Введение

Физический закон об электрическом разряде в газах.
[[File:Paschen curves. svg|thumb|right|Кривые Пашена, полученные для гелия, неона, аргона, водорода и азота, с использованием выражения для пробивного напряжения как функции параметров A и B, интерполирующих первый коэффициент Таунсенда. Названы в честь Фридриха Пашена, который открыл их эмпирически в 1889 году. Однако это справедливо лишь приблизительно, в ограниченном диапазоне кривой.

Физический механизм

Средний свободный путь молекулы в газе — это среднее расстояние между её столкновениями с другими молекулами. Он обратно пропорционален давлению газа при постоянной температуре. В воздухе при стандартных условиях (STP) средний свободный путь молекул составляет около 96 нм. Поскольку электроны намного меньше, их среднее расстояние между столкновениями с молекулами примерно в 5,6 раза больше, или около 0,5 мкм. Это значительная часть расстояния в 7,5 мкм между электродами, необходимого для минимального напряжения дуги. Если электрон находится в электрическом поле 43 МВ/м, он будет ускоряться и приобретёт 21,5 эВ энергии при прохождении 0,5 мкм в направлении поля. Первая энергия ионизации, необходимая для вырывания электрона из молекулы азота, составляет около 15,6 эВ. Ускоренный электрон приобретёт более чем достаточно энергии для ионизации молекулы азота. Этот освобождённый электрон, в свою очередь, будет ускоряться, что приведёт к новому столкновению. Цепная реакция приводит к лавинообразному пробою, и дуга возникает из-за каскада высвобождаемых электронов. Большее количество столкновений происходит на пути электронов между электродами в газе с более высоким давлением. Когда произведение давления на расстояние между электродами велико, электрон столкнётся со многими различными молекулами газа при движении от катода к аноду. Каждое столкновение случайным образом изменяет направление электрона, поэтому он не всегда ускоряется электрическим полем — иногда он движется обратно к катоду и замедляется полем. Столкновения уменьшают энергию электрона и затрудняют его ионизацию молекулы. Потери энергии при большем количестве столкновений требуют более высокого напряжения для накопления электронами достаточной энергии для ионизации многих молекул газа, что необходимо для возникновения лавинообразного пробоя. Слева от минимума Пашена произведение давления на расстояние между электродами мало. Средний свободный путь электронов может стать сопоставимым или больше, чем расстояние между электродами. В этом случае электроны могут приобретать большое количество энергии, но испытывать меньше ионизирующих столкновений. Поэтому требуется более высокое напряжение для обеспечения ионизации достаточного количества молекул газа для запуска лавины.

Влияние на различные газы

Разные газы будут иметь разные средние свободные пути для молекул и электронов. Это происходит потому, что разные молекулы обладают различными сечениями ионизации, то есть разными эффективными диаметрами. Благородные газы, такие как гелий и аргон, являются одноатомными, их труднее ионизировать, и они, как правило, имеют меньшие эффективные диаметры. Это обеспечивает им большие средние свободные пути. Потенциалы ионизации различаются для разных молекул, равно как и скорость, с которой они восстанавливают электроны после их выбивания с орбиты. Все эти три фактора влияют на число столкновений, необходимых для экспоненциального увеличения количества свободных электронов. Эти свободные электроны необходимы для возникновения электрической дуги.