Виды разрядов в газах

Тлеющий разряд

Тлеющим разрядом обычно называют самостоятельный разряд, в котором катод испускает электроны вследствие бомбардировки его положительными ионами и фотонами, образующимися в газе.

В отличие от таунсендновского разряда, где плотности электрического тока невелики, а влияние пространственного заряда несущественно, в тлеющем разряде плотности тока значительно больше, а пространственные заряды, возникающие из-за большого различия в массах электронов и положительных ионов, делают электрическое поле в газе неоднородным. Для тлеющего разряда характерна большая напряженность электрического поля и соответствующее ей большое падение потенциала вблизи катода (катодное падение).

Уменьшение давления до 0,1÷0,01 мм рт. ст. приводит к появлению в различных частях объема газа характерных областей, хотя и не всегда отчетливо выраженных. Основными и наиболее заметными из них в порядке следования со стороны катода (рис. 7.8) являются:

1) катодный слой – это тонкая светящаяся пленка, где происходит возбуждение атомов и молекул ударами электронов, но еще нет ионизации. Возвращаясь в нормальное состояние, возбужденные атомы излучают кванты света, чем и объясняется свечение;

2) темное катодное пространство (темное круксовое или темное гитторфовое пространство). На самом деле оно не совсем темное, но кажется таковым лишь на фоне примыкающих к нему более светлых областей разряда. В этой части пространства начинается ионизация атомов и молекул и нарастание электронных лавин. Из-за возможности ионизации уменьшается вероятность возбуждения атомов и молекул, с чем связано ослабление свечения газа. Область темного катодного пространства наиболее важна для поддержания разряда, так как созданные здесь положительные ионы обеспечивают необходимую эмиссию электронов с катода;

3) отрицательное тлеющее свечение (тлеющее свечение), в которое переходит темное катодное пространство. Это свечение резко ограничено только со стороны катода. Свечение возникает из-за рекомбинации электронов с положительными ионами, а также вследствие квантовых переходов возбужденных атомов на более низкие энергетические уровни;

4) при продвижении к аноду яркость тлеющего свечения ослабевает, и оно постепенно переходит в так называемое фарадеево темное пространство, в которое уже не долетают быстрые электроны электронных лавин (см. рис. 7.8);

5) остов разряда – это столб ионизованного светящегося газа в более или менее узких трубках. Иногда его называют положительным свечением или положительным столбом разряда. Обычно он простирается до самой поверхности анода. При некоторых условиях между положительным столбом и анодом видно темное анодное пространство, а на самой поверхности – анодное свечение, или анодная светящаяся пленка. Положительный столб иногда разделяется на отдельные чередующиеся светлые и темные полосы (страты). В этом случае разряд называют сложным. Наличие положительного столба несущественно для поддержания разряда, хотя он и имеет большое значение в применениях разряда.

Свечение в положительном столбе происходит в основном за счет рекомбинации электронов с положительными ионами. На последних нескольких свободных пробегах (в области так называемого анодного падения) электроны могут накопить достаточную кинетическую энергию, чтобы вызвать возбуждение атомов, в то время как положительные ионы оттягиваются от анода. Это приводит к анодному свечению.

Перечисленные первые четыре области называются катодными частями разряда. В них происходят все процессы, необходимые для поддержания разряда.

При больших внешних сопротивлениях, когда сила тока в разрядной трубке невелика, поверхность катода, покрытая свечением и принимающая участие в разряде, пропорциональна силе тока в трубке (закон Геля). При изменении тока плотность его остается приблизительно постоянной. Вместе с ней остается постоянным и катодное падение потенциала. В этом случае оно называется нормальным катодным падением. В большинстве случаев оно лежит в пределах 100 - 300 В. Температура катода не оказывает влияния на величину нормального катодного падения, пока не возрастет термоэлектронная эмиссия с поверхности катода. С хорошим приближением нормальное катодное падение пропорционально работе выхода электрона из катода. Это используется для устройства трубок с очень малым потенциалом зажигания. Такова, например, неоновая лампочка, в которой электродами служат два железных листочка, покрытых слоем бария для уменьшения работы выхода. Катодное падение составляет в этом случае всего 70 В, и тлеющий разряд зажигается в неоновой лампочке уже при включении в обычную осветительную сеть.

Когда с увеличением тока вся поверхность катода оказывается покрытой свечением, начинает возрастать и катодное падение. В этом случае оно называется аномальным катодным падением, а разряд – аномальным тлеющим разрядом.

Электроны, выбиваемые с поверхности катода положительными ионами, ускоряются в области катодного падения потенциала. При уменьшении давления газа увеличивается средняя длина свободного пробега электронов, а с ней – и темное катодное пространство. При давлении 0,01÷0,001 мм рт. ст. (в зависимости от размеров трубки) темное катодное пространство заполняет почти всю трубку, и электронный пучок движется в ней почти без столкновений. Такие электронные пучки получили название катодных лучей. Они были открыты Круксом еще до установления их физической природы (до открытия самого электрона). Если на пути катодных лучей поставить металлический экран, то за ним на противоположной стороне трубки наблюдается его тень. При поднесении магнита пучок лучей и образуемая им тень смещаются в сторону. Электроны катодных лучей, вышедшие с катода, ускоряются электрическим полем вблизи его поверхности и далее движутся перпендикулярно к ней по инерции. Попадая на стенки трубки, электроны сообщают им отрицательный заряд. Однако катод нейтрализуется положительными ионами, подтекающими из газа к стенкам трубки, а отрицательные ионы газа попадают на анод. Если поверхности катода придать вогнутую сферическую форму, то катодные лучи сфокусируются в центре этой сферы. Когда давление в трубке настолько мало, что область темного катодного пространства захватывает анод, тлеющий разряд в трубке прекращается. Вместе с ним прекращается также испускание катодных лучей и свечение стенок трубки.

Катодные лучи используются в так называемых ионных рентгеновских трубках для получения рентгеновских лучей. Ионные рентгеновские трубки обладают тем недостатком, что в результате различных процессов количество газа в трубке уменьшается с течением времени. Когда давление газа в трубке становится меньше 0,001 ¸ 0,0001 мм рт. ст., тлеющий разряд в них не зарождается и трубка перестает работать. В настоящее время применяются почти исключительно электронные рентгеновские трубки, обладающие большой устойчивостью в работе, чем ионные. В них тлеющий разряд не используется.

Если в катоде просверлить малые отверстия, то положительные ионы, бомбардирующие катод, пройдя через отверстия, попадут в за катодное пространство и там будут распространяться в виде прямолинейных лучей. Эти лучи были названы положительными, или каналовыми, лучами, поскольку они выходят из отверстий катода, как из каналов. Каналовые лучи заметны в трубке в виде слабо светящихся пучков.

Они, как и катодные лучи, вызывают свечение стекла трубки. Из-за наличия процессов перезарядки в пучке каналовых лучей имеются не только положительные, но и отрицательные ионы, а также быстрые, отчасти возбужденные нейтральные частицы. В магнитном поле такой пучок разделяется на три пучка: положительные ионы отклоняются в одну сторону, отрицательные в противоположную сторону, а нейтральные молекулы и атомы не испытывают никакого отклонения. При повторном прохождении пучков через магнитное поле каждый из них снова распадается на три пучка. Отсюда следует, что процессы перезарядки происходят не только перед катодом, но и продолжаются в закатодном пространстве.

Искровой разряд

Искровой разряд характеризуется прерывистой формой даже при использовании источников постоянного тока. Он возникает в газе обычно при давлениях порядка атмосферного. В естественных природных условиях искровой разряд наблюдается в виде молнии. По внешнему виду он представляет собой пучок ярких зигзагообразных разветвляющихся тонких полосок, мгновенно пронизывающих разрядный промежуток, быстро гаснущих и постепенно сменяющих друг друга (рис. 7.9). Эти полоски называются искровыми каналами. Они начинаются как на положительном электроде, так и на отрицательном электродах, а также в любой точке между ними. Каналы, развивающиеся от положительного электрода, имеют четкие нитевидные очертания, а развивающиеся от отрицательного электрода имеют диффузные края и более мелкое ветвление.

Так как искровой разряд возникает при больших давлениях газа, то потенциал зажигания очень высок. Однако после того как разрядный промежуток "пробит" искровым каналом, сопротивление этого промежутка становится очень малым, через канал проходит кратковременный импульс тока большой силы, в течение которого на разрядный промежуток приходится лишь незначительное напряжение. Если мощность источника не очень велика, то после такого импульса тока разряд прекращается. Напряжение между электродами начинает повышаться до прежнего значения, и пробой газа повторяется с образованием нового искрового канала. Время t нарастания напряжения тем больше, чем больше емкость C между электродами. Поэтому включение конденсатора параллельно разрядному промежутку увеличивает время между двумя последовательными искрами, а сами искры становятся более мощными. Через канал искры проходит большой электрический заряд, и поэтому увеличивается амплитуда и длительность импульса тока. При больших емкостях канал искры ярко светится и имеет вид широких полос. То же происходит при увеличении мощности источника тока. Тогда говорят о конденсированном искровом разряде, или конденсированной искре. Максимальная сила тока в импульсе при искровом разряде меняется в широких пределах в зависимости от параметров цепи разряда и условий в разрядном промежутке, достигая нескольких сотен килоампер. При дальнейшем увеличении мощности источника искровой разряд переходит в дуговой разряд.

