Физика. 10 класс
Виды самостоятельного газового разряда и их применение. В зависимости от напряжённости электрического поля, давления газа, формы и вещества электродов различают следующие виды самостоятельного газового разряда: тлеющий, дуговой, коронный и искровой.
Тлеющий разряд характеризуется небольшой силой тока (десятки миллиампер), относительно высоким напряжением (десятки и сотни вольт), низким давлением газа (десятые доли миллиметра ртутного столба). Тлеющий разряд широко используют в различных газосветных трубках ( рис. 206 ), применяемых для световой рекламы и декораций, лампах дневного света ( рис. 207 ), неоновых лампах.
Дуговой разряд представляет собой столб ярко светящегося газа ( рис. 208 ). Он характеризуется большой силой тока (десятки и сотни ампер) и сравнительно небольшим напряжением (несколько десятков вольт). Дуговой разряд является мощным источником света. Его используют в осветительных установках, для сварки и резки металлов ( рис. 209 ), электролиза расплавов, в промышленных электропечах для плавки стали и др.
Интересно знать
В 1802 г. профессор физики Петербургской медико-химической академии В. В. Петров получил электрическую дугу. Он установил, что если присоединить к полюсам большой электрической батареи два кусочка древесного угля, привести их в соприкосновение, а затем слегка раздвинуть на небольшое расстояние, то между концами углей образуется яркое пламя, а сами концы углей раскаляются добела, испуская ослепительный свет (электрическая дуга). Впервые электрическая дуга была применена в 1876 г. русским инженером П. Н. Яблочковым для уличного освещения.
Коронный разряд возникает вблизи заострённой части проводника при атмосферном давлении под действием сильно неоднородного электрического поля. Он сопровождается слабым свечением, напоминающим корону, и характерным потрескиванием ( рис. 210 ).
Коронный разряд используют в электрофильтрах для очистки промышленных газов от твёрдых и жидких примесей. Однако возникновение коронного разряда вокруг высоковольтных линий электропередачи нежелательно, так как приводит к потерям электрической энергии.
Интересно знать
Часто перед грозой, во время шторма или снежной бури в атмосфере резко возрастает напряжённость электрического поля. Это приводит к возникновению слабого свечения вблизи заострённых предметов, например, вблизи корабельных мачт, шпилей на зданиях и др. (рис. 211). Моряки, бороздившие моря и океаны, часто наблюдали это явление (коронный разряд), которое получило название «огни Святого Эльма». Один из участников кругосветного плавания Магеллана писал: «Во время тех штормов нам много раз являлся сам Святой Эльм в виде света… чрезвычайно тёмными ночами на грот-мачте, где оставался в течение двух и более часов, избавляя нас от уныния».
Искровой разряд наблюдают при высоком напряжении ( рис. 212 ). Он сопровождается ярким свечением газа, звуковым эффектом, который создаётся резким повышением давления воздуха. Примером искрового разряда в природе служит молния ( рис. 213 ).
Интересно знать
Перед появлением молнии напряжение между облаком и поверхностью Земли достигает U ~ 10 8 – 10 9 В. Сила тока в молнии составляет I ~ 10 5 А, продолжительность разряда молнии — t ~ 10 –6 с, диаметр светящегося канала — d ~ 10–20 см. Извилистый вид молнии объясняется тем, что электрический разряд проходит через участки воздуха, имеющие наименьшее сопротивление. А такие участки расположены в воздухе случайным образом.
Виды и свойства электрических разрядов в газах
Электрические разряды в газах возникают под действием внешних факторов (электрических или магнитных полей, различного рода лучей, изменения температуры, освещенности и т. п.). Благодаря этим факторам в разрядном промежутке между катодом и анодом наряду с электронами образуются положительные и отрицательные ионы.
Движущиеся ионы сталкиваются с молекулами газа, образуются новые ионы. Процесс происходит лавинообразно до тех пор, пока не наступит равновесное состояние, при котором существует газовый разряд.
Различают самостоятельный и несамостоятельный электрические разряды в газах. Самостоятельный разряд продолжается и после прекращения действия внешнего ионизирующего фактора, несамостоятельный разряд в этом случае прекращается.
Подробно о том, каков механизм возникновения самостоятельного разряда смотрите здесь: Электронная эмиссия, ионизация воздуха и электрическая искра, а о том, что такое электрический пробой и электрическая прочность здесь: Виды и причины электрического пробоя
Газоразрядная натриевая лампа высокого давления — один из самых популярных источников уличного освещения
В зависимости от условий (температуры, давления, состава газа) различают несколько видов разрядов в газах:
Положительные ионы, образующиеся между электродами при ионизации газа, под действием приложенного к электродам напряжения приобретают большую скорость. Ударяясь о катод и выбивая из него электроны, они создают вторичную электронную эмиссию, которая и поддерживает разряд. Для тлеющего разряда характерен небольшой ток при большом напряжении между электродами.
При дуговом разряде положительный объемный заряд в газе компенсируется отрицательным зарядом электронов. Между электродами создается так называемый дуговой столб в виде газового разряда. Благодаря компенсации положительных и отрицательных зарядов между электродами будет малое падение напряжения. Изучение дугового разряда, называемого также электрической дугой, для техники высоких напряжений представляет специальный интерес.
В баллоне с газом при большом давлении (от десятых долей атмосферы и выше) газовый разряд не может существовать долго. Напряжение зажигания к тому же значительно возрастает. При достижении этого напряжения появляется искра и происходит искровой разряд. Когда сопротивление цепи разряда мало, искровой разряд может перейти в дуговой.
При быстром изменении полярности электрического поля ионы наряду с поступательным движением будут совершать и колебательные движения. Ионизация получается более интенсивной, и в разрядном пространстве появляется ток, хотя в этом случае катода нет. Такой разряд называется высокочастотным.
