Газовый разряд при пониженном давлении
В зависимости от давления газа,
конфигурации электродов и параметров внешней цепи существует четыре типа
самостоятельных разрядов:
- тлеющий разряд;
- искровой разряд;
- дуговой разряд;
- коронный разряд.
1. Тлеющий разряд возникает при низких давлениях. Его можно наблюдать в стеклянной
трубке с впаянными у концов плоскими металлическими электродами (рис. 8.5). Вблизи катода
располагается тонкий светящийся слой, называемый катодной светящейся пленкой 2.
Между катодом и пленкой находится астоново темное
пространство 1. Справа от
светящейся пленки помещается слабо светящийся слой, называемый катодным
темным пространством 3.
Этот слой переходит в светящуюся область, которую называют тлеющим свечением 4, с тлеющим пространством
граничит тёмный промежуток – фарадеево тёмное пространство 5. Все перечисленные слои образуют катодную
часть тлеющего разряда. Вся остальная часть трубки заполнена святящимся
газом. Эту часть называют положительным столбом 6.
Рис. 8.5
При понижении давления катодная
часть разряда и фарадеево тёмное пространство увеличивается, а положительный
столб укорачивается.
Измерения показали, что почти все падения потенциала
приходятся на первые три участка разряда (астоново темное пространство,
катодная святящаяся плёнка и катодное тёмное пятно). Эту часть напряжения, приложенного
к трубке, называют катодным падением потенциала.
В области тлеющего свечения потенциал не изменяется –
здесь напряженность поля равна нулю. Наконец, в фарадеевом тёмном пространстве
и положительном столбе потенциал медленно растёт.
Такое распределение потенциала вызвано образованием в
катодном темном пространстве положительного пространственного заряда, обусловленного
повышенной концентрацией положительных ионов.
Положительные ионы, ускоренные катодным падением
потенциала, бомбардируют катод и выбивают из него электроны. В астоновом темном
пространстве эти электроны, пролетевшие без столкновений в область катодного
тёмного пространства, имеют большую энергию, вследствие чего они чаще
ионизируют молекулы, чем возбуждают. Т.е. интенсивность свечения газа
уменьшается, но зато образуется много электронов и положительных ионов.
Образовавшиеся ионы в начале имеют очень малую скорость и потому в катодном
тёмном пространстве создаётся положительный пространственный заряд, что и приводит
к перераспределению потенциала вдоль трубки и к возникновению катодного падения
потенциала.
Электроны, возникшие в катодном тёмном пространстве,
проникают в область тлеющего свечения, которая характеризуется высокой
концентрацией электронов и положительных ионов коленарным пространственным
зарядом, близким к нулю (плазма). Поэтому напряженность поля здесь очень мала.
В области тлеющего свечения идёт интенсивный процесс рекомбинации, сопровождающийся
излучением выделяющейся при этом энергии. Таким образом, тлеющее свечение есть,
в основном, свечение рекомбинации.
Из области тлеющего свечения в фарадеево тёмное
пространство электроны и ионы проникают за счёт диффузии. Вероятность рекомбинации
здесь сильно падает, т.к. концентрация заряженных частиц невелика. Поэтому в
фарадеевом тёмном пространстве имеется поле. Увлекаемые этим полем электроны
накапливают энергию и часто в конце концов возникают условия, необходимые для
существования плазмы. Положительный столб представляет собой газоразрядную
плазму. Он выполняет роль проводника, соединяющего анод с катодными частями
разряда. Свечение положительного столба вызвано, в основном, переходами
возбужденных молекул в основное состояние.
2. Искровой разряд возникает в газе обычно при давлениях порядка атмосферного. Он характеризуется
прерывистой формой. По внешнему виду искровой разряд представляет собой пучок
ярких зигзагообразных разветвляющихся тонких полос, мгновенно пронизывающих
разрядный промежуток, быстро гаснущих и постоянно сменяющих друг друга (рис.