В результате прохождения импульса тока через канал искры в канале выделяется большое количество энергии (порядка 0,1 - 1 Дж на каждый сантиметр длины канала). С выделением энергии связано скачкообразное увеличение давления в окружающем газе, образование цилиндрической ударной волны, температура, на фронте которой ~10 4 К. Происходит быстрое расширение канала искры со скоростью порядка тепловой скорости атомов газа. По мере продвижения ударной волны температура на ее фронте начинает падать, а сам фронт отходит от границы канала. Возникновением ударных волн объясняются звуковые эффекты, сопровождающие искровой разряд: характерное потрескивание в слабых разрядах и мощные раскаты грома в случае молнии.

В момент существования канала, особенно при высоких давлениях, наблюдается наиболее яркое свечение искрового разряда. Яркость свечения неоднородна по сечению канала и имеет максимум в его центре.

Механизм искрового разряда, с точки зрения современной, общепринятой теории, так называемой стримерной теории искрового пробоя, которая подтверждается экспериментально, заключается в том, что если вблизи катода зародилась электронная лавина, то на ее пути происходит ионизация и возбуждение молекул и атомов газа. Существенно, что световые кванты, испускаемые возбужденными атомами и молекулами, распространяясь к аноду со скоростью света, сами производят ионизацию газа и дают начало новым электронным лавинам. Таким путем во всем объеме газа проявляются слабо светящиеся скопления ионизованного газа, называемые стримерами. В процессе своего развития отдельные электронные лавины догоняют друг друга и, сливаясь вместе, образуют хорошо проводящий мостик из стримеров. По этому мостику в последующий момент времени и устремляется мощный поток электронов, образующий канал искрового разряда. Поскольку проводящий мостик образуется в результате слияния практически одновременно возникающих стримеров, время его образования много меньше времени, которое требуется отдельной электронной лавине для прохождения расстояния от катода к аноду. Развитие отрицательного стримера показано на рис. 7.10. Наряду с отрицательными стримерами, т.е. стримерами, распространяющимися от катода к аноду, существуют также положительные стримеры, которые распространяются в противоположном направлении.

Надо отметить, что это теория объясняет основные особенности искрового разряда, хотя в количественном отношении и не может считаться завершенной.

Коронный разряд

Коронный разряд возникает при сравнительно высоких давлениях газа (порядка атмосферного) в сильно неоднородном электрическом поле, которое можно получить между двумя электродами, поверхность одного из которых имеет большую кривизну (тонкая проволочка, острие). Схема получения коронного разряда показана на рис. 7.11. Надо отметить, что наличие второго электрода необязательно, его роль могут играть окружающие заземленные электроды. При достижении напряженности электрического поля вблизи электрода с большой кривизной значения порядка 3×10 4 В/м вокруг этого электрода возникает свечение, имеющее вид оболочки или короны, откуда и произошло название разряда. Если корона возникает вокруг отрицательного электрода, то она называется отрицательной. В противоположном случае корона называется положительной. Вид положительной короны показан на рис. 7.12 слева, вид отрицательной короны – справа. Механизм возникновения разряда в этих двух случаях – разный.

В случае отрицательной короны положительные ионы, образуемые электронными лавинами, ускоряются в сильно неоднородном электрическом поле вблизи катода. Попадая на катод, они выбивают из него электроны (вторичная электронная эмиссия). Выбитые электроны, провзаимодействовав с катодом, на своем пути порождают новые электронные лавины. Так как электрическое поле убывает при удалении от электрода, то на некотором расстоянии электронные лавины обрываются, электроны попадают в "темную" область и там прилипают к нейтральным молекулам газа. Образовавшиеся отрицательные ионы и являются основными носителями тока в "темной" области. Пространственный отрицательный заряд этих ионов вблизи анода ограничивает общий разрядный ток. В случае чистых электроположительных газов отрицательные ионы не образуются, а носителями зарядов в "темной" области являются сами электроны. В "темной" области разряд носит несамостоятельный характер.

В положительной короне, когда катодом служит электрод с большим радиусом кривизны, электрическое поле у катода слабое. Поэтому электронные лавины не могут порождаться электронами, выбиваемыми из катода вследствие вторичной эмиссии. Электронные лавины порождаются электронами, возникающими вблизи анода при объемной ионизации газа фотонами, излучаемыми коронирующим слоем. Они зарождаются на внешней границе коронирующего слоя и распространяются к положительному электроду (обладающему большей кривизной). Положительные ионы, двигаясь через "темную" область к катоду, образуют пространственный заряд, который снова ограничивает силу разрядного тока.

При увеличении напряжения между электродами "темная" область коронного разряда исчезает, и возникает искровой разряд с полным пробоем разрядного промежутка.

Корона иногда возникает в естественных условиях под влиянием атмосферного электричества на верхушках деревьев, корабельных мачт и пр.

С возникновением коронного разряда приходится считаться в технике высоких напряжений. Образуясь вокруг проводов высоковольтных линий передач электроэнергии, корона ионизует окружающий воздух, вследствие чего возникают вредные токи утечки. Для уменьшения этих токов утечки провода высоковольтных линий, а также подводящие провода к высоковольтным установкам должны быть достаточно толстыми. Коронные разряды, поскольку они носят прерывистый характер, являются источниками значительных радиопомех.

Коронный разряд используется в электрофильтрах, предназначенных для очистки промышленных газов от примесей твердых и жидких частиц (дыма в производстве серной кислоты, в литейных цехах заводов и т.д.).

Дуговой разряд

Если после получения искрового разряда от мощного источника постепенно уменьшать расстояние между электродами (или сопротивление внешней цепи), то разряд из прерывистого становится непрерывным. Возникает новая форма газового разряда, называемая дуговым разрядом. При этом ток резко увеличивается, достигая десятков и сотен ампер, а напряжение на разрядном промежутке падает до нескольких десятков вольт.

Дуговой разряд можно получить от источников низкого напряжения, минуя стадию искры. Для этого электроды сближают до соприкосновения, в результате они сильно нагреваются (раскаляются) электрическим током, после чего их разводят, получая при этом яркую электрическую дугу. Именно таким путем электрическая дуга была впервые получена в 1802 г. русским физиком В.В. Петровым.

В настоящее время электрическая дуга, горящая при атмосферном давлении, чаще всего получается между специальными угольными электродами, изготовленными из прессованного графита со связывающими веществами (рис. 7.13).

Согласно В.Ф. Миткевичу, дуговой разряд поддерживается главным образом за счет термоэлектронной эмиссии с поверхности катода. Подтверждением этой точки зрения может служить установленный на опыте факт, что во многих случаях устойчивая дуга получается только при условии, что температура катода достаточно высока. При охлаждении катода дуга горит неустойчиво, периодически гаснет и снова зажигается. Охлаждение же анода не вызывает нарушения устойчивого режима горения дуги.

С возрастанием разрядного тока сопротивление дуги R сильно уменьшается из-за увеличения термоэлектронной эмиссии с катода и ионизации газа в разрядном промежутке. При этом сопротивление убывает сильнее, чем возрастает ток. Вследствие этого с увеличением тока напряжение на разрядном промежутке не возрастает, а убывает. Говорят, что дуга имеет падающую вольтамперную характеристику, т.е. такую характеристику, когда напряжение на разрядном промежутке уменьшается с возрастанием тока. Поэтому для поддержания устойчивого горения дуги при случайных изменениях тока, например вследствие охлаждения катода, напряжение на электродах дуги должно быть повышено. С этой целью в цепь дуги включают последовательно балластное сопротивление. При случайном уменьшении тока напряжение на балластном сопротивлении уменьшается. Поэтому при неизменном подводимом общем напряжении напряжение на газоразрядном промежутке должно увеличиваться, чем и обеспечивается стабильное горение дуги.

Наряду с дуговыми разрядами, обусловленными термоэлектронной эмиссией, существуют и разряды другого типа. Примером могут служить дуговые разряды в ртутных лампах. Ртутная лампа представляет собой предварительно откачанный кварцевый или стеклянный баллон, пропускающий ультрафиолетовые лучи, наполненный парами ртути (рис.7.14). Дуговой разряд зажигается электрической искрой между двумя столбиками ртути, служащими электродами лампы. Ртутная дуга является мощным источником ультрафиолетовых лучей. Поэтому такие лампы применяют в медицине и в научных исследованиях.

