Несамостоятельный газовый разряд.

Процесс прохождения эл. тока через газ назыв. газовым разрядом.

Различают 2 вида разрядов: самостоятельный и несамостоятельный.

Если электропроводность газа созд. внешн. ионизаторами, то эл. ток в нем назыв. несамост. газовым разрядом. V

Рассм. эл. схему, сост. из конденсатора, гальванометра, вольтметра и источника тока.

Между пластинами плоского конденсатора находится воздух при атмосферном давлении и комнатной t. Если к конденсатору приложено U, равное нескольким сотням вольт, а ионизатор не работает, то гальванометр тока не регистрирует, однако как только пространство между пластинами начнет прониз. поток УФ – лучей, гальванометр начнет регистр. ток. Если источник тока выкл., прохождение тока по цепи прекратится, этот ток и представляет собой несамостоятельный разряд.

j = γ*E – закон Ома для эл. тока в газах.

При достаточно сильном эл. поле в газе начинается процесс самоионизации, благодаря которому ток может существовать в отсутствии внешнего ионизатора. Такого рода ток называется самостоятельным газовым разрядом. Процессы самоионизации в общих чертах заключается в следующем. В естеств. усл. в газе всегда имеется небольшое количество свободных электронов и ионов. Они создаются такими естеств. ионизаторами, как космич. лучи, излучения радиоактивных веществ, сод в почве и воде. Достаточно сильное эл. поле может разогнать эти частицы до таких скоростей, при которых их кинетическая энергия превысит энергию ионизации, когда электроны и ионы, столкнувшись на пути к электродам с нейт. молекулами будут ионизировать эти молекулы. Обр. при соударении новые вторичные электроны и ионы также разгон. полем и в свою очередь ионизируют новые нейтр. молекулы. Описанная самоионизация газов называется ударной полизацией. Свободные электроны вызывают ударную ионизацию уже при Е=10³ В/м. Ионы же могут вызывать ударную ионизацию только при Е=10⁵В/м. Это различие обусловлено рядом причин, в частности тем, что для электронов длина свободного пробега значительно больше, чем для ионов. Поэтому ионы приобретают необходимую для ударной ионизации энергию при меньшей напряжённости поля, чем ионы. Однако и при не слишком сильных полях “+” ионы играют важную роль в самоионизации. Дело в том, что энергия этих ионов ок. достаточной для выбивания электронов из металлов. Поэтому разогнанные полем ”+“ ионы, ударяясь о металлический котод источника поля, выбивают из котода электороны. Эти выбитые электроны разг. полем и пооизводят ударную ионизацию молекул. Ионы и электроны, энергия которых недостаточна для ударной ионизации могут тем не менее при столкновении с молекулами приводить их в возб. состояние, то есть вызвать некоторые энергетические изменения в эл. оболочках нейтр. атомов и молекул. Возб. атом или молекула через некоторое время переходит в нормальное состояние, при этом она испускает фотон. Испускание фотонов проявляется в свечении газов. Кроме того, фотон, погл. какой-либо из молекул газа может ионизировать её, такого рода ионизация называется фотоннойионизацией. Часть фотонов попадает на котод, они могут выбить из него электроны, которые затем вызовут ударную ионизацию нейтр. молекул.

В результате ударной и фотонной ионизаций и выбиваний электронов из кода “+” ионами фотонами количество фотонов и электронов во всём объёме газа резко (лавинообразно) возрастает и для существования тока в газе не нужен внешний ионизатор, а разряд становится самостоятельным. ВАХ газового разряда выглядит следующим образом.

Y_A

U_A

U_c

U_b

На участке Оа ток воздействует ≈ ~ U, то есть по закону Ома. Это объясняется тем, что с увеличением U возрастает скорость упорядоченного движения ионов и электронов, а следовательно и количество эл-ва, прох. в единицу времени к электродом. Уч. аb представляет собой переходную область, где нарушается линейная зависимость I от U. Уч. bс соотв. току насыщения, то есть току, который обусловлен всеми ионами и электронами, созданные внешним ионизатором за 1 с. и которые за тоже время подходят, а электронам. Величина тока насыщения ~ мощности ионизатора. При достаточно большом напряжении Uс начинается самоионизация, а при дальнейшем увеличении напряжения наступает самостоятельный газовый разряд. Таким образом, участок Ос кривой соответствует несамостоятельному газовому разряду, а ветвь кривой, лежащей правее, с самост. газовому разряду.

Вместе с тем вид разряда зависит от давления, температуры и химического состава газа, а также от материала, формы, размеров и взаимного расположения электронов. Рассмотрим основные виды самост. разряда.

Виды самостоятельных разрядов - тлеющий, дуговой, искровой, коронный.

а) тлеющий разряд набр. в газе при низком давлении от сотых долей до нескольких мм. рт. ст. и большой напряжённости поля ≈8000 В/м. Если тлеющий разряд происходит в длинной цилиндр. трубке, наполненной газом, то можно визуально различать ряд резко разграниченных областей разряда.