8.6). Эти полоски называют искровыми каналами.
 | Тгаза = 10 000 К ~ 40 см I = 100 кА t = 10–4 c l ~ |
Рис. 8.6
После того, как разрядный
промежуток «пробит» искровым каналом, сопротивление его становится 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 этого импульса тока разряд прекращается.
Напряжение между электродами начинает повышаться до прежнего значения, и пробой
газа повторяется с образованием нового искрового канала.
В естественных природных условиях искровой разряд
наблюдается в виде молнии. На рисунке 8.7 изображен пример искрового разряда –
молния, продолжительностью 0,2 ÷ 0,3 с силой тока 104 – 105 А, длиной
20 км
(рис. 8.7).
Рис. 8.7
3. Дуговой
разряд. Если после
получения искрового разряда от мощного источника постепенно уменьшать
расстояние между электродами, то разряд из прерывистого становится непрерывным,
возникает новая форма газового разряда, называемая дуговым разрядом (рис. 8.8).
При этом ток резко увеличивается, достигая десятков и
сотен ампер, а напряжение на разрядном промежутке падает до нескольких десятков
вольт. Согласно В.Ф. Литкевичу (1872 –
1951), дуговой разряд поддерживается, главным образом, за счет
термоэлектронной эмиссии с поверхности катода. На практике – это сварка, мощные
дуговые печи.
4. Коронный разряд (рис. 8.9).возникает в сильном неоднородном электрическом поле при
сравнительно высоких давлениях газа (порядка атмосферного). Такое поле можно
получить между двумя электродами, поверхность одного из которых обладает
большой кривизной (тонкая проволочка, острие).
Рис. 8.9
Наличие второго электрода необязательна, но его роль
могут играть ближайшие, окружающие заземленные металлические предметы. Когда
электрическое поле вблизи электрода с большой кривизной достигает примерно 3∙106 В/м, вокруг него возникает свечение, имеющее вид оболочки или
короны, откуда и произошло название заряда.
Источник
Разрядв
газе, сохраняющийся после прекращения
действия внешнего ионизатора,
называется самостоятельным.
Рассмотрим
условия возникновения самостоятельного
разряда. Как уже указывалось в § 106,
при больших напряжениях между электродами
газового промежутка (см. рис. 156) ток
сильно возрастает (участки CD
и
DE
на
рис. 157). При больших напряжениях
возникающие под действием внешнего
ионизатора электроны, сильно ускоренные
электрическим полем, сталкиваясь с
нейтральными молекулами газа, ионизируют
их, в результате чего образуются вторичные
электроны и положительные ионы
(процесс 1 на рис. 158). Положительные ионы
движутся к катоду, а электроны — к аноду.
Вторичные электроны вновь ионизируют
молекулы газа, и, следовательно, общее
количество электронов и ионов будет
возрастать по мере продвижения электронов
к аноду лавинообразно. Это является
причиной увеличения электрического
тока на участке CD
(см.
рис. 157). Описанный процесс называется
ударной
ионизацией.
Однако
ударная ионизация под действием
электронов недостаточна для поддержания
разряда при удалении внешнего ионизатора.
Для этого необходимо, чтобы электронные
лавины «воспроизводились», т. е. чтобы
в газе под действием каких-то процессов
возникали новые электроны. Такие
процессы схематически показаны на рис.
158: 1) ускоренные полем положительные
ионы, ударяясь о катод, выбивают из него
электроны (процесс 2);
2) положительные
ионы, сталкиваясь с молекулами газа,
переводят их в возбужденное состояние;
переход таких молекул в нормальное
состояние сопровождается испусканием
фотона (процесс 3);
3)
фотон, поглощенный нейтральной молекулой,
ионизирует ее, происходит так называемый
процесс фотонной ионизации молекул
(процесс 4);
4)
выбивание электронов из катода под
действием фотонов (процесс 5).