Электрическая корона: Коронные разряды или огни святого Эльма
Электрический разряд на ВЛ: Открытая дуга на линиях электропередачи
Пример использования искровых разрядов: Как работают свечи зажигания
Тлеющий разряд: Люминесцентная лампа, светящаяся под воздушной линией электропередачи
Декоративные газоразрядные лампы: Плазменные лампы Николы Тесла
Устройство для создания высоковольтных импульсных разрядов: Генератор Маркса и его использование
§ 40. Виды самостоятельных газовых разрядов
Яркие, а порой и опасные явления: молния, полярное сияние, пугающие неосведомленного человека «огни святого Эльма», разноцветное свечение газоразрядных трубок, ослепительный свет при сварке металла — всё это примеры различных самостоятельных газовых разрядов. От чего зависит и как возникает тот или иной электрический разряд в газах, вы узнаете из этого параграфа.
Знакомимся с искровым газовым разрядом
При атмосферном давлении и большом напряжении между электродами возникает искровой газовый разряд. Искорки, появляющиеся, когда вы снимаете синтетический свитер; молния во время грозы; искра, возникающая между заряженными кондукторами электрофорной машины (рис. 40.1), — все это примеры искрового разряда.
Искровой разряд выглядит как яркие разветвляющиеся зигзагообразные полоски Он длится всего несколько десятков микросекунд и обычно сопровождается характерными звуковыми эффектами (потрескивание, треск, гром и т. п.). Дело в том, что температура газа, а следовательно, и давление в области разряда резко повышаются, в результате чего воздух быстро расширяется и возникают звуковые волны.
В технике искровой разряд используют, например, в свечах зажигания бензиновых двигателей (рис. 40.2), для обработки особо прочных металлов.
Пример грандиозного искрового разряда в природе — молния.
Было установлено, что во время грозы происходит перераспределение зарядов в грозовой туче, поэтому разные части тучи заряжаются зарядами противоположных знаков. Обычно нижние слои тучи имеют отрицательный заряд, а верхние — положительный.
Напряжение между двумя тучами, обращенными друг к другу разноименно заряженными частями, или напряжение между тучей и Землей достигают нескольких сотен миллионов вольт. Благодаря ударной
ионизации, а далее — ионизации излучением, которое сопровождает разряд, в электрическом поле между тучами появляются лавины свободных ионов и электронов, то есть возникает кратковременный самостоятельный газовый разряд — молния. Сила тока в канале молнии достигает сотен тысяч ампер.
Электрические свойства молнии первыми начали изучать независимо друг от друга российский ученый М. В. Ломоносов (рис. 40.3) и американский исследователь Б. Франклин (рис. 40.4).
Защищаемся от удара молнии
Подсчитано, что в атмосфере земного шара каждую секунду проскакивает около 100 молний, и каждая двадцатая из них ударяет в землю, принося порой немалый вред. Удар молнии может вызвать лесные пожары, вывести из строя линии электропередачи и даже привести к гибели людей.
Чтобы не стать жертвой удара молнии, следует помнить, что молния чаще ударяет в относительно высокие предметы. Во время грозы нужно соблюдать следующие основные правила.
• Оказавшись во время грозы в поле, нельзя бежать, — наоборот, нужно лечь, чтобы не возвышаться над местностью.
• Во время грозы в лесу нельзя прятаться под высокими деревьями, а в поле — под одиночно стоящим деревом, копной сена и т. п.
• Во время грозы нельзя купаться в открытых водоемах, а находясь высоко в горах, лучше прятаться в пещере или под глубоким уступом.
• Если гроза застала в автомобиле, не нужно выходить из него; следует закрыть окна и двери и переждать непогоду.
• Во время грозы нельзя запускать воздушного змея: мокрая веревка становится проводником электричества, и молния может ударить в змея. При этом заряды пройдут через руку и тело человека в землю. Именно так во время эксперимента погиб друг и коллега М. В. Ломоносова российский ученый Георг Рихман (1711-1753) (рис. 40.5).
Знакомимся с коронным газовым разрядом
Перед грозой или во время грозы у острых выступов предметов иногда можно наблюдать слабое фиолетовое свечение в виде короны, охватывающей острие. Исследования показывают, что причина этого явления — самостоятельный газовый разряд, который назвали коронным (рис. 40.6). Выясним, почему и как возникает коронный газовый разряд.
На поверхности Земли под действием электрического поля грозовой тучи скапливаются (индуцируются) заряды, по знаку противоположные заряду нижнего слоя тучи. Особенно плотно такие заряды расположены на острых частях предметов. В результате электрическое поле у острия оказывается настолько сильным, что заряд стекает с заостренного предмета, ионизируя окружающий воздух. Поле является сильным только около острия, поэтому коронные разряды наблюдаются лишь возле острых частей предметов.
На возникновении коронного разряда основано действие молниеотвода. Молниеотвод представляет собой заостренный металлический стержень, соединенный толстым проводником с металлическим предметом (см. рис. 40.7). Стержень устанавливают выше самой высокой точки защищаемого дома, а металлический предмет закапывают глубоко в землю (на уровне грунтовых вод). Во время грозы на конце молниеотвода возникает коронный разряд. В результате заряд не скапливается на доме, а стекает с острия молниеотвода.
Считается, что молниеотвод изобрел Б. Франклин в 1752 г. Однако подобные конструкции существовали и раньше. Так, для защиты от молнии моряки Древней Греции привязывали веревку к лезвию меча, сам меч прикрепляли к мачте, а конец веревки опускали в море.
Наблюдаем дуговой газовый разряд
В 1802 г. российский физик Василий Владимирович Петров (1761-1834) провел следующий опыт. Он присоединил два угольных электрода к полюсам большой электрической батареи, соединил электроды друг с другом, а потом немного раздвинул. Между кончиками электродов ученый наблюдал яркое дугообразное пламя, а сами кончики накалялись, излучая ослепительный белый свет. Так был получен еще один вид самостоятельного газового разряда — дуговой газовый разряд (электрическая дуга) (рис. 40.8). Какова же причина его возникновения?
Когда электроды соединены, электрическая цепь замкнута и в ней идет достаточно сильный электрический ток. В месте соединения сопротивление цепи наибольшее, следовательно, именно здесь, согласно закону Джоуля — Ленца, выделяется наибольшее количество теплоты. Концы электродов накаляются до 4000-7000 °С, и с поверхности катода начинают «испаряться» электроны.