Исследования показали, что источником мощной эмиссии электронов в ртутной лампе является небольшое, ярко светящееся пятно, возникающее на катоде и непрерывно бегающее по его поверхности (так называемое катодное пятно). Плотность тока в катодном пятне огромна и может достигать 10 6 ¸10 7 А/см 2 . Катодное пятно может возникнуть не только у поверхности ртутного, но и любого другого металлического электрода.

Ртутные дуги и аналогичные дуги с металлическими электродами получили название электрических дуг с холодным катодом. Дело в том, что раньше считалось, что катод действительно является холодным по всей его поверхности. Поэтому термоэлектронная эмиссия с катода не происходит или практически не играет никакой роли. Ленгмюр высказал предположение, что в случае холодного катода дуговой разряд поддерживается автоэлектронной эмиссией с катода. Действительно, катодное падение потенциала (~10 В) происходит на протяжении порядка длины свободного пробега электрона. Поэтому вблизи катода возникает сильное электрическое поле, достаточное, чтобы вызвать заметную автоэлектронную эмиссию. Несомненно, автоэлектронная эмиссия в дугах с "холодным" катодом играет существенную роль. Позднее появились указания на возможность нагрева таких катодов в отдельных точках до температур, при которых происходит большая термоэлектронная эмиссия, которая вместе с автоэлектронной эмиссией и поддерживает дуговой разряд. Хотя данный вопрос еще недостаточно исследован.

7.4. Понятие о плазме. Плазменная частота.
Дебаевская длина. Электропроводность плазмы

Плазмой называется ионизованный квазинейтральный газ, занимающий настолько большой объем, что в нем не происходит сколько-нибудь заметного нарушения квазинейтральности из-за тепловых флуктуаций. Квазинейтральность плазмы означает, что количества положительных и отрицательных зарядов в нем почти одинаковы. Нейтральным является каждый физически бесконечно малый элемент объема (объем малый макроскопический, но содержащий еще большое количество электронов и ионов). Заряды положительных и отрицательных ионов одинаковы и равны заряду электрона.

Достаточно сильное воздействие на плазму может привести к разделению зарядов в некоторой ее области. Такое воздействие может оказать на плазму, например, быстрая заряженная частица из числа электронов или ионов самой плазмы (при достаточно высокой температуре – тепловые флуктуации) или пришедшая извне.

Разделение положительных и отрицательных зарядов в плазме аналогично процессу поляризации диэлектрика. Однако в диэлектриках заряженные частицы не могут двигаться на большие расстояния (~10 -10 м), а в плазме возможны любые перемещения частиц.

Если из-за тепловых флуктуаций отрицательные заряды сместились на расстояние x, то на границах плазмы возникнут макроскопические заряды противоположных знаков с поверхностной плотностью

где n – концентрация частиц одного знака заряда.

С учетом того что , то в рассматриваемом случае

, (7.31)

где P – электрический дипольный момент единицы объема плазмы.

Если плазма бесконечна и в ней отсутствуют свободные электрические заряды, являющиеся источниками вектора D, имеем

. (7.32)

Из формулы (7.32) для напряженности электрического поля, возникшего в плазме, получим

Для плотности энергии электрического поля

. (7.34)

Сила, действующая на каждый электрон,

. (7.35)

Из выражения (7.35) видно, что сила пропорциональна смещению и направлена в сторону, противоположную смещению, т.е. она подобна квазиупругой силе. Следовательно, сила, действующая на электроны в плазме, вызывает гармонические колебания с частотой

где m – масса электрона.

Эта частота называется плазменной частотой.

Колебания электронов, возникшие в определенном месте плазмы, создадут волну той же частоты, распространяющуюся через плазму.

Поскольку энергия электрического поля черпается из кинетической энергии теплового движения частиц газа, величина w 0 не может превосходить 3nkT. На долю отрицательных частиц единицы объема приходится в среднем кинетическая энергия (и такая же энергия – на долю положительных). Следовательно, если опустить численный коэффициент 3, то должно выполняться соотношение

(nxe) 2 <(nkT)×2e 0 ,

. (7.37)

Величина D называется дебаевской длиной или дебаевским радиусом. Таким образом, чтобы плазма сохраняла квазинейтральность, ее линейные размеры должны намного превосходить дебаевский радиус.

В зависимости от степени ионизации a различают: слабо ионизованную плазму (при a порядка долей процента), умеренно ионизованную плазму (a нескольких процентов) и полностью ионизованную плазму. В земных природных условиях плазма встречается довольно редко (например, в канале молнии). В верхних слоях атмосферы, которые в большей степени подвержены воздействию ионизующих факторов (ультрафиолетовые и космические лучи), постоянно присутствует слабо ионизованная плазма (ионосфера). Ионосфера отражает радиоволны и делает возможной радиосвязь на больших расстояниях (порядка расстояния между диаметрально противоположными точками земного шара). В космическом пространстве плазма представляет собой наиболее распространенное состояние вещества. Солнце и горячие звезды, имеющие высокие температуры, состоят из полностью ионизованной плазмы. Поэтому многие проблемы астрофизики связаны с изучением физических свойств плазмы. На почве астрофизики возникла магнитная гидродинамика, в которой плазма, движущаяся в магнитных полях, рассматривается как сплошная жидкая среда, обладающая высокой проводимостью. Плазма образуется в различных формах газового разряда, например в положительном столбе тлеющего разряда, а также в главном канале искрового разряда. Физика плазмы – сравнительно новый, быстро развивающийся раздел физики, которому посвящены специальные курсы.

Оценим удельную проводимость g полностью ионизованной плазмы, состоящей из электронов и положительно заряженных ионов, каждый из которых обладает зарядом Ze. Движение ионов, ввиду их больших масс, можно не учитывать и считать, что весь ток создается движением легких электронов. Величина g определяется столкновением электронов с ионами. Столкновение электронов между собой на величину тока не влияют, поскольку при таких столкновениях полный импульс электронов не изменяется. От этих столкновений можно отвлечься. Между ионами и электронами плазмы действуют кулоновские силы притяжения – это дальнодействующие силы. Электрон сравнительно редко подходит к иону на такие малые расстояния, чтобы направление его движения изменилось резко и имело характер скачка. Гораздо большее значение имеют взаимодействия электрона сразу с очень большим количеством ионов, при которых направление траектории электрона меняется плавно и непрерывно. Отклонение электрона на большие углы от первоначального направления движения происходит в результате накопления малых отклонений при взаимодействии его с "далекими" ионами. Поэтому о столкновениях, длине и времени свободного пробега можно говорить лишь в условном смысле. Промежуток времени t , в течение которого направление движения электрона меняется на угол порядка 90 о, принято считать временем свободного пробега.

Для оценки величины i предположим, что электрон движется в поле положительного иона с зарядом Ze. Если v – скорость электрона на бесконечности, а r п - прицельный параметр, то при прохождении мимо иона траектория электрона отклоняется на угол Q, определяемый формулой

, (7.38)

где m – масса электрона.

Прицельный параметр r п, для которого Q = 90 о, определяется выражением

Ему соответствует "эффективное поперечное сечение":

. (7.40)

Учет далеких взаимодействий приводит к тому же результату, но увеличенному в L раз:

. (7.41)

Коэффициент L называется кулоновским логарифмом. Он почти не зависит от температуры и плотности плазмы. Для плазмы, состоящей из полностью ионизованного дейтерия, при kT ~ 10 кэВ и концентрации электронов n ~ 10 12 ¸10 15 см -3 , L » 15. Так как каждый положительный ион содержит Z элементарных зарядов, то концентрация таких ионов будет , а средняя длина и время "свободного пробега"Большое различие в массах электронов и ионов плазмы делает возможным в плазме существование таких квазиравновесных состояний, которые в известном приближении могут быть характеризованы двумя температурами. Действительно, предположим, что начальное распределение скоростей электронов и ионов плазмы изотропное, но не максвелловское. При столкновении электрона с другим электроном они обмениваются энергией, величина которой соответствует порядку начальной энергии самих электронов. Поэтому время установления распределения электронов по энергиям (т.е. максвелловского распределения) из-за столкновений между ними можно оценить по формуле (7.41), если в ней массу электрона m заменить приведенной массой . Это время, называемое электронным временем релаксации , пропорционально квадратному корню из массы электрона .

Точно так же определяется ионное время релаксации, за которое успевает устанавливаться распределение по энергиям между ионами из-за столкновений между ними: .

При столкновении электронов с ионами быстрая частица передает медленной лишь незначительную долю своей энергии, которая в среднем соответствует доле порядка от первоначальной энергии быстрой частицы. Для выравнивания энергий потребуется релаксационное время большее, чем . Таким образом,

. (7.45)

Из (7.45) следует:

.

Если плазму предоставить самой себе, то сначала установится максвелловское распределение скоростей электронов, затем ионов. Возникает квазиравновесное состояние, в котором электроны будут иметь температуру T e , а ионы – температуру T i . При этом T e ¹ T i . В этом случае плазму называют неизотермической или двухтемпературной. Затем в результате обмена энергиями между электронами и ионами установится максвелловское распределение для всей плазмы, характеризующейся общей температурой электронов и ионов (изотермическая плазма).