Наконец,
при значительных напряжениях между
электродами газового промежутка
наступает момент, когда положительные
ионы, обладающие меньшей длиной
свободного пробега, чем электроны,
приобретают энергию, достаточную для
ионизации молекул газа (процесс 6),
и
к отрицательной пластине устремляются
ионные лавины. Когда возникают кроме
электронных лавин еще и ионные, сила
тока растет уже практически без
увеличения напряжения (участок DE
на
рис. 157).
В
результате описанных процессов (1—6)
число
ионов и электронов в объеме газа
лавинообразно возрастает и разряд
становится самостоятельным, т. е.
сохраняется после прекращения
действия внешнего ионизатора.
Напряжение, при котором возникает
самостоятельный разряд, называется
напряжением
пробоя.
В зависимости от
давления газа, конфигурации электродов,
параметров внешней цепи можно говорить
о четырех типах самостоятельного
разряда: тлеющем, искровом, дуговом и
коронном.
Тлеющий
разряд возникает
при низких давлениях. Если к электродам,
впа-
172
янным в стеклянную
трубку длиной 30— 50 см, приложить
постоянное напряжение в несколько сотен
вольт, постепенно откачивая из трубки
воздух, то при давлении ж 5,3—6,7 кПа
возникает разряд в виде светящегося
извилистого шнура красноватого
цвета, идущего от катода к аноду. При
дальнейшем понижении давления шнур
утолщается, и при давлении ж 13 Па разряд
имеет вид, схематически изображенный
на рис. 159.
Непосредственно
к катоду прилегает тонкий светящийся
слой 1
— первое
катодное свечение, или
катодная
пленка, затем
следует темный слой 2
— катодное
темное пространство, переходящее
в дальнейшем в светящийся слой 3
— тлеющее
свечение, имеющее
резкую границу со стороны катода,
постепенно исчезающую со стороны анода.
Оно возникает из-за рекомбинации
электронов с положительными ионами. С
тлеющим свечением граничит темный
промежуток 4
—
фарадеево
темное пространство, за
которым следует столб ионизированного
светящегося газа 5
—
положительный
столб. Положительный
столб существенной роли в поддержании
разряда не имеет. Например, при
уменьшении расстояния между электродами
трубки его длина сокращается, в то время
как катодные части разряда по форме
и величине остаются неизменными. В
тлеющем разряде особое значение для
его поддержания имеют только две его
части: катодное темное пространство
и тлеющее свечение. В катодном темном
пространстве происходит сильное
ускорение электронов и положительных
ионов, выбивающих электроны с катода
(вторичная эмиссия). В области тлеющего
свечения же происходит ударная
ионизация электронами молекул газа.
Образующиеся при этом положительные
ионы устремляются к катоду и выбивают
из него новые электроны, которые, в свою
очередь, опять ионизируют газ и т. д.
Таким образом непрерывно поддерживается
тлеющий разряд.
При
дальнейшем откачивании трубки при
давлении ж 1,3 Па свечение газа ослабевает
и начинают светиться стенки трубки.
Электроны, выбиваемые из катода
положительными ионами, при таких
разрежениях редко сталкиваются с
молекулами газа и поэтому, ускоренные
полем, ударяясь о стекло, вызывают
его свечение, так называемую
катодолюминесценцию.
Поток
этих электронов исторически получил
название катодных
лучей. Если
в катоде просверлить малые отверстия,
то положительные ионы, бомбардирующие
катод, пройдя через отверстия, проникают
в пространство за катодом и образуют
резко ограниченный пучок, получивший
название каналовых
(или
положительных)
лучей, названных
по знаку заряда, который они несут.
Тлеющий
разряд широко используется в технике.
Так как свечение положительного
столба имеет характерный для каждого
газа цвет, то его используют в газосветных
трубках для светящихся надписей и реклам
(например, неоновые газоразрядные
трубки дают красное свечение, аргоновые
— синевато-зеленое). В лампах дневного
света, более экономичных, чем лампы
накаливания, излучение тлеющего разряда,
происходящее в парах ртути, поглощается
нанесенным на внутреннюю поверхность
трубки флуоресцирующим веществом
(люминофором), начинающим под воздействием
поглощенного излучения светиться.