Теперь, даже если электроды развести, через газовый промежуток между ними будет проходить ток, так как в газе между электродами будет достаточное количество свободных заряженных частиц (свободные электроны, «испарившиеся» с катода, а также свободные электроны и ионы, появившиеся в результате ионизации газа из-за высокой температуры). В дальнейшем высокая температура катода и анода поддерживается бомбардировкой электродов положительными и отрицательными ионами и электронами, ускоренными электрическим полем.
Высокая температура ионизированного газа при дуговом разряде, а также излучение
света, сопровождающее такой разряд, обеспечили широкое применение электрической дуги в науке, технике, промышленности. Электрическая дуга «работает» как мощный источник света в прожекторах. В металлургии применяют электропечи, в которых используют дуговой разряд; жаром электрической дуги сваривают металлы и т. д. (рис. 40.9).
Выясняем условия возникновения тлеющего газового разряда
При низком давлении, составляющем десятые и сотые доли миллиметра ртутного столба, можно наблюдать свечение разреженного газа — тлеющий газовый разряд. Напомним, что при низком давлении расстояние между частицами настолько велико, что даже в слабом электрическом поле электроны успевают за время между столкновениями с частицами газа приобрести энергию, достаточную для ударной ионизации.
Тлеющий разряд используют в лампах дневного света (люминесцентных трубках), в квантовых источниках света — газовых лазерах. Кроме того, его применяют в цветных газоразрядных трубках: цвет свечения при тлеющем разряде определяется природой газа, а следовательно, может быть разным.
Различают четыре основных вида самостоятельных газовых разрядов. Искровой газовый разряд возникает при атмосферном давлении и большом напряжении между электродами. Он представляет собой яркие разветвленные зигзагообразные полоски. Пример гигантского искрового разряда — молния. Удар молнии может привести к гибели, поэтому во время грозы необходимо строго соблюдать правила безопасности.
Самостоятельный газовый разряд, образующийся в сильном электрическом поле вблизи острых выступов предметов, называют коронным газовым разрядом.
При температуре 4000-7000 °С между электродами, разведенными на небольшое расстояние, возникает газовый разряд, сопровождающийся очень ярким свечением в форме дуги, — дуговой газовый разряд.
При низком давлении (десятые и сотые доли миллиметра ртутного столба) можно наблюдать свечение разреженного газа вследствие тлеющего разряда.
1. Перечислите основные виды самостоятельных газовых разрядов.
2. Приведите примеры искрового газового разряда. При каких условиях он возникает? 3. Что такое молния? Когда и почему она возникает?
4. Назовите основные правила безопасности, которые следует соблюдать во время грозы. 5. Что представляет собой коронный разряд? Где его применяют? 6. Какие особенности дугового разряда обеспечили его широкое применение? 7. При каких условиях возникает тлеющий разряд? Где его используют?
6. Вы изучили физические величины, характеризующие прохождение тока в участке цепи, и проследили связь между ними.
ГЛАВА 5. ОСНОВНЫЕ ВИДЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО РАЗРЯДА В ГАЗЕ
Электрические разряды в газе подразделяются на самостоятельные и не — самостоятельные . Несамостоятельным называется разряд , требующий для его поддержания независимого источника заряженных частиц ( нагревание катода , облучение газа светом , рентгеновским или радиоактивным излучением ). Самостоятельным называется разряд , в котором генерация зарядов и их движение в разрядном промежутке осуществляется только за счёт энергии внешнего электрического поля . Самостоятельный разряд в свою очередь подразделяется на несколько ти — пов : 1. Тлеющий разряд характеризуется большим катодным падением потен — циала и своеобразным чередованием тёмных и светлых полос . Тлеющий разряд возникает при средних давлениях (0,1-10 4 Па ) и среднем внутреннем сопротив — лении источника питания . 2. Дуговой разряд возникает при высоких давлениях и наличии мощного источника питания . 3. Искровой разряд имеет вид зигзагообразных ломаных линий , сопровож — дается характерными звуковыми эффектами . Искровой разряд возникает при высоком давлении и наличии высоковольтного , но маломощного источника питания . Можно отметить также такие виды разрядов как коронный , факельный , высокочастотный ( ВЧ ) и сверхвысокочастотный ( СВЧ ).
5.2. Несамостоятельный газовый разряд
Несамостоятельный разряд был впервые экспериментально исследован Столетовым при изучении фотоэффекта . Объяснение основных закономерно — стей несамостоятельного разряда было дано Таунсендом в его теории элек — тронных лавин . Рассмотрим процессы между двумя находящимися в газовой среде плоскими электродами , к которым приложена разность потенциалов U а ( рис .5.1.). Допустим , что 1) Напряжённость поля в пространстве между электродами постоянна и равна U/d. 2) Напряжённость поля достаточно велика , чтобы обеспечить направлен — ное движение электронов и ионов . 3) Из катода под действием внешних факторов в единицу времени выхо — дит ν электронов .