Тлеющий разряд, вызв. ударной ионизацией вызв. электронами, которые выбиваются из котода ”+“ ионами. Поле у котода сообщает выбиваемым из него электронам уже на небольшом расстоянии от него скорость, достаточная для образования электронных лавин и свечения газов. Этим объясняется катодное свечение 2 отделённое от катода небольшим промежутком 1, где свечение газа очень слабое. В области холодного свечения 2 и обр. ”+“ ионы, необходимые для поддержания разряда. Пройдя простр - во 2 эл. лавины попадают в обл. сильного поля обрываются. При этом наблюдается темное пространство 3 и назыв. Фарадеевым пространством. Дальше набл. “+” анодное свечение 4, которое простирается до анода. Трубка зап. полностью равн. кол – вом ионов разных знаков. Газ сильно ионизирован. Обл. “+” свечения и вып. роль проводника, соед. анод с катодными частями разряда 321. “+” свечение вызвано переходом возб. молекул в осн. состояние. Этот переход при рекомбинации ионов. Причем молекулы разных газов испускают излучения разной длины волны. Поэтому свечение “+” столба имеет характерный для каждого газа цвет. Это обстоятельство исп. газосветных трубках. Для изготовления светящихся надписей и рекламы. Эти надписи не что иное как “+” столб имеющего размера. Неоновые газоразрядные трубки дают красное свечение, аргоновые – голубые, водородные – сиреневое свечение.

Т.к. в разряж. газе мала конц. ионов, то общее кол – во энергии, вид. в газе небольшим. Поэтому свеч. разряж. газа назыв. холодным. Холодное свечение набл. а лампах дневного света. В них также исп. тлеющий разряд. В этом случае трубки заполняются парами ртути с примесью аргона, а стенки трубки покр. изнутри флуоресцирующим в – вом – люминофором. Под действием свечения, даваемым Hg и аргоном, люминофор светится. Такие лампы экономичнее ламп накаливания и дают спектр, близкий к спектру дневного света. В лаб. иссл. тлеющий разряд исп. в качестве источника ионных и электронных пучков. Примером Тл. разряда в ест. условиях явл. полярное сияние.

б) дуговой разряд возникает при сравн. неб. U ≈ 60В между двумя близко расп. друг от друга электродами. При атм. давлении имеет T^o около 5000 – 6000 К и сопр. ослеп. ярким свечением. Плотность тока в дуговом разряде достигает неск. тысяч ампер/м². Дуговой разряд обусловлен в осн. термоэл. эмиссией раскаленного катода. (Термоэл. эмиссия – испускание электронов раскал. телами). Первонач. нагрев катода происх. за счет теплоты, выд. током в месте соприкосновения электродов, которые имеют большое сопротивление. После этого электроды раздвигаются и эмитируемые электроны вызыв. в пространстве между электронами ударную ионизацию.

После этого катод поддерж. в накальном состоянии за счет бомбардировки его “+” ионами. Анод же бомбардируется мощным потоком электронов и в результате нагревается еще сильнее, чем катод. Это приводит к тому, что анод интенсивно испаряется и на его новое образованное углубление – кратер. Кратер является самым ярким местом дуги. В 1802 г. В.В.Петром был получен дуговой разряд. В настоящее время этот вид разряда исп. для сварки металлов, выплавке спец. сталей в дуговых печах для освещения.

Дуговой разряд в ртутных парах, нах. при пониженном давлении очень богат УФ – лучами, поэтому ртутные дуговые лампы исп. в качестве источника

УФ – лучей для научных исследований и для лечебных целей. Баллоны изгот. из кварцевого стекла, почти не поглощ. УФ – лучи, поэтому эти лампы еще назыв. кварцевыми.

в) искровой разряд, что происх. при напряженности поля ≈ 3*10⁵ В/м.

В газах, нах. при норм. и повыш. давлении он имеет вид светящегося извилистого разветвленного канала, мгновенно возникающего между электродами. Этот канал получил название стримера. Разряд носит прерывистый во времени характер: канал то вспыхивает, то гаснет и сопр. сильным треском. Искровой разряд обусловлен электронными и ион. лавинами, вызванными ударной и фотонной ионизациями и выбиванием электронов из катода “+” ионами.

При этих процессах выд. большое кол – во энергии, поэтому газ в канале разряда нагрев. до очень высоких T ≈ 10⁴ К, чем и обусловлено его свечение. Треск искрового разряда обусловлен звуковыми волнами, возникающими при резком расширении нагрев. в канале газа. Примером грандиозного искрового разряда в естественных условиях явл. молния. Она представляет собой эл. искру, проскакивающую между грозовым облаком и землей или между двумя грозовыми облаками. Длина молнии может достигать нескольких км. Диаметр канала ≈ 25см. Сила тока в канале 10⁵ А, продолжительность молнии 10^-6 с. В лаб. условиях с помощью искр. разряда получаю плазму. Искр. разряд исп. для предохр. эл. линий передач от перенапряжения, а также для воспл. горючей смеси в ДВС. При малой длине газоразрядного промежутка искровой разряд вызыв. разруш. нов. – металла. На этом основано искровое резание металла.

г) коронный разряд возникает при нормальном и повышенном давлении газа, который нах. в неоднородном эл. поле. Обычно это около заостр. частей электрода. Внешне коронный разряд представляет собой фиолетовое свечение газа, сопровождается шипением. Коронный разряд обусловлен ударной ионизацией газовых молекул электронами и ионами, которые разгоняются до больших скоростей эл. полем. Эти поля, как известно, существуют вблизи заостр. электродов. Свет испускается возб. молекулами газа при переходе их в нормальное состояние. Коронный разряд возникает около проводов высокого напряжения. На коронном разряде основано действие молниеотвода. Сильное эл. поле, возникающее в атмосфере во время грозы вызывает хороший разряд у вершины молниеотвода. Этот разряд непрерывно отводит в землю эл. заряды и тем самым предохр. здания от ударов молнии или принимает удар на себя.