Спектр свечения при соответствующем
подборе люминофоров близок к спектру
солнечного излучения. Тлеющий разряд
используется для катодного
напыления металлов.
Вещество катода в тлеющем разряде
вследствие бомбардировки положительными
ионами, сильно нагреваясь, переходит
в парообразное состояние. Помещая вблизи
катода различные предметы, их можно
покрыть равномерным слоем металла.
2.
Искровой разряд возникает
при больших напряженностях электрического
поля (Ё=3•106
В/м) в газе, находящемся под давлением
порядка атмосферного. Искра имеет вид
ярко светящегося тонко-
173
го канала, сложным
образом изогнутого и разветвленного.
Объяснение
искрового разряда дается на основе
стримерной
теории, согласно
которой возникновению ярко светящегося
канала искры предшествует появление
слабосветящихся скоплений ионизованного
газа — стримеров.
Стримеры
возникают не только в результате
образования электронных лавин посредством
ударной ионизации, но и в результате
фотонной ионизации газа. Лавины, догоняя
друг друга, образуют проводящие мостики
из стримеров, по которым в следующие
моменты времени и устремляются мощные
потоки электронов, образующие каналы
искрового разряда. Из-за выделения при
рассмотренных процессах большого
количества энергии газ в искровом
промежутке нагревается до очень высокой
температуры (примерно 104
К), что приводит к его свечению. Быстрый
нагрев газа ведет к повышению давления
и возникновению ударных волн,
объясняющих звуковые эффекты при
искровом разряде — характерное
потрескивание в слабых разрядах и
мощные раскаты грома в случае молнии,
являющейся примером мощного искрового
разряда между грозовым облаком и
Землей или между двумя грозовыми
облаками.
Искровой разряд
используется для воспламенения горючей
смеси в двигателях внутреннего
сгорания и предохранения электрических
линий передачи от перенапряжений
(искровые разрядники). При малой длине
разрядного промежутка искровой разряд
вызывает разрушение (эрозию) поверхности
металла, поэтому он применяется для
электроискровой точной обработки
металлов (резание, сверление). Его
используют в спектральном анализе
для регистрации заряженных частиц
(искровые счетчики).
3.
Дуговой разряд. Если
после зажигания искрового разряда
от мощного источника постепенно уменьшать
расстояние между электродами, то
разряд становится непрерывным —
возникает дуговой разряд. При этом сила
тока резко возрастает, достигая сотен
ампер, а напряжение на разрядном
промежутке падает до
ряд можно получить
от источника низкого напряжения минуя
стадию искры. Для этого электроды
(например, угольные) сближают до
соприкосновения, они сильно раскаляются
электрическим током, потом их разводят
и получают электрическую дугу (именно
так она была открыта В. В. Петровым). При
атмосферном давлении температура
катода приблизительно равна 3900 К. По
мере горения дуги угольный катод
заостряется, а на аноде образуется
углубление — кратер, являющийся
наиболее горячим местом дуги.
По современным
представлениям, дуговой разряд
поддерживается за счет высокой
температуры катода из-за интенсивной
термоэлектронной эмиссии, а также
термической ионизации молекул,
обусловленной высокой температурой
газа.
Дуговой разряд
находит широкое применение в народном
хозяйстве для сварки и резки металлов,
получения высококачественных сталей
(дуговая печь) и освещения (прожекторы,
проекционная аппаратура). Широко
применяются также дуговые лампы с
ртутными электродами в кварцевых
баллонах, где дуговой разряд возникает
в ртутном паре при откачанном воздухе.
Дуга, возникающая в ртутном паре, является
мощным источником ультрафиолетового
излучения и используется в медицине
(например, кварцевые лампы). Дуговой
разряд при низких давлениях в парах
ртути используется в ртутных выпрямителях
для выпрямления переменного тока.