Рис .5.1. Развитие лавины в разрядном промежутке Двигаясь в электрическом поле , электроны приобретают энергию и иони — зируют газ , что приводит к образованию электронной лавины , схематически показанной на рисунке . Число электронов , образованных в единицу времени на отрезке dx будет равно a×n x × dx = d n x , где a — число электронов , образованных одним электроном на пути в 1 см ( первый коэффициент Таунсенда ). Разделим переменные : d n x / n x = a× dx (5.1) и проинтегрируем
| n a = n к × e a× d | (x=0 n x = n 0 ; x=d n x = n a ) |
n a — число электронов , попадающих в единицу времени на анод . Умножив обе части на заряд электрона , получим связь между электрон — ным током на анод и током электронной эмиссии с катода :
| I a = I к × e a× d | (5.2) |
В более общем случае , когда из — за сложной конфигурации электродов или влияния объёмного заряда напряжённость поля непостоянна , можно записать :
| d | |
| ò | a× dx |
| I a = I к × e 0 | (5.3) |
Величина I a /I к = exp( a× d) носит название коэффициента газового усиления . Эффект газового усиления тока при несамостоятельном разряде используется в газонаполненных фотоэлементах . Расчёты коэффициента газового усиления по приведённым выше форму — лам в ряде случаев приводят к заниженным значениям . Это связано с неучётом явления выбивания электронов из катода положительными ионами . Эмиссия электронов под действием ударов положительных ионов характеризуется ко — эффициентом g — числом электронов , выбиваемых из катода одним ионом . Принимая во внимание эмиссию электронов под действием ударов поло — жительных ионов можно получить следующий закон нарастания тока в между — электродном промежутке :
| I a = I к × | e a× d | (5.4) |
| 1 — g × ( e a× d — 1 ) |
Следует подчеркнуть , что I к — это лишь электронная доля катодного тока , вызванная внешними факторами . Входящий в уравнение коэффициент объём — ной ионизации a зависит от напряжённости электрического поля и средней длины свободного пробега электрона . Характер этой зависимости был установ — лен Таунсендом :
| a | = A × e — | B |
| E/P | (5.5) | |
| P |
А и В — постоянные , зависящие от рода газа : А = I/ l е 0 ; В = U i / l е 0 где l е 0 — длина свободного пробега электрона в данном газе ; U i — потенциал ионизации газа . На практике обычно пользуются коэффициентами А и В , найденными экс — периментальным путём . Коэффициент вторичной эмиссии g определяется энер — гией бомбардирующих катод положительных ионов , которая увеличивается с увеличением напряжённости поля и уменьшением давления . Поэтому можно записать :
| g = f( Е / Р ) | (5.6) |
5.3. Условие развития самостоятельного разряда Пробой разрядного промежутка Проанализируем подробнее выражение (5.4.) e a× d I a = I к × 1 — g × ( e a× d — 1 ) Обычно g — величина малая и произведение g× (exp( a× d)-1) меньше единицы . При этом уменьшение тока с катода под действием посторонних факторов будет приводить к уменьшению анодного тока . При I к =0 окажется равным ну — лю и ток на анод , что подтверждает несамостоятельность разряда . Если при неизменном I к увеличивать анодный ток за счёт увеличения exp( a× d) и уменьшения (1- g× (exp( a× d)-1)) путём подбора соответствующих ус — ловий , это будет объясняться увеличением интенсивности электронных лавин , развивающихся между электродами . Однако как бы ни была мала величина (1- g× (exp( a× d)-1)), анодный ток бу — дет иметь место только при наличии эмиссионного тока под действием внеш — них факторов , т . е . разряд будет оставаться несамостоятельным . Предположим , что в результате увеличения exp( a× d) член знаменателя g× (exp( a× d)-1) станет равным единице , а весь знаменатель равным нулю . Формально это означает , что при I к =0 в правой части уравнения имеется неопределённость . При этих ус —
ловиях анодный ток будет иметь место даже при отсутствии эмиссии электро — нов из катода под действием внешних факторов . Электронные лавины стано — вятся настолько мощными , количество ионов , возникающих в объёме столь ве — лико , что эмиссия электронов из катода под действием ионной бомбардировки обеспечивает разряд . Таким образом , выражение
| g × ( e a× d — 1 ) = 1 | (5.7) |
характеризует условие , при которых разряд переходит из несамостоятельного в самостоятельный . Это условие имеет следующий физический смысл : разряд становится самостоятельным , если один выходящий из катода электрон поро — ждает такое количество положительных ионов , которые приходя к катоду , вы — бивают из него не менее одного электрона . Ранее было отмечено , что коэффициенты a / Р и g являются функциями приведённой напряжённости поля Е / Р . Учитывая это условие перехода разряда из несамостоятельного в самостоятельный можно записать :
| f 1 | æ | P × d × f 2 ( E | ) | ö | = 1 | (5.8) |
| ( E ) × ç e | P | — 1 ÷ | ||||
| P | è | ø | ||||
Напомним , что речь идёт о моменте , предшествующем развитию разряда , когда объёмный заряд электронов и ионов ещё невелик и существенного влия — ния на распределение потенциала между электродами не оказывает . При этом распределение потенциала можно считать линейным и напряжённость поля по — стоянной : Е = U/d (5.9) Тогда уравнение можно переписать в виде :
| æ | U ö | æ | æ | U ö | ö | ||
| è | ø | ||||||
| P × d × f ç | ÷ | ||||||
| f ç | ÷ | × ç e | P × d | — 1 ÷ | = 1 | (5.10) | |
| è | P × d ø | ç | ÷ | ||||
| è | ø | ||||||
Это уравнение показывает , что напряжение зажигания самостоятельного разряда является функцией произведения давления на расстояние между элек — тродами U 3 =f(P × d). Эта зависимость ещё до появления теории Таунсенда была исследована экспериментально Пашеном в широком диапазоне условий , по — этому соответствующие кривые носят название кривых Пашена . Типичный вид зависимости напряжения зажигания от произведения давления на расстояние между электродами приведён на рис .5.2. Наличие минимума на кривой связано с тем , что по мере увеличения вели — чины Р × d увеличивается частота столкновений электронов с молекулами газа , что приводит к увеличению вероятности ионизации , но в то же время уменьша — ется энергия , приобретаемая электронами между столкновениями , что вызыва — ет уменьшение вероятности ионизации . Напряжение зажигания разряда являет — ся одной из важнейших характеристик ионных приборов и это послужило при — чиной многочисленных исследований по влиянию материала электродов и со — става газа на потенциал зажигания .
