2014-04-11

Самостійний газовий розряд

4.5 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Рейтинг 4.50 (2 голосів)

Газовий розряд

Розряд у газі, що зберігається після припинення дії зовнішнього іонізатора, називається самостійним.

Розглянемо умови виникнення самостійного газового розряду. При великій напрузі між електродами газового проміжку струм сильно зростає. При великих напругах, що виникають під дією зовнішнього іонізатора, електрони сильно прискорені електричним полем, стикаючись з нейтральними молекулами газу, іонізують їх, в результаті чого утворюються вторинні електрони та позитивні іони. Позитивні іони рухаються до катода, а електрони до аноду. Вторинні електрони знову іонізують молекули газу і, відповідно, загальна кількість електронів та іонів буде зростати в міру просування електронів до аноду лавиноподібно. Описаний процес називається ударною іонізацією.

Проте ударна іонізація під дією електронів недостатня для підтримання розряду при видаленні зовнішнього іонізатора. Для цього необхідно, щоб електронні лавини відтворювалися, тобто щоб у газі під дією якихось процесів виникали нові електрони. Такі процеси проходять:

  1. прискорені полем позитивні іони, б'ючись об катод, вибивають з нього електрони;
  2. позитивні іони, стикаючись з молекулами газу, переводять їх у збуджений стан. Перехід таких молекул в нормальний стан супроводжується випусканням фотону;
  3. фотон, поглинений нейтральною молекулою, іонізує її, відбувається так званий процес фотонної іонізації молекул;
  4. вибивання електронів з катоду під дією фотонів.

Нарешті, при значних напругах між електродами газового проміжку настає момент, коли позитивні іони, що володіють меншою довжиною вільного пробігу, ніж електрони, набувають енергії, достатньої для іонізації молекул газу, і до негативної пластини спрямовуються іонні лавини. Коли виникають крім електронних лавин ще й іонні, сила струму зростає вже практично без збільшення напруги.

У результаті описаних процесів кількість іонів та електронів в об’ємі газу лавиноподібно зростає і розряд стає самостійним, тобто зберігається після припинення дії зовнішнього іонізатора. Напруга, при якому виникає самостійний розряд, називається напругою пробою.

У залежності від тиску газу, конфігурації електродів, параметрів зовнішнього ланцюга можна говорити про чотири типи самостійного газового розряду: тліючий, іскровий, дуговий і коронний.

Тліючий газовий розряд 

Виникає при низькому тиску. Якщо до електродів, впаяних в скляну трубку завдовжки 30 ? 50 см, прикласти постійну напругу до сотень вольт, поступово відкачуючи з трубки повітря, то при тиску 5,3 -6,7 кПа виникає газовий розряд у вигляді звивистого шнура червонуватого кольору, що світиться світиться і йде від катода до аноду. При подальшому зниженні тиску шнур товстішає.

Безпосередньо до катода прилягає тонкий шар, що світиться, - перше катодне світіння, або катодна плівка, потім іде темний шар - катодний темний простір, що переходить в тліюче світіння, яке має різкий кордон з боку катода і поступово зникає з боку анода. Воно виникає через рекомбінацію електронів з позитивними іонами. З тліючим світінням межує темний проміжок - фарадеєвський темний простір, за яким іде стовп іонізованого газу, що світиться, - позитивний стовп. Позитивний стовп істотної ролі в підтримці розряду не має. Наприклад, при зменшенні відстані між електродами трубки його довжина скорочується, в той час як катодні частини розряду за формою і величиною залишаються незмінними. У тліючому газовому розряді особливе значення для його підтримки мають лише дві його частини: катодний темний простір і тліюче світіння. У катодному темному просторі відбувається сильне прискорення електронів і позитивних іонів, які вибивають електрони з катода (вторинна емісія). В області тліючого світіння ж відбувається ударна іонізація електронами молекул газу. Утворені при цьому позитивні іони спрямовуються до катода і вибивають з нього нові електрони, які, у свою чергу, знову іонізують газ і т. д. Таким чином безперервно підтримується тліючий розряд.

При подальшому відкачуванні при тиску 1,3 Па свічення газу послаблюється і починають світитися стінки трубки. Електрони, вибиті з катода позитивними іонами, за такого розрідження рідко стикаються з молекулами газу і тому, прискорені полем, вдаряючись об скло, викликають його світіння, так звану катодолюмінесценцію. Потік цих електронів історично отримав назву катодних променів. Якщо в катоді просвердлити малі отвори, то позитивні іони, які бомбардують катод, пройшовши через отвори проникають у простір за катодом і утворюють різко обмежений пучок, що отримав назву каналових (або позитивних) променів, названих за знаком заряду, який вони несуть.

Тліючий розряд широко використовується в техніці. Так як світіння позитивного стовпа має характерний для кожного газу колір, то його використовують в газосвітних трубках для написів і реклам, що світяться, (наприклад, неонові газорозрядні трубки дають червоне свічення, аргонові - синювато-зелене). У лампах денного світла, більш економічних, ніж лампи розжарювання, випромінювання тліючого розряду, яке походить в парах ртуті, поглинається нанесеною на внутрішню поверхню трубки флуоресціюючою речовиною (люмінофором), що починає під впливом поглинутого випромінювання світитися. Спектр світіння при відповідному підборі люмінофорів близький до спектру сонячного випромінювання. Тліючий розряд використовується для катодного напилення металів. Речовина катода в тліючому розряді внаслідок бомбардування позитивними іонами, сильно нагріваючись, переходить в пароподібний стан. Помістивши поблизу катода різні предмети, їх можна покрити рівномірним шаром металу.