4.
Коронный разряд —
высоковольтный электрический разряд
при высоком (например, атмосферном)
давлении в резконеоднородном поле
вблизи электродов с большой кривизной
поверхности (например, острия). Когда
напряженность поля вблизи острия
достигает 30 кВ/см, то вокруг него
возникает свечение, имеющее вид короны,
чем и вызвано название этого вида
разряда.
В зависимости от
знака коронирующего электрода различают
отрицательную или положительную корону.
В случае отрицательной короны рождение
электронов, вызывающих ударную ионизацию
молекул
174
катода
под действием положительных ионов, в
случае положительной — вследствие
ионизации газа вблизи анода. В естественных
условиях корона возникает под влиянием
атмосферного электричества у вершин
мачт (на этом основано действие
молниеотводов), деревьев.
Вредное действие короны вокруг проводов
высоковольтных линий передачи проявляется
в возникновении вредных токов утечки.
Для их снижения провода высоковольтных
линий делаются толстыми. Коронный
разряд, являясь прерывистым, становится
также источником радиопомех.
Используется
коронный разряд в электрофильтрах,
применяемых для очистки промышленных
газов от примесей. Газ, подвергаемый
очистке, движется снизу вверх в
вертикальном цилиндре, по оси которого
расположена коронирующая проволока.
Ионы, имеющиеся в большом количестве
во внешней части короны, оседают на
частицах примеси и увлекаются полем к
внешнему некоронирующему электроду
и на нем оседают. Коронный разряд
применяется также при нанесении
порошковых и лакокрасочных покрытий.
Соседние файлы в папке Трофимова Курс физики
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
Источник
Виды самостоятельного разряда и их техническое использование
В зависимости от давления газа, напряжения, приложенного к электродам, формы и характера расположения электродов различают следующие типы самостоятельного разряда: тлеющий, коронный, дуговой и искровой.
Тлеющий разряд наблюдается при пониженных давлениях газа (порядка 0,1 мм рт. ст.). Если к электродам, впаянным в стеклянную трубку, приложить постоянное напряжение в несколько сот вольт и затем постепенно откачивать воздух из трубки, то наблюдается следующее явление: при уменьшении давления газа в некоторый момент в трубке возникает разряд, имеющий вид светящегося шнура, соединяющего анод и катод трубки (рис. 1). При дальнейшем уменьшении давления этот шнур расширяется и заполняет все сечение трубки, а свечение вблизи катода ослабевает. Около катода образуется первое темное пространство 1, к которому прилегает ионный светящийся слой 2 (тлеющее свечение), который имеет резкую границу со стороны катода и постепенно исчезает со стороны анода. За тлеющим свечением наблюдается опять темный промежуток 3, называемый фарадеевым или вторым темным пространством. За ним лежит светящаяся область 4, простирающаяся до анода, или положительный столб.
Рис. 1
Особое значение в тлеющем разряде имеют только две его части — катодное темное пространство и тлеющее свечение, в которых происходят основные процессы, поддерживающие разряд. Электроны, ионизирующие газ, возникают в результате фотоэмиссии с катода и столкновений положительных ионов с катодом трубки.
В настоящее время тлеющий разряд широко используется в качестве источника света в различных газовых трубках В источниках дневного света разряд обычно происходит в парах ртути. Газовые трубки применяются также для рекламных и декоративных целей.
Тлеющий разряд используют для катодного распыления металлов, так как вещество катода в тлеющем разряде постепенно переходит в газообразное состояние и оседает в виде металлической пыли на стенках трубки. Помещая в тлеющий разряд различные предметы, покрывают их равномерными и прочными слоями металла. Этим способом пользуются для изготовления металлических зеркал высокого качества.
Рис. 2
Искровой разряд, часто наблюдаемый в природе, — молния. Молния — это разряд между двумя заряженными облаками или между облаком и землей. Носителями зарядов в облаках являются заряженные капельки воды или снежинки.