| U з |
| P*d |
| Рис .5.2. Типичный вид кривой Пашена |
Было найдено , что напряжение зажигания уменьшается при уменьшении работы выхода электронов из катода ( коэффициент γ зависит от работы выхо — да ). При изготовлении некоторых типов ионных приборов для уменьшения по — тенциала зажигания разряда производится активация катода веществами , сни — жающими работу выхода ( например , барием , цезием и др .). Напряжение зажигания сильно понижается при добавлении к основному газу легкоионизируемой примеси . Это может быть связано как с меньшим по — тенциалом ионизации примеси , так и с эффектом Пеннинга , когда метаста — бильные атомы основного газа ионизируют атомы или молекулы примеси . За — кон Пашена может нарушаться при сильном уменьшении давления газа , когда средняя длина свободного пробега становится соизмеримой с расстоянием ме — жду электродами . Кроме того отклонения от закона Пашена наблюдаются и при давлениях больше 1 атм , когда разряд развивается в виде искры . 5.3.1 Тлеющий разряд Для тлеющего разряда характерно наличие двух резко различающихся участков : небольшой по протяжённости катодной области , в которой имеется большое падение потенциала , и положительного столба , представляющего со — бой плазму . На рис .5.3. показаны основные области тлеющего разряда и рас — пределение потенциала по длине разрядного промежутка . 94
Электроны , покидающие катод под действием ударов положительных ио — нов , имеют малые начальные энергии , поэтому процессы возбуждения и иони — зации малоэффективны и наблюдается тёмная область (1), толщина которой весьма мала . По мере движения в поле катодного падения потенциала энергия электронов увеличивается и там , где она достаточна для возбуждения молекул газа , наблюдается катодное свечение (2). На некотором расстоянии от катода ( в пределах тлеющего свечения ) энергия электронов оказывается достаточной для ионизации атомов . Так как с ростом вероятности ионизации увеличение энер — гии приводит и к уменьшению вероятности возбуждения , наблюдается сравни — тельно тёмное Круксово пространство (3). Слабое свечение этой области связа — но с наличием сравнительно небольшого количества актов возбуждения . Внешняя граница этого тёмного пространства примерно совпадает с границей катодного падения потенциала . Кривая распределения потенциала имеет в этой области максимум , а напряжённость поля падает до нуля . Начиная с этого участка резко изменяется характер движения электронов и ионов . Если на участке катодного падения потенциала заряженные частицы двигаются в сильном электрическом поле в осевом направлении , то в области сильно ионизированного газа и практически отсутствующего электрического поля движение их преимущественно хаотическое .
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | ||
| К | А | ||||||||
x Рис .5.3. Структура и распределение потенциала тлеющего разряда : 1. Астоново тёмное пространство ; 2. Катодное свечение ; 3. Круксово тёмное пространство ; 4. Тлеющее свечение ; 5. Фарадеево тёмное пространство ; 6. Положительный столб ; 7. Анодное тёмное пространство ; 8. Анодное све — чение .
На беспорядочное движение накладывается направленное диффузионное движение электронов и ионов , что приводит к возникновению небольшого уча — стка тормозящего электрического поля в области тлеющего свечения (4) и Фа — радеева тёмного пространства (5). Частые потери энергии на ионизацию и от — сутствие ускоряющего поля приводят к уменьшению средней энергии элек — тронного газа . На внешней границе Круксова тёмного пространства ионизации почти нет , однако энергия электронов ещё достаточна для возбуждения моле — кул газа , поэтому визуально наблюдается область тлеющего свечения . Харак — тер свечения в этой области по мере удаления от катода становится всё более длинноволновым и постепенно свечение исчезает . Происходит переход к об — ласти Фарадеева тёмного пространства , где энергия электронов столь мала , что большинство из них соударяется с атомами упруго , а возбуждения и ионизации почти нет . В процессе диффузионного движения часть электронов и ионов рекомби — нирует на стенке . В связи с этим в Фарадеевом тёмном пространстве концен — трация зарядов в направлении анода уменьшается , что вызывает появление продольного градиента потенциала . Продольный градиент потенциала сообща — ет электронам дополнительную скорость , что приводит к появлению иониза — ции , компенсирующей гибель зарядов на стенке . За областью Фарадеева тёмного пространства образуется остов или столб разряда , простирающийся до анода . Характерно , что величина напряжённости поля в положительном столбе разряда устанавливается такой , что генерация новых зарядов компенсирует уход зарядов на стенки . В узких трубках , где уход зарядов на стенки велик , ус — танавливается более высокая напряжённость поля и средняя энергия электро — нов , чем в широких трубках . Положительный столб в осевом направлении мо — жет быть однородным или слоистым . Слоистый столб представляет собой ряд светящихся областей ( страт ), разделённых тёмными промежутками . Различают страты неподвижные и бегущие . Характерный для столба разряда баланс заря — женных частиц нарушается около анода . В прианодной области уход положи — тельных ионов по направлению к катоду не компенсируется приходом их и со стороны анода возникает объёмный отрицательный заряд , соответствующий анодному падению потенциала . 5.3.2 Количественная теория катодной области тлеющего разряда Из феноменологического описания тлеющего разряда следует , что необ — ходимые для его существования процессы происходят в катодных областях . Кроме того особенности процессов в катодных областях используются при по — строении ряда газоразрядных приборов ( например , стабилизаторов напряже — 96
ния ). Поскольку в катодной области имеется объёмный заряд , при решении за — дачи необходимо исходить из уравнения Пуассона :
| d 2 U | dE | 1 | æ | j | i | j | e | ö |
| = | = — | × ç | × E — | × E ÷ | (5.11) | |||
| dx 2 | dx | e 0 | b e | |||||
| è b i | ø | |||||||
j i ,b i — плотность ионного тока и подвижность ионов ; e 0 — диэлектрическая проницаемость . Индекс » е » относится к электронам . Сложный характер изменения напряжённости электрического поля в ка — тодной области затрудняет решение уравнения Пуассона , поэтому при по — строении теории эта зависимость аппроксимируется прямой линией . При этом напряжённость поля на катоде можно выразить через величину катодного па —
| дения потенциала следующим образом : | |||||||||||||||||||||||||||
| Е 0 = 2 Е ср = 2 D U к /d к | (5.12) | ||||||||||||||||||||||||||
| d к — ширина участка катодного падения потенциала . | |||||||||||||||||||||||||||
| В этом случае : | |||||||||||||||||||||||||||
| dE/dx = -E 0 /d к = -2 D U к /d к 2 | (5.13) | ||||||||||||||||||||||||||
| и уравнение Пуассона принимает вид : | |||||||||||||||||||||||||||
| dE | 1 | æ j | i к | j | e к | ö | |||||||||||||||||||||