Когда плазма находится в электрическом поле, то в ней начинает существовать электрический ток и выделяться джоулево тепло. При этом энергию от поля получают почти исключительно электроны как наиболее подвижные частицы. Ионы нагреваются главным образом за счет энергии, которую они получают от "горячих" электронов при кулоновских взаимодействиях с ними. Так как последний процесс происходит сравнительно медленно, то температура электронов в плазме оказывается выше температуры ионов. Различие между ними может быть весьма значительным. Так, в положительном столбе тлеющего разряда при давлениях порядка 0,1 мм рт.ст. температура электронов может достигать 50 000 о С и выше, тогда как температура ионов не превышает нескольких сотен градусов.

Основной практический интерес, который представляет физика плазмы, связан с решением проблемы управляемого термоядерного синтеза. Для того чтобы в веществе начались достаточно интенсивные термоядерные реакции, его необходимо нагреть до температуры в несколько кэВ или десятков кэВ, а при таких температурах всякое вещество находится в состоянии плазмы. Наиболее перспективными "рабочими веществами" для термоядерного реактора являются изотопы водорода: дейтерий и тритий. Термоядерную реакцию синтеза легче получить не в чистом дейтерии, а в его смеси с тритием. Полное количество дейтерия в океанах ~ 4×10 13 т, что эквивалентно энергии ~ 10 20 кВт×лет (полная потребляемая на всем земном шаре мощность составляет ~ 10 10 кВт). Тритий как сильно радиоактивный элемент в природных условиях не встречается, а получается искусственно. В будущих термоядерных реакторах расход трития должен с избытком пополняться воспроизводством (регенерацией) его в результате облучения Li 6 нейтронами, получающимися в самих термоядерных реакторах.

Так как термоядерные реакции должны происходить сравнительно плавно и медленно, то возникает необходимость достаточно длительного удержания горячей плазмы в ограниченном объеме рабочей камеры и изоляции ее от стенок этой камеры. Для этого предлагается использовать магнитную термоизоляцию, т.е. помещать плазму в сильное магнитное поле, препятствующее ионам и электронам перемещаться в поперечном направлении и уходить на стенки камеры.

Необходимое требование, которому должен удовлетворять всякий термоядерный реактор, состоит в том, чтобы энергия, выделяющаяся в ядерных реакциях, с избытком компенсировала затраты энергии от внешних источников. Основными источниками потерь энергии является тормозное излучение электронов при кулоновских столкновениях последних, а также магнитотормозное (циклотронное или бетатронное) излучение, возникающее вследствие ускоренного движения электронов в магнитном поле. Для самоподдерживающихся термоядерных реакций требуется нагреть плазму до некоторой "критической" температуры (~50 кэВ). При этом должен выполняться так называемый критерий Лоусона (nt>10 16 с/см 3), где n – концентрация ионов плазмы (одного знака), а t – среднее время удержания плазмы.

Основная трудность, стоящая на пути создания управляемого термоядерного синтеза, связана с получением спокойной, или устойчивой, плазмы. Дело в том, что из-за дальнодействующего характера кулоновских сил в плазме происходят разные коллективные процессы, например самопроизвольно возникающие шумы и колебания, делающие плазму неустойчивой. Основные усилия при решении проблемы управляемого термоядерного синтеза направлены на подавление этих неустойчивостей.

Этому виду разряда соответствует область между падающими участками ВАХ. Ток здесь на три-четыре порядка больше, чем ток темного разряда (миллиамперы вместо микроампер). Поэтому количество генерируемых разрядом фотонов соответственно увеличивается, что позволяет наблюдать свечение средней интенсивности, определившее название разряда. Вместе с электронными лавинами и -процессами в тлеющем разряде проявляется новый фактор: объемный заряд положительных ионов повышает потенциалы точек пространства между электродами (рис. 3.2). Заряд становится существенным в результате значительного увеличения тока.

Рис.3.2. Распределение потенциала в плоскопараллельном промежутке без пространственного заряда (1) и при действии положительного (ионного) пространственного заряда (2). Обозначения: х – расстояние от катода, d – межэлектродное расстояние, d к - ширина области катодного падения потенциала

В электронных лавинах ионы и электроны образуются в одинаковом количестве (парами), однако пространственный заряд ионов значительно больше, чем электронов. Такое положение определяется тем, что скорость движения ионов к катоду много меньше, чем электронов к аноду. В результате ионы накапливаются в объеме в течение времени установления стационарного режима. В нем потоки ионов на катод и электронов на анод равны частоте ионизаций молекул в промежутке. Равенство потоков при малой скорости ионов обеспечивается тем, что после накопления в движении участвует больше ионов, чем электронов. Существенное превышение количества ионов в промежутке над количеством электронов определяет положительный знак суммарного пространственного заряда.

Потенциалы точек пространства под действием объемного заряда ионов возрастают, но не превышают потенциал анода (иначе электроны не смогли бы доходить до анода из-за тормозящего электрического поля). Как следствие, прикатодный участок графика распределения потенциала между электродами (рис. 3.2) идёт значительно круче, чем в случае малого пространственного заряда, а прианодный участок практически горизонтален. Почти все приложенное к промежутку напряжение сосредоточено в катодной области. Усиление объемного заряда с ростом тока проявляется в большем повышении потенциалов у катода и соответственно в уменьшении протяжённости области катодного падения потенциала (d к на рис. 3.2).

Перераспределение потенциала в промежутке с ростом тока (переход от прямой 1 к кривой 2) приводит к тому, что при x > d к развитие лавин прекращается, так как в этой области напряженность поля близка к нулю и ускорение электронов недостаточно для ионизации. Протяженность электронных лавин уменьшается (отd до d к ). В условиях правой ветви кривой Пашена это ведет к снижению напряжения, обеспечивающего самовоспроизводство носителей тока. В результате на ВАХ (рис. 3.1) появляется первый падающий участок, на котором с ростом тока необходимое для его поддержания напряжение уменьшается. Подобным образом объясняется и следующий далее возрастающий участок ВАХ: с увеличением тока значениеd к сокращается настолько, что произведениеp d к становится меньше величины, соответствующей минимуму кривой Пашена, и напряжение поддержания разряда растёт.

Между падающим и возрастающим участками ВАХ расположен сравнительно протяженный почти горизонтальный участок. Он соответствует «нормальному» тлеющему разряду и обусловлен интересной способностью разряда автоматически локализоваться на части поверхности катода. В начале участка площадь, занимаемая разрядом на катоде (далее –площадь свечения), мала, а с ростом тока она пропорционально увеличивается, так что плотность тока остается постоянной. В конце участка разряд занимает всю площадь катода. Постоянство плотности тока («закон Геля») определяет неизменность напряжения на участке.

Значение плотности тока разряд «выбирает» таким, чтобы величина произведения p d к соответствовала минимуму кривой Пашена (чтобы напряжение поддержания разряда было минимальным). В этом режиме на поддержание разряда затрачивается наименьшая мощность, что можно считать одной из причин локализации разряда.

Более детально последовательность процессов, определяющих «стягивание» разряда на части поверхности катода, можно представить следующим образом. В исходном состоянии при определенном значении тока разряд занимает всю поверхность катода, поэтому плотность тока и плотность пространственного заряда ионов сравнительно малы. Распределение потенциала близко к прямой 1 на рис. 3.2, а напряжение поддержания разряда велико и соответствует темному разряду. При неизменном токе случайно уменьшается площадь катода, занимаемая разрядом, что приводит к росту плотности пространственного заряда ионов и формированию области катодного падения потенциала с шириной d к , несколько меньшей межэлектродного расстоянияd. Сокращается протяженность электронных лавин и в соответствии с кривой Пашена уменьшается напряжение, необходимое для поддержания разряда.

В то же время напряжение между электродами сохраняется на исходном уровне, поскольку оно равно разности напряжения источника питания и падения напряжения на ограничительном резисторе, которое осталось прежним, поскольку прежним остался ток. В результате того, что напряжение на промежутке оказалось больше необходимого для поддержания разряда, коэффициент ионизационного нарастания становится больше единицы, ток увеличивается и падение напряжения на промежутке снижается, уменьшая коэффициентдо единицы. Это соответствует новому стационарному состоянию системы, но уже в условиях, когда площадь свечения меньше площади катода.

Далее процессы повторяются до того, когда произведение p d к по мере уменьшенияd к достигнет значения, соответствующего минимуму кривой Пашена. При этом площадь свечения будет такой, чтобы плотность пространственного заряда, определяющаяся плотностью тока, обеспечивала необходимую ширину области катодного падения потенциалаd к .