Іскровий газовий розряд

Виникає при великих напруженостях електричного поля у газі, що знаходиться під тиском порядку атмосферного. Іскра має вигляд тонкого каналу, що яскраво світиться і є складним чином вигнутий та розгалужений.

Пояснення іскрового газового розряду дається на основі стримерної теорії, відповідно до якої виникненню каналу іскри, що яскраво світиться, передує поява скупчень іонізованого газу – стримерів, які світяться менш яскраво. Стримери виникають не тільки в результаті утворення електронних лавин за допомогою ударної іонізації, але і в результаті фотонної іонізації газу. Лавини, наздоганяючи одна одну, утворюють провідні містки зі стримерів, за якими в наступні моменти часу і спрямовуються потужні потоки електронів, що утворюють канали іскрового розряду. Через виділення при розглянутих процесах великої кількості енергії газ в іскровому проміжку нагрівається до дуже високої температури (приблизно 104 К), що призводить до його світіння. Швидкий нагрів газу веде до підвищення тиску і виникнення ударних хвиль, що пояснюють звукові ефекти при іскровому розряді - характерне потріскування в слабких розрядах і потужний гуркіт грому в грозу, що є прикладом потужного іскрового розряду між грозовою хмарою і Землею або між двома грозовими хмарами.

Іскровий газовий розряд використовується для запалення горючої суміші у двигунах внутрішнього згоряння і для запобіганню перенапруги на лініях електропередач (іскрові розрядники). При малій довжині розрядного проміжку іскровий розряд викликає руйнування (ерозію) поверхні металу, тому він застосовується для електроіскровій точній обробці металів (різання, свердління). Його використовують в спектральному аналізі для реєстрації заряджених частинок (іскрові лічильники).

Дуговий газовий розряд

Якщо після запалювання іскрового розряду від потужного джерела поступово зменшувати відстань між електродами, то розряд стає безперервним - виникає дуговий газовий розряд. При цьому сила струму різко зростає, досягаючи сотень ампер, а напруга на розрядному проміжку падає до декількох десятків вольт. Дуговий розряд можна отримати від джерела низької напруги минаючи стадію іскри. Для цього електроди (наприклад, вугільні) зближують до дотикання, вони сильно розжарюються електричним струмом, потім їх розводять і отримують електричну дугу. При атмосферному тиску температура катода приблизно дорівнює 3900 К. У міру горіння дуги вугільний катод загострюється, а на аноді утворюється поглиблення - кратер, який і є найбільш гарячим місцем дуги.

За сучасними уявленнями, дуговий розряд підтримується за рахунок високої температури катода через інтенсивну термоелектронну емісію, а також термічнуіонізацію молекул, зумовлену високою температурою газу.

Дуговий газовий розряд знаходить широке застосування для зварювання та різання металів, отримання високоякісних сталей (дугова піч) та освітлення (прожектори, проекційна апаратура). Широко застосовуються також дугові лампи з ртутними електродами у кварцових балонах, де дуговий розряд виникає в ртутній парі при відкачаному повітрі. Дуга, що виникає в ртутній парі, є потужним джерелом ультрафіолетового випромінювання та використовується в медицині (наприклад, кварцові лампи). Дуговий розряд при низьких тисках парах ртуті використовується в ртутних випрямлячах для випрямлення змінного струму.

Коронний газовий розряд

Високовольтний електричний розряд при високому (наприклад, атмосферному) тиску в різко неоднорідному полі поблизу електродів з великою кривизною поверхні (наприклад, вістря). Коли напруженість поля поблизу вістря сягає 30 кВ/см, то навколо нього виникає світіння, що має вигляд корони, чим і викликана назва цього виду розряду.

У залежності від знаку коронуючого електрода розрізняють негативну і позитивну корону. У разі негативної корони народження електронів, що викликають ударну іонізацію молекул газу, відбувається за рахунок емісії їх з катода під дією позитивних іонів, у разі позитивної - внаслідок іонізації газу поблизу анода. У природних умовах корона виникає під впливом атмосферної електрики біля вершин щогл (на цьому заснована дія блискавковідводів), дерев (це явище отримало в давнину назву вогнів святого Ельма). Шкідлива дія корони навколо проводів високовольтних ліній електропередач проявляється у виникненні шкідливих струмів витоку. Для їхнього зниження проводи високовольтних ліній робляться товстими. Коронний розряд, будучи переривистим, стає також джерелом радіоперешкод.

Коронний газовий розряд використовується у електрофільтрах, що застосовуються для очищення промислових газів від домішок. Газ, що піддається очищенню, рухається знизу вгору до вертикального циліндру, по осі якого розташований коронуючий дріт. Іони, наявні у великій кількості в зовнішній частині корони, осідають на частинках домішок і захоплюються полем до зовнішнього некоронуючого електроду і осідають на ньому. Коронний розряд застосовується також при нанесенні порошкових і лакофарбових покриттів.

 

Читайте також:

 

Коментарі:

blog comments powered by Disqus