| = — | × | ç | × | E 0 | — | × E 0 ÷ | (5.14) | ||||||||||||||||||||
| e 0 | |||||||||||||||||||||||||||
| dx | x=0 | è b i | b e | ø | |||||||||||||||||||||||
| или | 2 | ||||||||||||||||||||||||||
| D U | 1 | æ j | i к | j | e к | ö | |||||||||||||||||||||
| к | = — | × ç | — | ÷ | (5.15) | ||||||||||||||||||||||
| d к 2 | × e 0 | ||||||||||||||||||||||||||
| 4 | è b i | b e ø | |||||||||||||||||||||||||
| Учитывая , что электроны выбиваются из катода под действием ударов по — | |||||||||||||||||||||||||||
| ложительных ионов , можно записать : | |||||||||||||||||||||||||||
| j e к = g× j i к | ( а ) | ||||||||||||||||||||||||||
| так как g >b i , то | |||||||||||||||||||||||||||
| D U | 2 | j | к | ||||||||||||||||||||||||
| к | = — | ( б ) | |||||||||||||||||||||||||
| d к 3 | 4 | × e 0 | × b i × (1 + g ) | ||||||||||||||||||||||||
Чтобы исключить величину d к и получить связь D U к и j к воспользуемся тем , что в катодной области оправдывается условие g× (exp( a× d)-1)=1. Совместное решение уравнений ( а ) и ( б ) позволяет получить зависимость D U к от j к , которая представлена на рис .5.4. Константы С 1 и С 2 , входящие в масштабы вертикальной и горизонтальной осей , зависят от рода газа , материала катода и выражаются следующими фор —
| мулами : | A | ||
| C 1 | = 2 × | (5.16) | |
| B × ln(1 | + 1 / g ) | ||
| C 2 | = | ln(1 + 1 / γ ) | (5.17) |
| e 0 | × A × B 2 × P × b i × P 2 × (1 + g ) | ||
| где А и В коэффициенты уравнения Таунсенда . | |||
| C 1 | U k | ||
| C 2 | j k | ||
Рис . 5.4. Зависимость U k от j k Переход от зависимости j к =f(U к ) к вольт — амперной характеристике катод — ной области путём умножения плотности тока на площадь катода возможен лишь для правой кривой , которая соответствует режиму полного покрытия ка — тода свечением . При некотором значении тока на катоде устанавливается плот — ность тока j к n и катодное падение потенциала снижается до минимальной вели — чины D U к n . Дальнейшее уменьшение катодного тока ведёт не к уменьшению плотности тока , а к уменьшению площади катода , покрытой свечением . При этом плотность тока и катодное падение потенциала остаются неизменными . Действительная ВАХ разряда показана на рис .5.5.
| U k | c |
| a | b |
| U kn | |
| j kn | I a |
Рис .5.5. Вольт — амперная характеристика катодных областей тлеющего разряда Участок » а b» характеристики соответствует нормальному тлеющему раз — ряду , а участок «b с » — аномальному . Итак , для нормального тлеющего разряда характерны постоянные по ве — личине плотность тока j к n на катод и нормальное катодное падение потенциала D U к n . Величина U kn зависит от рода газа и материала электрода . Эффект посто — янства U к n при изменении тока нашёл применение в газоразрядных стабилиза — торах напряжения ( стабиловольтах ). Для каждой комбинации газ — материал катода существует также опреде — лённое значение j к n / Р 2 и Р × d к n , которые в области нормального тлеющего разря — да постоянны . В аномальном разряде закономерности сложнее и выводы тео — рии хуже совпадают с экспериментом . Поэтому обычно пользуются эмпириче — скими формулами для расчёта величин D U к и d к :
| D U к | = D U к n + | к | × (j к — j к n ) 12 | |||||
| P | ||||||||
| (5.18) | ||||||||
| a | b | |||||||
| d к = | + | |||||||
| P | ||||||||
| j к | ||||||||
где а , b, к — эмпирические постоянные , зависящие от рода газа и материала катода . В положительном столбе тлеющего разряда газ находится в состоянии плазмы ; вопросы теории плазмы будут кратко рассмотрены в одном из после — дующих разделов .
5.3.3 Дуговой разряд Дуговой разряд в виде электрической или вольтовой дуги был открыт В . В . Петровым в 1802 году . Дуговые разряды классифицируются по эмиссионным процессам на като — де . Можно установить четыре типа разрядов : 1. Дуга с термоэлектронной эмиссией , катод которой разогревается разря — дом , а дуга является самоподдерживающейся . 2. Дуга с термоэлектронной эмиссией , катод которой нагревается извне . 3. Дуга с автоэлектронной эмиссией . 4. Металлическая дуга . В зависимости от давления газа при разряде различают дугу низкого дав — ления ( Р
| U | |
| К | A |
| x | |
| Рис .5.6. Распределение потенциала в дуговом разряде |
Непосредственно перед катодом имеется участок катодного падения по — тенциала . Ширина его при дуговом разряде соизмерима со средней длиной свободного пробега электрона . Величина катодного падения потенциала в ду — говом разряде много меньше , чем в тлеющем . Она примерно равна потенциалу ионизации газа , которым наполнен прибор . Возможность горения разряда при таком малом U к обусловлена тем , что , во — первых , уменьшение протяжённости области катодного падения способст — вует поддержанию около катода значительного падения потенциала и , во — вторых , для поддержания высокой температуры пятна важна не энергия каждо — го иона в отдельности , а суммарная энергия всех ионов , приходящих на катод . Плотность энергии оказывается большой , т . к . ток дугового разряда велик . Вместе с тем катодное падение потенциала не может быть меньше потен — циала ионизации наполняющего газа , т . к . разгоняемые этим катодным падени — ем электроны должны интенсивно ионизировать газ . Столб дугового разряда , примыкающий к участку катодного падения по — тенциала , качественно аналогичен столбу тлеющего разряда . Количественные отличия связаны с тем , что плотность тока в дуге значительно больше , чем в тлеющем разряде . В прианодном участке , в зависимости от размеров , формы , материала ано — да и т . д . может наблюдаться как некоторое увеличение потенциала , так и его уменьшение . 101
Таким образом , напряжение горения дугового разряда складывается из D U к , падения напряжения в столбе и анодного падения потенциала , и в общем значительно меньше , чем в тлеющем разряде . Кроме термоэлектронной эмиссии в дуговых разрядах наблюдается элек — тростатическая эмиссия . Образованию сильного электрического поля около ка — тода способствует интенсивное испарение материала катода , создающее непо — средственно около него высокое давление пара . При этом средняя длина пробе — га электронов , а следовательно , и протяжённость участка катодного падения потенциала уменьшается до величин порядка 10 -7 м , что при значениях D U к по — рядка 10-20 вольт даёт среднюю напряжённость поля в катодном участке около 10 8 В / м . Это подтверждается тем , что при ртутном дуговом разряде светящееся катодное пятно представляет собой не свечение поверхности ртути , а свечение газа над поверхностью ртути . Температура ртути непосредственно под пятном не превышает 200 ° C. Термоэлектронная эмиссия не может создать ток значительной величины , т . к . напряжённость поля вблизи катода составляет порядка 10 6 В / м . Естествен — но предположить , что высокая плотность тока в разряде получается за счёт электростатической эмиссии . Вероятно также играет роль термическая иониза — ция газа в объёме и эмиссия с катода ударами положительных ионов . Вольт — амперная характеристика дуги является падающей . Обычно связь между током и напряжением в дуге выражается эмпирической формулой Айр — тона :