С ростом давления газа площадь свечения на катоде автоматически уменьшается, плотность тока возрастает, величина d к уменьшается, а произведениеp d к не изменяется. Как следствие, разряд по-прежнему расходует наименьшую мощность, а напряжение горения разряда (нормальное катодное падение потенциала) не зависит от давления газа. Оно определяется лишь родом газа и материалом катода:

где e = 2,7,А и В - константы, характеризующие ионизацию газа электронами. Значения нормального катодного падения потенциала для ряда случаев представлены на с. 44.

Плотность тока нормального тлеющего разряда (нормальная плотность тока ) определяется следующим соотношением:

где - подвижность ионов (см. с. 44), а- диэлектрическая проницаемость вакуума.

Поскольку подвижность обратно пропорциональна давлению газа, соотношение (3.2) можно представить в виде:

, (3.3)

где
- нормальная плотность тока при единичном давлении (см. с. 44), которая, как следует из соотношения (3.2), зависит от рода газа (коэффициентыА и В ) и материала катода (коэффициентγ ). Увеличение нормальной плотности тока с ростом давления перемещает правую границу горизонтального участка ВАХ вправо, поскольку в его конце разряд распространяется по всей поверхности катода, и ток равен произведению плотности тока на площадь катода (кривая 2 на рис. 3.1 правее первой).

Возрастающий участок ВАХ соответствует «аномальному» тлеющему разряду, при котором площадь свечения равна площади катода и с ростом тока увеличивается плотность тока. Напряжение, необходимое для поддержки разряда, повышается при увеличении тока в связи с тем, что растет плотность пространственного заряда, уменьшается ширина области катодного падения потенциала d к и произведениеp d к становится меньше величины, соответствующей минимуму кривой Пашена.

Приведённые выше упрощённые объяснения физических процессов базируются на том, что электродная система близка к плоскопараллельной (одномерной). Между тем в начале участка ВАХ, соответствующего нормальному тлеющему разряду, где площадь разряда на катоде мала, поперечный размер свечения может оказаться соизмеримым с шириной области катодного падения потенциала d к . В этом случае влияние пространственного заряда на распределение потенциала в промежутке определяется решением двумерной задачи. Потенциалы точек в разрядном канале оказываются ниже, чем в одномерном случае. Это можно интерпретировать как рост величиныd к , что сопровождается увеличением напряжения поддержания разряда с уменьшением тока. Такой разряд называется поднормальным тлеющим, поскольку он предшествует нормальному разряду.

ДУГОВОЙ РАЗРЯД

С увеличением тока аномального тлеющего разряда рост напряжения замедляется, и на ВАХ вновь появляется падающий участок (в амперном диапазоне). Напряжение снижается в результате того, что бомбардирующие катод ионы разогревают его до высокой температуры, достаточной для существенной термоэлектронной эмиссии. Формально можно считать, что за счет термоэмиссии растет число электронов, выходящих из катода, в расчете на один ион, поступающий на катод. Иными словами, можно считать, что увеличивается коэффициент вторичной ионно-электронной эмиссии . Как следствие, для поддержания тока требуется меньшее количество ионов, а значит – менее интенсивное развитие электронных лавин и менее высокое напряжение.

Температура катода при амперных значениях тока увеличивается значительно (до 3000 К и более), термоэмиссия становится основным механизмом выхода электронов из катода, а коэффициент приближается к единице (возрастает на 1 – 2 порядка). Поэтому напряжение поддержания разряда снижается очень сильно – от сотен вольт при аномальном тлеющем разряде до десятков вольт. Электронные лавины развиваются весьма слабо: на один электрон, выходящий из катода, приходится лишь несколько электронов, попадающих на анод, что приблизительно на порядок меньше, чем в тлеющем разряде. Соответственно уменьшается количество ионов, образующихся в каждой лавине. Однако количество лавин при большом токе велико и ионы обеспечивают разогрев катода до высокой температуры, несмотря на падение их энергии в результате уменьшения напряжения.

Напряжение поддержания разряда с ростом тока уменьшается приблизительно до потенциала ионизации газа. Более низкое напряжение невозможно, поскольку ионизация принципиально необходима для существования разряда. В ряде случаев напряжение становится ниже потенциала ионизации за счет ступенчатой ионизации молекул газа электронами или за счет ионизации атомов металла, испарившихся с поверхности катода.

Положение второго падающего участка ВАХ, соответствующего переходу тлеющего разряда в дуговой, существенным образом зависит от давления газа. С ростом давления начало участка сдвигается вправо по оси тока и вниз по оси напряжения. Иными словами, вправо и вниз сдвигается максимум ВАХ в области перехода тлеющего разряда в дуговой (кривая 2 на рис. 3.1 правее и ниже кривой 1). Эффект объясняется следующим образом. Для разогрева катода до определенной температуры требуется определенная мощность, выделяющаяся на катоде в результате ионной бомбардировки. Мощность пропорциональна количеству ионов (приблизительно – току разряда) и энергии ионов (приблизительно – анодному напряжению). С ростом давления газа ток перехода нормального тлеющего разряда в аномальный увеличивается. Следовательно, уровень мощности, достаточный для разогрева катода, достигается при меньшем напряжении, и начало участка спада на ВАХ перемещается вправо и вниз.

Такое перемещение при увеличении давления до некоторого значения, очевидно, приведет к тому, что напряжение перехода аномального тлеющего разряда в дуговой уменьшится до нормального катодного падения потенциала. Это означает, что нормальный тлеющий разряд перейдет в дуговой, минуя стадию аномального тлеющего разряда (без повышения напряжения). Дальнейшее увеличение давления приведет к тому, что в дуговой разряд сможет переходить нормальный разряд, занимающий лишь часть поверхности катода.

Положение участка ВАХ, соответствующего переходу нормального тлеющего разряда в аномальный, зависит от площади катода: с её увеличением участок сдвигается в сторону больших токов (кривая 3 рис. 3.1 правее кривой 2). В результате аномальный тлеющий разряд переходит в дуговой при меньшем напряжении. Можно предполагать и противоположное изменение напряжения перехода, поскольку для разогрева катода большей площади, очевидно, требуется большая мощность. На практике это не подтверждается, так как дуговой разряд обычно развивается с локализацией на части поверхности катода и до высокой температуры разогревается лишь небольшой участок катода (формируется «катодное пятно»).

Изложенный механизм существования дугового разряда действует только в случаях, когда катод выполнен из тугоплавкого материала (W, Mo, C, Nb, Ta). Если материал катода легкоплавкий (Hg, Al, Cu, Ni), то уровень термоэмиссии, необходимый для дугового разряда, достигается, как показывает расчет, лишь после плавления катода. Однако эксперимент показывает, что на легкоплавких катодах дуговой разряд может развиваться и без плавления катода (кроме ртути). Для него также характерны низкое, порядка потенциала ионизации, напряжение горения и большие, десятки и сотни ампер, величины токов.

Выход электронов из катода в таком разряде обеспечивается за счет автоэлектронной эмиссии. Необходимые высокие значения напряженности электрического поля при низком анодном напряжении достигаются в результате сильного уменьшения ширины области катодного падения потенциала d к (рис. 3.2). Сокращение этой области обусловлено стягиванием разряда на катоде в узкое пятно с резким увеличением плотностей тока и пространственного заряда ионов. В пятне интенсивно испаряется материал катода, что уменьшает длину свободного пробега электронов и облегчает ионизацию, поскольку потенциалы ионизации металлов в парообразном состоянии существенно (в 2 раза) меньше потенциалов ионизации газов. Пятно обычно хаотически перемещается по катоду.

Разряд в промежутке с катодом из тугоплавкого металла называют «термоэлектронная дуга», а в случае легкоплавкого катода – «автоэлектронная дуга» (по механизму выхода электронов из катода).

\ Для учителя физики

При использовании материалов этого сайта - и размещение баннера -ОБЯЗАТЕЛЬНО!!!

Разработка урока с презентацией по физике на тему: "Электрический ток в газах"

Разработку урока по физике подготовила : Семенченко Галина Васильевна, г. Барнаул КГОУНПО ПУ -13, преподаватель физики,астрономии и электротехники, email: [email protected]

Эпиграф:

«Позавчера мы ничего не знали об электричестве, вчера мы ничего не знали об огромных резервах энергии, содержащихся в атомном ядре, о чем мы не знаем сегодня?»

/Луи де Бройль/

Электрический ток в газе представляет собой направленное движение положительных ионов к катоду, а отрицательных ионов и электронов к аноду.

При столкновении положительного и отрицательного ионов отрицательный ион может отдать свой избыточный электрон положительному иону и оба иона превратятся в нейтральные атомы.

Процесс взаимной нейтрализации ионов называется рекомбинацией ионов.

При рекомбинации положительного иона и электрона или двух ионов освобождается определенная энергия, равная энергии, затраченной на ионизацию.

Частично она излучается в виде света, и поэтому рекомбинация ионов сопровождается свечением (свечение рекомбинации).

Процесс прохождения электрического тока в газах называется газовым разрядом.

Разряды бывают двух видов:

Самостоятельный – разряд, возникающий без чьей – либо помощи в газах.

