Я знаю, как ведет себя воздушный зазор: при более низких напряжениях сопротивление чрезвычайно велико, пока не будет достигнуто искровое напряжение, после чего сопротивление быстро падает, создавая электрическую дугу. Теперь, как это поведет себя, если мы удалим воздух?
Предположим, что часть электронной схемы представляет собой вакуумную трубку с двумя электродами на концах. В противном случае электроды разделены чрезвычайно (бесконечно) высокоомным материалом. Как будет выглядеть график I:U напряжения на пустом промежутке в зависимости от силы тока для такого элемента? От чего бы это зависело, кроме напряжения (и, возможно, расстояния между электродами)?
Насколько я понимаю, некоторый заряд течет через вакуум между противоположно заряженными электродами, но это далеко не так прямолинейно, как в случае обычных проводников. Как это выглядит? Каковы предостережения? Существует ли простой эквивалент в общей схеме, который ведет себя точно так же, как пустой зазор для обычных электрических характеристик (кривая напряжения-сопротивления и т. д.)?
Высокий вакуум также разрушается при достаточно сильном постоянном поле. При возрастающем напряжении постоянного тока небольшие выступы на отрицательном электроде (называемые «неровностями») начинают испытывать локализованное электрическое поле, достаточное для инициирования полевой эмиссии, часто сопровождающейся интенсивным локальным нагревом, термоэлектрической или даже взрывной эмиссией электронов и выброс катодного материала в зазор. Полевая эмиссия зависит от работы выхода материала катода, то есть от того, насколько легко электроны могут быть удалены с катода. Каждое из этих событий генерирует микроплазму в месте неровности, и электрически каждое событие проявляется как небольшой всплеск тока через зазор. При несколько более высоких напряжениях одно из этих событий может завершиться искрой, которая полностью перекроет промежуток. При возбуждении от источника с низким импедансом искра может превратиться в устойчивую вакуумную дугу. Вакуумные дуги часто вызывают значительный нагрев и плавление поверхности анода, а также катода.
Вакуумный зазор высокого напряжения (как в передающей вакуумной лампе катод-анод, вакуумный конденсатор или вакуумный переключатель) можно «подготовить» для работы при более высоких напряжениях с помощью регулируемого источника высокого напряжения, токоограничивающего резистора и небольшого конденсатора. Любые неровности плавятся или испаряются за счет контролируемой энергии высоковольтного конденсатора, но резистор предотвращает повреждение дуги. Высокое напряжение медленно увеличивается до тех пор, пока разрядник не сможет работать при максимальном напряжении без дальнейшего пробоя. Этот процесс также называют «точечным стуком».
Хотя механизмы различны, как в воздушных, так и в вакуумных промежутках могут возникать импульсы предпробойного тока. И, как только возникает искровой пробой или искрение, характеристики отрицательного сопротивления VI также подобны для газовых и вакуумных искр и дуг. Однако, когда ток временно прекращается (например, при переходе тока через ноль в цепи переменного тока), вакуумная дуга обычно восстанавливает свою диэлектрическую прочность быстрее, чем дуга в газе.
Хорошее обсуждение можно найти в «Инициировании электрического пробоя в вакууме» Р. В. Латама, 1978 г., Physics in Technology 9 20-5, DOI: 10.1088/0305-4624/9/1/I02.
Ильмари Каронен
СФ.