| U = a + b × L + | c + d × L | (5.19) | |||||
| I | |||||||
| где U — напряжение между электродами ; | |||||||
| I — сила тока ; | |||||||
| L — длина дуги ; | |||||||
| a, b, c и d — постоянные величины , зависящие от давления газа и от условий | |||||||
| охлаждения электродов , а следовательно от размеров и формы электродов . | |||||||
| Перепишем формулу в следующем виде : | |||||||
| c | æ | d ö | |||||
| U = a + | + L × ç b + | ÷ | (5.20) | ||||
| I | |||||||
| è | I ø | ||||||
Члены , содержащие множитель L, соответствуют падению потенциала в положительном столбе ; первые два члена характеризуют сумму катодного и анодного падений U к +U a . Динамическая характеристика дугового разряда сильно отличается от статических . На вид динамической характеристики ока — зывают влияния условия , определяющие режим дуги : расстояние между элек — тродами , величина внешнего сопротивления , самоиндукция , ёмкость внешней цепи , частота переменного тока и т . д . К дуговым разрядам следует отнести процессы , происходящие в ртутных выпрямителях . Такая дуга , образованная в парах тех веществ , из которых состоят электроды , при тщательном удалении других газов из разрядной трубки , носит название дуги в вакууме .
Характерной особенностью дуговых разрядов является высокая темпера — тура газа и электродов , составляющая несколько тысяч градусов Кельвина , и высокая интенсивность излучения зоны разряда . Поэтому дуговой разряд ши — роко используется для сварки и резки металлов , в качестве источника излуче — ния в дуговых плазмотронах и т . д . 5.3.4 Искровой разряд Искровой разряд , в отличии от других видов разряда , является прерыви — стым даже при пользовании источником постоянного напряжения . По внешне — му виду искровой разряд представляет собой пучок ярких зигзагообразных по — лос , постоянно сменяющих одна другую . Светящиеся полосы — искровые кана — лы — распространяются от обоих электродов . Разрядный промежуток в случае искры неоднороден , поэтому количественное исследование процессов в искро — вом разряде является затруднительным . Одним из основных методов исследо — вания искрового разряда является фотографирование . Потенциал зажигания искрового разряда весьма высок . Однако , когда промежуток уже пробит , сопротивление его резко уменьшается , и через про — межуток проходит значительный ток . Если мощность источника мала , то раз — ряд гаснет . После этого напряжение на разрядном промежутке снова возрастает и разряд вновь может зажечься . Такой процесс носит название релаксационных колебаний разряда . Если разрядный промежуток имеет большую ёмкость , каналы искры ярко светятся и производят впечатление широких полос . Это конденсированный ис — кровой разряд . Если между электродами находится какое — нибудь препятствие , то искра пробивает его , образуя более или менее узкое отверстие . Установлено , что тем — пература газа в канале искры может возрастать до очень больших значений (10000-12000 К ). Образование областей высокого давления и их передвижение в газе носят взрывной характер и сопровождаются звуковыми эффектами . Это может быть слабое потрескивание ( при незначительных избыточных давлени — ях ) или гром . Особым видом искрового разряда является скользящий разряд , происхо — дящий вдоль поверхности раздела какого — либо твёрдого диэлектрика и газа во — круг металлического электрода ( острия ), касающегося этой поверхности . Если в качестве диэлектрика использовать фотопластинку , то можно сделать эту картину видимой для глаза . Очертания , получаемые при помощи искрового разряда на поверхности диэлектрика , называют фигурами Лихтенберга . Фигу — ры Лихтенберга могут служить для определения полярности разряда и для оп — ределения высокого напряжения , т . к . максимальное напряжение разрядного импульса прямо пропорционально радиусу поверхности , которую занимает фи — гура . На этом принципе основаны приборы для измерения очень высоких на — пряжений — клинодографы . Если расстояние между электродами мало , то ис —
кровой разряд сопровождается разрушением анода — эрозией . Этот эффект ис — пользуется для точечной сварки и резки металлов . Опыты показали , что при значениях Р × d > 200 напряжение зажигания ис — крового разряда отличается от рассчитанного по теории Таунсенда — Роговского . При изучении искрового разряда были установлены два основных расхож — дения между теорией и практикой : 1) Напряжение зажигания искрового разряда при атмосферных давлениях не зависит от материала катода . В теории лавин природа катода играет важную роль в процессе пробоя . 2) Искра характеризуется прерывистым и нерегулярным характером , а теория лавин пригодна только для описания стационарных процессов в одно — родной сплошной среде . На основе многочисленных наблюдений над искровым разрядом в 1940 году Мик и независимо от него Ретер выдвинули новую теорию искрового раз — ряда , которая в дальнейшем получила название стримерной . Стример — это область газа с высокой степенью ионизации , распростра — няющаяся в направлении катода ( положительный стример ) или в направлении анода ( отрицательный стример ). Стримерная теория представляет собой тео — рию однолавинного пробоя . Согласно этой теории между электродами прохо — дит лавина электронов . После прохождения лавины электроны попадают на анод , а положительные ионы , имея значительно меньшие скорости , образуют конусообразное ионизированное пространство . Плотность ионов в этом про — странстве недостаточна для пробоя . Однако под действием фотоэлектронов возникают дополнительные лавины . Эти лавины будут двигаться к стволу главной лавины , если поле её пространственного заряда соизмеримо с прило — женным напряжением . Таким образом пространственный заряд непрерывно увеличивается и процесс развивается как самораспространяющийся стример . Когда напряжение , приложенное к разрядному промежутку , превышает мини — мальное пробивное значение , поле пространственного заряда , образованное ла — виной , будет соизмеримо с величиной внешнего поля , ещё до того , как лавина достигнет анода . В этом случае стримеры возникают в середине промежутка . Таким образом для возникновения стримера необходимо соблюдение двух ос — новных условий : 1) Поле лавины и поле , созданное приложенным к электродам напряжени — ем , должны находиться в определённом соотношении . 2) Фронт лавины должен излучать достаточное количество фотонов для поддержания и развития стримера . При большой мощности источника искровой разряд переходит в дуговой . К искровым разрядам относится и молния . В этом случае одним электро — дом является облако , а другим — земля . Напряжение в молнии достигает мил — лионов вольт , а ток — до сотни килоампер . Переносимый молнией заряд обычно составляет 10-30 кулон , а в отдельных случаях достигает 300 кулон .