Несамостоятельный – разряд, возникающий в газах с помощью ионизатора.

Ионизаторы – это факторы, вызывающие ионизацию газа.

К факторам относятся:

• нагревание газа до высокой температуры;
• рентгеновских лучей;
• лучей, возникающих при радиоактивном распаде;
• космических лучей;
• бомбардировки молекул газа быстро движущимися электронами или ионами.

Несамостоятельный разряд

Электропроводность газа создается внешними ионизаторами;

С прекращением действия внешних ионизаторов несамостоятельный разряд прекращается;

Несамостоятельный газовый разряд не сопровождается свечением газа.

Самостоятельный разряд

Для его осуществления необходимо, чтобы в результате самого разряда в газе непрерывно образовывались свободные заряды. Основным источником свободных зарядов является ударная ионизация молекул газа.

Положительные ионы, образовавшиеся при столкновении электронов с нейтральными атомами, при своем движении к катоду приобретают под действием поля большую кинетическую энергию. При ударах таких быстрых ионов о катод с поверхности катода выбиваются электроны.

Кроме того, катод может испускать электроны при нагревании до большой температуры. Этот процесс называется термоэлектронной эмиссией. Его можно рассматривать как испарение электронов из металла. Во многих твердых веществах термоэлектронная эмиссия происходит при температурах, при которых испарение самого вещества еще мало. Такие вещества и используются для изготовления катодов.

Виды самостоятельных разрядов.

В зависимости от свойств и состояния газа, характера и расположения электродов, а также от приложенного к электродам напряжения возникают различные виды самостоятельного разряда.

Тлеющий разряд.

Тлеющий разряд наблюдается в газах при низких давлениях порядка нескольких десятков миллиметров ртутного столба и меньше.

Основными частями тлеющего разряда являются катодное темное пространство, резко отдаленное от него отрицательное, или тлеющее свечение, которое постепенно переходит в область фарадеева темного пространства. Эти три области образуют катодную часть разряда, за которой следует основная светящаяся часть разряда, определяющая его оптические свойства и называемая положительным столбом.

При достаточно низких давлениях электроны, выбиваемые из катода положительными ионами, проходят через газ почти без столкновений с его молекулами, образуя электронные, или катодные лучи.

Вид тлеющего разряда

Тлеющий разряд полученный с помощью генератора

Применение тлеющего разряда

Тлеющий разряд используется в газосветных трубках, лампах дневного света, стабилизаторах напряжения, для получения электронных и ионных пучков.

Если в катоде сделать щель, то сквозь нее в пространство за катодом проходят узкие ионные пучки, часто называемые каналовыми лучами.

Широко используется явление катодного распыления, т.е. разрушение поверхности катода под действием ударяющихся о него положительных ионов. Ультрамикроскопические осколки материала катода летят во все стороны по прямым линиям и покрывают тонким слоем поверхность тел (особенно диэлектриков), помещенных в трубку.

Таким способом изготовляют зеркала для ряда приборов, наносят тонкий слой металла на селеновые фотоэлементы.

Тлеющий разряд на производстве

Обработка коронным разрядом поверхностей

Коронный разряд

Коронный разряд возникает при нормальном давлении в газе, находящемся в сильно неоднородном электрическом поле (например, около остриев или проводов линий высокого напряжения).

При коронном разряде ионизация газа и его свечение происходят лишь вблизи коронирующих электродов. В случае коронирования катода (отрицательная корона) электроны, вызывающие ударную ионизацию молекул газа, выбиваются из катода при бомбардировке его положительными ионами.

Если коронируют анод (положительная корона), то рождение электронов происходит вследствие фотоионизации газа вблизи анода.

Корона - вредное явление, сопровождающееся утечкой тока и потерей электрической энергии. Для уменьшения коронирования увеличивают радиус кривизны проводников, а их поверхность делают более гладкой.

Вид коронного разряда

слайд№ 13

Частный случай коронного разряда – кистевой

При повышенном напряжении коронный разряд на острие приобретает вид исходящих из острия и перемежающихся во времени светлых линий. Эти линии, имеющие ряд изломов и изгибов, образуют подобие кисти, вследствие чего такой разряд называют кистевым.

С коронным разрядом приходится считаться, имея дело с высоким напряжением. При наличии выступающих частей или очень тонких проводов может начаться коронный разряд. Это приводит к утечке электроэнергии. Чем выше напряжение высоковольтной линии, тем толще должны быть провода.

Огни святого Эльма

Заряженное грозовое облако индуцирует на поверхности Земли под собой электрические заряды противоположного знака. Особенно большой заряд скапливается на остриях. Поэтому перед грозой или во время грозы нередко на остриях и острых углах высоко поднятых предметов вспыхивают похожие на кисточки конусы света. С давних времен это свечение называют огнями святого Эльма.

Особенно часто свидетелями этого явления становятся альпинисты. Иногда даже не только металлические предметы, но и кончики волос на голове украшаются маленькими светящимися кисточками.

Огни святого Эльма перед грозой в океане

Слайд№ 17

Искровой разряд

Искровой разряд имеет вид ярких зигзагообразных разветвляющихся нитей-каналов, которые пронизывают разрядный промежуток и исчезают, сменяясь новыми.

Каналы искрового разряда начинают расти иногда от положительного электрода, иногда от отрицательного, а иногда и от какой-нибудь точки между электродами.

Искровой разряд сопровождается выделением большого количества теплоты, ярким свечением газа, треском или громом.

Все эти явления вызываются электронными и ионными лавинами, которые возникают в искровых каналах и приводят к огромному увеличению давления, достигающему 107 108 Па, и повышению температуры до 10000 С.

Применение искрового разряда

При малой длине разрядного промежутка искровой разряд вызывает специфическое разрушение анода, называемое эрозией. Это явление было использовано в электроискровом методе резки, сверления и других видах точной обработки металла.

Искровой промежуток применяется в качестве предохранителя от перенапряжения в электрических линиях передач (например, в телефонных линиях).

Электрическая искра применяется для измерения больших разностей потенциалов с помощью шарового разрядника, электродами которого служат два металлических шара с полированной поверхностью.

Электроискровой станок

Слайд № 21

Характерным примером искрового разряда является молния.

Главный канал молнии имеет диаметр от 10 до 25 см., а длина молнии может достигать нескольких километров. Максимальная сила тока импульса молнии достигает десятков и сотен тысяч ампер.

Молнии бывают линейные и шаровые.

Шаровая молния - это одиночная ярко светящаяся относительно стабильная небольшая масса, которая наблюдается в атмосфере, плавающая в воздухе и перемещающаяся вместе с потоками воздуха, содержащая в своем теле большую энергию, исчезающая тихо или с большим шумом типа взрыва и не оставляющая после своего исчезновения никаких материальных следов, кроме тех разрушений, которые она успела натворить.

Шаровая молния

Слайд № 23

Как вести себя во время грозы?

1. Нельзя укрываться в грозу возле одиноко стоящих деревьев, столбов и других высоких местных предметов, надо отойти на 15 метров.
2. Опасно находиться в воде или поблизости от неё.
3. Палатку ставить у воды нельзя, так как молнии часто ударяют в речные берега.
4. Никогда не следует недооценивать опасность молнии.
5. Если гроза застала вас в автомобиле, не выходите из него. Закройте все двери и окна и переждите ненастье внутри.
6. Находясь во время грозы в загородном доме, отключите из сети электроприборы, а телевизор – от индивидуальной антенны.
7. Молния редко ударяет в кустарник, практически не попадает в клён и берёзу, чаще всего попадает в дуб и тополь.

Дуговой разряд

Дуговой разряд был открыт В. В. Петровым в 1802 году. Этот разряд представляет собой одну из форм газового разряда, осуществляющуюся при большой плотности тока и сравнительно небольшом напряжении между электродами (порядка нескольких десятков вольт).

Основной причиной дугового разряда является интенсивное испускание термоэлектронов раскаленным катодом. Эти электроны ускоряются электрическим полем и производят ударную ионизацию молекул газа, благодаря чему электрическое сопротивление газового промежутка между электродами сравнительно мало.

В ряде случаев дуговой разряд наблюдается и при сравнительно низкой температуре катода (ртутная дуговая лампа).

Дуговой разряд нашел применение в ртутном выпрямителе, преобразующем переменный электрический ток в ток постоянного направления.

Применение дугового разряда

В 1876 году П. Н. Яблочков впервые использовал электрическую дугу как источник света.

Дуговой разряд применяется как источник света в прожекторах и проекционных аппаратах.

Высокая температура дугового разряда позволяет использовать его для устройства дуговой печи. Дуговые печи, питаемые током очень большой силы, применяются в ряде областей промышленности: для выплавки стали, чугуна, ферросплавов, бронзы, получения карбида кальция, окиси азота и т.д.

В 1882 году Н. Н. Бенардос дуговой разряд впервые использовал для резки и сварки металла.