В лабораторных условиях искровой разряд можно получить, если постепенно увеличивать напряжение между двумя электродами, находящимися в атмосферном воздухе и имеющими такую форму, что электрическое поле между ними мало отличается от однородного. При некотором напряжении возникает электрическая искра. При этом искровой разряд с огромной быстротой пронизывает разрядный промежуток, гаснет и вновь возникает. Ярко светящийся изогнутый канал искры соединяет оба электрода и имеет сложное разветвление (рис. 2). Свечение в искре — результат интенсивных процессов ионизации. Звуковые эффекты, сопровождающие искру, порождаются повышением давления (до сотен атмосфер) вследствие нагревания газа (до 105 °С) в местах прохождения разряда. Искра возникает в том случае, если напряженность электрического поля в газе достигает некоторой определенной величины, которая зависит от рода газа и его состояния.
Если, оставляя напряжение постоянным, уменьшить расстояние между электродами, то напряженность поля в газовом промежутке будет увеличиваться. При некотором ее значении произойдет искровой разряд. Чем выше будет приложенное напряжение, тем больше будет расстояние между электродами, при котором произойдет искровой разряд. Принцип действия искрового вольтметра — прибора для измерения очень высоких напряжений — основан как раз на этом явлении.
Дуговой разряд можно наблюдать при следующих условиях: если после зажигания искрового разряда постепенно уменьшать сопротивление цепи, то сила тока в искре будет увеличиваться. Когда сопротивление цепи станет достаточно малым, возникнет новая форма газового разряда, называемого дуговым. При этом сила тока резко увеличивается, достигая десятков и сотен ампер, а напряжение на разрядном промежутке уменьшается до нескольких десятков вольт. Это показывает, что в разряде возникают новые процессы, сообщающие газу очень большую электропроводность.
В настоящее время электрическую дугу, горящую при атмосферном давлении, чаще всего получают между специальными угольными электродами. Наиболее горячим местом дуги является углубление, образующееся на положительном электроде и называемое кратером дуги. Его температура при атмосферном давлении около 4000 °С.
Электрическая дуга является мощным источником света и широко применяется в проекционных, прожекторных и других осветительных установках. Вследствие высокой температуры дуга широко применяется для сварки и резки металлов. Высокую температуру дуги используют также при устройстве дуговых электрических печей, играющих важную роль в современной электрометаллургии.
Коронный разряд наблюдается при сравнительно высоких давлениях газа (например, при атмосферном давлении) в резко неоднородном электрическом поле. Для получения значительной неоднородности поля электроды должны иметь резко различающиеся поверхности, т.е. один электрод — очень большую поверхность, а другой — очень малую. Так, например, коронный разряд можно легко получить, располагая тонкую проволоку внутри металлического цилиндра, радиус которого значительно больше радиуса проволоки.
Напряженность поля вблизи проволоки имеет наибольшее значение. Когда напряженность поля достигает значения Ε ≈ 3 МВ/м, между проволокой и цилиндром зажигается разряд, и в цепи появляется ток. При этом возле проволоки наблюдается свечение, имеющее вид оболочки или короны, окружающей проволоку, откуда и произошло название разряда.
Коронный разряд возникает как при отрицательном потенциале на проволоке (отрицательная корона), так и при положительном (положительная корона), а также при переменном напряжении между проволокой и цилиндром.
Коронный разряд используется в технике для устройства электрофильтров, предназначенных для очистки промышленных газов от твердых и жидких примесей.
В природе коронный разряд возникает иногда под действием атмосферного электрического поля на ветках деревьев, верхушках мачт (так называемые огни святого Эльма). Коронный разряд может возникнуть на тонких проводах, находящихся под напряжением. Возникновением коронного разряда на остриях проводников объясняется действие громоотвода, защищающего здания и линии передач от ударов молнии.
Литература
Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. — Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. — C. 289-291.
Источник