В электровакуумной технике искровой разряд используется в импульсных разрядниках — тригитронах . 5.3.5 Коронный разряд Корона возникает при сравнительно высоких давлениях в тех случаях , ко — гда поле в разрядном промежутке неравномерно из — за малого радиуса кривиз — ны одного из электродов . Ионизация и свечение газа происходят в сравнитель — но узком слое около этого электрода . Этот слой называется коронирующим . Во внешней области разряда ток переносится частицами только одного знака . Ток коронного разряда ограничивается сопротивлением несветящейся области . При увеличении напряжения между электродами размеры светящегося слоя короны и его яркость увеличиваются . Когда светящаяся область достигает другого электрода , разряд переходит в искровой . Поэтому коронный разряд называют незавершенным пробоем разрядного промежутка . В настоящее время для опи — сания короны используют в основном теорию лавин , хотя ряд явлений связан с образованием стримеров . Начальная напряжённость поля короны зависит от радиуса электрода и давления газа . Хорошо оправдывается эмпирическая формула Пика :
| æ | 0,308 | ö | 2 | ||||
| ç | ÷ | ||||||
| E k | = 31 × d × ç | 1 | + | ÷ | , кВ / см | (5.21) | |
| è | d × r 0 ø | ||||||
r 0 — радиус коронирующего электрода ; d — плотность воздуха при нормальных условиях . На возникновении коронного разряда основаны газоразрядные счётчики элементарных частиц . 5.3.6 Высокочастотные разряды В общем случае газовый разряд может возбуждаться с помощью постоян — ных или переменных электрических полей . Очень широкое распространение в современной технике и технологии получили высокочастотные ( ВЧ ) разряды , возбуждаемые электромагнитными полями мегагерцового диапазона частот . Существует два способа создания высокочастотного разряда — индукцион — ный и емкостной . При индукционном способе разрядную трубку помещают в катушку ( соленоид ) с током высокой частоты . Индуцируемое внутри катушки вихревое электрическое поле и поддерживает разряд . Это разряд Н — типа или ВЧИ разряд . Он характеризуется достаточно высокой пространственной одно — родностью и применяется при проведении ряда плазмохимических процессов , в том числе в технологии микроэлектроники . При емкостном способе ( ВЧЕ — разряд ) высокочастотное напряжение подают на электроды , образующие сво — его рода конденсатор . Электроды могут находиться в непосредственном кон — такте с плазмой или могут быть вынесены за ее пределы и отделяться от плаз —
мы диэлектрическими стенками ( безэлектродный разряд ). Такие разряды нахо — дят широкое применение в приборах ( газоразрядные лазеры , некоторые типы источников излучения ) и технологии . Большинство промышленных плазмохи — мических установок , применяемых в технологии микроэлектроники , работают с использованием емкостного ВЧ разряда на частоте 13,57 МГц . Напряженность электрического поля в ВЧ разрядах обычно несколько ни — же , чем в разряде постоянного тока . 5.3.7. Разряды на сверхвысоких частотах Сверхвысокочастотные разряды возбуждаются в диапазоне частот от 1 до 300 ГГц ( длина волны 30 см – 3 мм ). В промышленности наиболее часто ис — пользуются частоты 0,915 и 2,45 ГГц . СВЧ разряды могут существовать в ши — роком диапазоне давлений . В отсутствии магнитного поля этот диапазон со — ставляет от 1 до 10 5 Па . Наложение внешнего магнитного поля ( режим элек — тронного циклотронного резонанса ) позволяет существенно продвинуться в область низких давлений – до 10 -4 Па . В зависимости от давления и вводимой мощности СВЧ разряд по своим параметрам может быть тлеющим или дуго — вым . СВЧ разряд возбуждается при помещении трубки с рабочим газом в по — лость резонатора или при введении резонатора в реактор ( рис ___). Для получе — ния плазмы в достаточно большом объеме СВЧ мощность вводится в реактор через специальное вакуумное окно ( рис .___). СВЧ разряды отличаются высокой однородностью , повышенной средней энергией электронов , отсутствием внутренних электродов , что обуславливает их широкое применение . Контрольные вопросы 1. Назовите основные виды электрических разрядов в газе . 2. Опишите процесс развития электронной лавины при несамостоятельном разряде . 3. Укажите необходимые условия существования несамостоятельного раз — ряда . 4. Сформулируйте условия перехода разряда из несамостоятельного в са — мостоятельный . 5. В чем смысл закона Пашена . 6. Условия возникновения тлеющего разряда . 7. Дайте феноменологическое описание структуры тлеющего разряда . 8. Почему катодная область является необходимым признаком существо — вания тлеющего разряда . 9. Что такое нормальный и аномальный тлеющий разряды . 10. Укажите основные параметры нормального тлеющего разряда .