В 1888 году Н. Г. Славянов усовершенствовал этот метод сварки, заменив угольный электрод металлическим.

Знаменитые физики, изучавшие дуговой разряд.

Применение плазмы

Низкотемпературная плазма применяется в газоразрядных источниках света - в светящихся трубках рекламных надписей, в лампах дневного света. Газоразрядную лампу используют во многих приборах, например, в газовых лазерах - квантовых источниках света.

Высокотемпературная плазма применяется в магнитогидродинамических генераторах.

Недавно был создан новый прибор - плазмотрон. В плазмотроне создаются мощные струи плотной низкотемпературной плазмы, широко применяемые в различных областях техники: для резки и сварки металлов, бурения скважин в твердых породах и т.д.

Исследование тлеющего разряда

Цель работы:

Ознакомиться с основными формами тлеющего разряда.

Исследование работы стабилизаторов тлеющего разряда.

Исследование работы цифро- знаковых индикаторов тлеющего разряда.

Введение.

Тлеющий разряд является самостоятельным разрядом с холодным катодом. Возникновению тлеющего разряда с холодными электродами обычно предшествует несамостоятельный разряд, поскольку в объеме газа всегда присутствует некоторое количество свободных заряженных частиц, обязанных своим происхождением какому- либо внешнему источнику ионизации. (космическое излучение, фон радиации Земли).

В установившемся режиме разряда пространство между катодом и анодом можно разбить на три основные области (рис. 1).

Протяженность катодного слоя (1) определяется давлением или, точнее, плотностью газа: она равна приблизительно трем длинам свободного пробега электрона; на этом участке, дви­гающиеся к катоду ионы приобретают за счет высо­кого градиента поля энер­гию, необходимую для вы­бивания из катода электронов. Вылетающие из ка­тода электроны также приобретают на этом учас­тке энергию и при столк­новениях с нейтральными атомами и молекулами газа совершают акты ионизации и возбуждения.

Длина области положительного столба (2) зависит от геомет­рии разрядной трубки. Падение напряжения на нем невелико. Поло­жительный столб не является обязательной составной частью раз­ряда.

Протяженность области анодного падения (3) зависит от дав­ления газа и приблизительно равна одной длине свободного пробега элек­трона. Величина и знак прианодного падения напряжения зависит от геометрии анода.

Особый интерес представляет область катодного падения напряжения. На этом отрезке разряда имеет место наиболь­ший градиент потенциала. Катодное падение напряжения составляет 100 - 180 вольт для катодов из чистых металлов и 40 - 100 волы для катодов, активированных пленками из электроположительных металлов. Катодное падение напряжения определяется в основном энергией ионов, необходимой для выбивания электронов из материа­лов катода: чем меньше работа выхода электронов из материала ка­тода, тем меньше величина катодного падения напряжения.

Величина катодного падения напряжения зависит также от ро­да газа, причем в довольно широких пределах (так как от рода газа зависит масса иона) и практически не зависит от давления газа.

Если сила ток через прибор не превышает некоторого значения, а именно: значения, при котором еще не вся поверхность катода участвует в электронной эмиссии (не вся покрыта свечением), то катодное падение напряжения не зависит от тока и остается постоянной (Закон Геля). Постоянство катодного падения напряжения объясняется наличием оптимальных условий обмена энергией между ионами, бомбардирующими катод, и электронами материала катода.

Катодное падение напряжения, соответствующее оптимальным условиям эмиссии с катода, принято называть нормальным катодным падением, а тлеющий разряд, с нормальным катодным падением - нор­мальным тлеющим разрядом.

Тлеющий разряд – слаботочный, при токе порядка 300 mA появляется тенденция к переходу в дуговой разряд. Поэтому приборы тлеющего разряда имеют максимальные токи в пределах до 100 mA.

Постоянство катодного падения напряжения в тлеющем разряде используется при конструировании газоразрядных стабилизаторов напряжения (стабилитронов).

Если в разряде участвует вся поверхность катода, то о уве­личением тока увеличивается и катодное падение напряжения, так как в этом случае обеспечивается большая эмиссия с единицы по­верхности катода. Такой разряд называют аномальным тлеющим.

При аномальном тлеющем разряде с увеличением тока возрастает яркость свечения на катоде и резко возрастает распыление материала катода.

Начальный участок аномально тлеющего разряда используется в цифро- знаковых индикаторах (ИН), широко применяемых в измерительной технике для отображения информации.

Расчет стабилизатора напряжения с лампой тлеющего разряда.

Д
ля расчета схемы включения, изображенной на рис. 2, рассмотрим работу стабилизатора напряжения. Для этого придется воспользоваться ВАХ стабилитрона, т.к. это нелинейный элемент схемы (рис. 3).

Допустим, что величина входного напряжения дана - , в этом случае прямая, проведенная через значение на оси ординат к оси абсцисс под углом (линия сопротивления) при пересечении с ВАХ дает точку устойчивого горения разряда в данном режиме. При этом будет и на нагрузке, т.к. она подключена параллельно стабилитрону, а - значение напряжения на балластном сопротивлении , создаваемое . При изменении величины входного напряжения например, в сторону увеличения, до значения линия сопротивления переместится параллельно себе самой и дает новую точку пересечения с ВАХ стабилитрона. При этом будет незначительно отличаться от , а падение напряжения на балластном сопротивлении изменится за счет увеличения . Таким образом, при работе стабилизатора напряжения рабочая точка будет перемещаться по ВАХ. Ограничив ее движение в пределах пологой части характеристики, достаточной для качественной стабилизации напряжения, получаем значение и , в пределах которых и будет работать стабилитрон.

Рассматривая схему рис. 2, можно записать:

; , отсюда

учитывая, что , можно записать:

Корректная величина выбирается в зависимости от того, как изменяется входное напряжение . Если изменение одинаково как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения, то расчетная точка берется посередине рабочего участка ВАХ, и тогда , если же изменение входного напряжения несимметричны, то рабочая точка для расчета выбирается исходя из закона пропорциональности.

На рис. 2 приведена схема включения стабилитрона в качестве стабилизатора напряжения, где:

Номинальное значение входного напряжения;

Номинальное значение выходного стабилизированного

напряжения;

Сопротивление нагрузки;

Балластное сопротивление;

Ток в общей цепи при номинальном значении входного

напряжения;

Номинальный ток нагрузки;

Ток через стабилизатор при нормальном значении входного

напряжения.

В предлагаемой работе схема лабораторного стенда (рис. 4) позволяет проводить исследование стабилизаторов тлеющего разряда типа СГ2С, СГ3С, СГ4С, СГ2П, СГ15П, СГ16П. Балластное сопротивление и сопротивление нагрузки выполнены так, что можно установить требуемое значение тока нагрузки и необходимую по расчету величину балластного сопротивления.

Цепь нагрузки точками 3 – 7 заводится на соответствующие гнезда ламповой панели стабилитрона. В цоколе стабилитронов штырьки 3 – 7 закорочены между собой перемычками. Это делается для того, чтобы в момент замены лампы, когда она вынимается из панели, нестабилизированное напряжение источника питания не могло воздействовать на нагрузку.

ЗНАКОВЫЕ ИНДИКАТОРЫ

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Цифровые и буквенные индикаторные неоновые лампы тлеющего разряда (серии ИН) нашли широкое применение в аппаратуре отоб­ражения информации, в счетно-решающих устройствах, вычислитель­ной технике: и измерительных приборах.

Отличительная особенность знаковых индикаторов тлеющего разряда состоят в том, что в одном баллоне помещается несколько катодов, а анод выполнен в виде тонкой сетки.

Форма катодов и их размеры выбираются так, чтобы создать лишь минимальное перекрытие цифр (букв), расположенных сзади. Этим же определяется порядок расположения цифр, букв, знаков, а также конструкция сетчатого анода. Свечение горящего катода имеет достаточную ширину (до 2 мм), поэтому остальные электро­да экранируют не более 20% светового потока, не ухудшая четкости индикации горящего светового знака.

Индикаторы отличаются высокой яркостью и контрастностью изображения, малой потребляемой мощностью, простотой и надежностью в работе.

Выпускаемые в настоящее вреди газоразрядные индикаторы тле­ющего разряда заполняются неоном и имеют оранжево- красный цвет свечения. В процессе эксплуатации рабочий ток не должен выхо­дить за пределы, указанные в справочных данных. При больших значениях тока возможен переход в область аномального тлеющего разряда, возрастает распыление материала катода и сокращается долговечность прибора. Снижение рабочего тока также недопусти­мо, так как в процессе работы поверхности катодов загрязняются, и для хорошего свечения всей поверхности катодов требуется несколько большее напряжение горения. Поэтому рабочий ток должен превышать значение тока индикации, (ток индикации - ток через прибор, при котором разрядное свечение полностью покрывает катоды- цифры, символы, буквы, знаки, т.е. создает надежную визу­альную индикацию).

