившаяся при рекомбинации ионов энергия может перейти не только в энергию излучения, но и в кинетическую энергию. Два нейтральных атома, образовавшихся при рекомбинации, могут разлететься в противоположных направлениях с большими скоростями, т. е. с большей кинетической энергией.
Выделение энергии не может совершаться мгновенно, а происходит обычно в течение нескольких наносекунд. Для того чтобы произошла рекомбинация двух частиц, они должны на протяжении достаточно длительного времени находиться вблизи друг от друга. Следовательно, рекомбинация происходит интенсивнее при более низких температурах, когда скорость движущихся частиц меньше, чем при повышенных температурах.
Существенное влияние на скорость рекомбинации оказывают плотность газа, его температура, состояние газа (неподвижен, в состоянии движения) и наличие в зоне дуги нейтральных тел (плоскостей).
Рекомбинация может происходить на поверхности твердых материалов или в объеме газов.
Рекомбинация на поверхности происходит весьма эффективно, так как положительные ионы и электроны, попадая на поверхность диэлектрика или металла, адсорбируются ею. В результате они задерживаются поверхностью либо покидают ее как нейтральные частицы. В неподвижном газе около нейтральных поверхностей образуется слой нейтрального газа, который затрудняет проникновение ионов и электронов к этой поверхности. Если же газ находится в движении, то этот нейтральный слой разрушается и доступ ионов и электронов к поверхности облегчается. Наличие в зоне дуги изолирующих поверхностей увеличивает рекомбинацию в тысячи и десятки тысяч раз в зависимости от различных условий и свойств газа. Это явление используется в ДУ с лабиринтно-щелевой камерой, применяемых в электромагнитных выключателях, где рекомбинация на поверхности является определяющей.
В ДУ газовых выключателей процесс рекомбинации на поверхности не является определяющим, так как средняя длина свободного пробега (порядка 10-5 см и менее) слишком мала, чтобы ионы в критической зоне канала дуги могли достичь твердой поверхности. В вакуумном ДУ, где средняя длина свободного пробега электрона достигает нескольких сантиметров, процесс рекомбинации на поверхности твердого тела является определяющим. В этих ДУ ионизированные пары металлов, образующиеся при коммутации, деионизируются при их осаждении на поверхности защитных экранов и электродов.
Число ионов, адсорбируемых единицей поверхности (1 см2) диэлектрика в единицу времени (скорость рекомбинации), выражается формулой
где пи —плотность ионов (т. е. число ионов в 1 см3 объема дуги) на границе ствола дуги, иои/см3 или 1/см3; να — средняя арифметическая скорость движения ионов, см/с.
Рекомбинация в объеме газов заключается в том, что положительный и отрицательный ионы (ионная рекомбинация) или положительный ион и электрон (электронно-ионная рекомбинация) при своем тепловом хаотическом движении и при движении под действием электрического поля сближаются и, притягиваясь, образуют нейтральные частицы. Сближению двух ионов разной полярности или иона и электрона способствуют электрические силы притяжения, действующие между двумя противоположно заряженными частицами. Вероятность рекомбинации в пространстве зависит от времени, в течение которого эти частицы находятся возле друг друга, т. е. от скорости их движения.
С увеличением кинетической энергии частиц вероятность рекомбинации уменьшается. Это значит, что вероятность рекомбинации уменьшается с увеличением температуры газа.
Электронно-ионная рекомбинация играет преобладающую роль при дуговом разряде и может осуществляться при непосредственном соударении электрона и положительного иона либо при тройном соударении В последнем случае электрон сталкивается с нейтральной частицей, теряет значительную часть своей скорости, а потом уже захватывается ионом. Единого мнения о том, какая из этих рекомбинаций имеет преимущественное значение в дуговом разряде, не имеется.
Диффузией называется выход заряженных частиц из области с более высокой их концентрацией в область с меньшей концентрацией, т. е. из ствола дуги в окружающее пространство. В стволе дуги всегда имеется весьма неравномерное распределение плотности тока (следовательно, и плотности заряженных частиц) вдоль радиуса дуги, поэтому выход электронов и ионов из центральных частей ствола к его периферии неизбежен.