В ряде случаев питание анода производится импульсным на­пряжением. В таком режиме длительность импульса напряжения должна быть не менее 100 мкс, при среднем токе 1 - 2 мА. С умень­шением длительности импульса резко возрастает ток индикации, что требует увеличения амплитудного значения рабочего тока. При частоте следования импульсов 20 - 50 Гц ток в импульсе может быть достаточно большим, кажущаяся яркость свечения повышается бла­годаря инерции зрения, хотя среднее значение тока оказывается ниже нормального. Благодаря этому поддерживается высокая яр­кость свечения и надежная индикация цифр (букв) катодов, в то же время долговечность индикатора не снижается.

Для нормальной работы индикатора тлеющего разряда необхо­димо создать начальную ионизацию, снижающую время запаздывания зажигания разряда. Эта ионизация обычно создается внешним осве­щением. В темноте время запаздывания увеличивается до 1 с.

По виду отображаемой информации индикаторы ИН условно можно разделить на несколько групп.

Цифровые индикаторы типа ИН-1, ИН-2, ИН-4, ИН-8, ИН-8-2, ИН-12А, ИН-12Б, ИН-14, ИН-16, ИН-17, ИН-18 имеют катоды в фор­ме арабских цифр от 0 до 9. Индикаторы с торцевой индикацией, где минимальное расстояние между осями расположенных рядом при­боров велико по отношению к размерам цифровых электродов, целе­сообразно применять в аппаратуре с небольшим количеством цифровых разрядов, а также в многоразрядных индикационных системах. В малогабаритной настольной аппаратуре можно использовать миниатюрный индикатор типа ИН-2.

Прямоугольный баллон индикаторов типа ИН-11, ИН-12А, ИН-12Б, ИН-15А, ИН-15Б позволяет более удобно производить компоновку многоразрядных систем, а сочетание цифр и букв в индикаторе позволяет уменьшить расстояние между соседними цифровыми и буквен­ными разрядами и соответственно улучшить удобочитаемость резуль­татов информации. Группа приборов с "боковой индикацией" ИН-8, ИН-8-2, ИН-14, ИН-16, ИН-18 широко применяется в многоразрядной аппаратуре, например в настольных счетно-клавишных машинах.

Знако - буквенные индикаторы типа ИН-5А, ИН-5Б, ИН-7, ИН-7А, ИН-7Б, ИН-11, ИН-15А, ИН-15Б, ИН-19А, ИН-19Б, ИН-19В значитель­но расширили диапазон применения газоразрядных индикаторов. В сочетании с цифровыми буквенные и знаковые индикаторы позволяют отобразить практически всю необходимую информацию. В индика­торах типа ИН-8-2, ИН-12Б, ИН-14 наличие дополнительного элект­рода - запятой - упрощает индикационный блок, отпадает необходимость в использовании отдельных элементов для индикации за­пятой.

В приборе типа ИН-14 имеется два знака запятая, одна из которых может быть использована для уменьшения времени запаз­дывания зажигания разряда (ток подготовки около 1мкА). Для уст­ройств, работающих в условиях повышенных климатических и меха­нических нагрузок, можно рекомендовать приборы типа ИН-1, ИН-8, ИН-8-2, ИН-12А, ИН-12Б.

Сигнальные газоразрядные приборы типа ИН-3, ИН-6, ИНС-1, ИН-ЗА, ИФ-1, ТНУ-2 предназначены для использования в качестве датчиков световых сигналов в самых разнообразных электротехни­ческих и радиотехнических устройствах широкого применения. Их характеризуют: высокая яркость свечения (десятки и сотни нит), относительно малая инерционность, простора конструкции, эконо­мичность (потребляемая мощность - доли ватт).

Линейные счетно-индикаторные приборы тлеющего разряда ти­па ИН-9, ИН-13, ИН-20 являются принципиально новыми разработками и предназначены для построения индикационных табло в систе­мах статистического анализа, в измерительных блоках, в различ­ных выходных устройствах индикации, в счетчиках импульсов с большой емкостью, для контроля сети переменного тока. Особен­ностью индикаторов типа ИН-9, ИН-13 является то, что длина светящегося столба изменяется пропорционально приложенному на­пряжению, а в индикаторе ИН-20 изменяется светящийся столб или светящаяся точка. Учитывая эти особенности, индикаторами ИН-9, ИН-13, ИН-20 можно заменить стрелочные электроизмерительные при­боры и другие электромеханические устройства (с классом точнос­ти 2,5 - 4) в любых системах промышленной автоматики.

К достоинствам приборов ИН-9, ИН-13, ИН-20 следует отнести: удобство формы индикации (светящиеся столб и точка), высокую частоту обновления информации и счета импульсов, малую инерцион­ность, большую долговечность, высокую яркость свечения и малую массу.

. Исследование работы стабилитронов напряжения коронного разряда . Введение Коронный разряд является самостоятельным разрядом в... и азота. Эти стабилитроны относительно стабилитронов тлеющего разряда имеют более пологие вольт-амперные...

Экспериментальное исследование параметров плазы емкостного высокочастотного разряда (ЕВЧР)

Дипломная работа >> Физика

... ; Объектом исследования является ЕВЧР в воздухе, аргоне. Предметом исследования являются параметры плазмы тлеющего разряда . Данная... ионизирована, неравновесна и подобна плазме тлеющего разряда . Интерес к исследованию ЕВЧР возрос в течение последних 20 ...

Линейные молнии, методы её исследования

Реферат >> Физика

Пальца. Одновременно с Франклином, исследованием электрической природы молнии занимались... начинается ионизация воздуха, возникает тлеющий разряд и появляются красноватые языки свечения... в коллекторы на земле для исследований и использования", - сообщил...

Современное состояние исследований в области функциональных конденсационных покрытий высокой проводимости

Дипломная работа >> Физика

Материалы. – 1981. – №6. – С. 3-6. Кабанченко М.П. Исследование износоустойчивости контактных площадок переменных непроволочных... и адгезионной активности поверхности оксида, модифицированной в тлеющем разряде / О.Н. Соловьева, А.И. Костржицкий // Физика и...

ТЛЕЮЩИЙ РАЗРЯД

На рис. 3-26, а показан внешний вид тлеющего разряда, характеризующийся чередованием темных и светящихся слоев газа, носящих наззания:
1) первая катодная темная область;
2) первое катодное свечение;
3) вторая катодная темная область;
4) второе катодное свечение (катодное тлеющее свечение);
5) фарадеева темная область;
6) столб разряда;
7) анодная темная область;
8) анодное свечение.
Катодное падение потенциала при нормальном тлеющем разряде (свечением покрыта только часть поверхности катода) зависит от материала катода и рода газа и не зависит от давления газа и тока (табл. 3-16).
Ширина области нормального катодного падения потенциала зависит от материала катода и рода газа. Зависимость от давления газа определяется соотношением .
Для нормального тлеющего разряда характерна пропорциональность между площадью катода, покрытой свечением, и током, т. е. постоянная (нормальная) плотность тока на катоде (табл. 3-17).
При изменении давления газа р0 нормальная плотность тока изменяется по закону

где - нормальная плотность тока на катоде при ; - постояннная, зависящая от геометрии электродов и рода газа. При плоских электродах обычно (для Ne=1,5).
Когда при увеличении анодного тока вся поверхность катода покрывается свечением, катодное падение потенциала начинает возрастать с увеличением плотности тока. Такое катодное падение называется аномальным катодным падением потенциала , а сам разряд называется аномальным тлеющим разрядом .
При аномальном тлеющем разряде увеличение плотности тока сопровождается уменьшением ширины участка катодного падения потенциала.
На рис. 3-27 приведены рассчитанные теоретически универсальные кривые зависимости аномального катодного падения потенциала и ширины участка катодного падения потенциала от плотности тока . Их совпадение с экспериментальными данными удовлетворительно для инженерных расчетов.
Прикатодные области разряда 1-4 (рис. 3-26), в которых сосредоточено катодное падение потенциала, являются жизненно необходимыми для существования тлеющего разряда. Участки 5 (фарадеева темная область) и 6 (столб разряда) являются пассивными участками разряда с хорошей электропроводностью, связывающими анод с катодными областями разряда.
В столбе разряда газ находится в сильно ионизированном состоянии, причем концентрации электронов и ионов примерно равны, т. е. объемный заряд компенсирован. Газ, находящийся в таком состоянии, называется плазмой .
Особенности и характеристики плазмы см. раздел .
При сближении анода с катодом сокращается, а затем исчезает столб разряда.
Дальнейшее сближение электродов на некоторое критическое расстояние приводит к исчезновению анодных участков разряда. При этом падение напряжения на разряде уменьшается на величину анодного падения потенциала, примерно равную ионизационному потенциалу газа.
Дальнейшее сближение электродов приводит к исчезновению фарадеевой темной области. Затем начинает исчезать тлеющее свечение. При этом падение напряжения на приборе резко возрастает (затрудненный разряд).