К какому типу разрядов в газе относится искра к самостоятельному к несамостоятельному

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 .

Электрический ток в различных средах. 10 класс

Внимание! Все тесты в этом разделе разработаны пользователями сайта для собственного использования. Администрация сайта не проверяет возможные ошибки, которые могут встретиться в тестах.

Будьте внимательны! У Вас есть 15 минут на прохождение теста. Система оценивания — 5 балльная. Порядок заданий и вариантов ответов в тесте случайный.

Система оценки: 5 балльная

Список вопросов теста

Вопрос 1

Как меняется Как меняется электрическое сопротивление металлов и полупроводников при повышении температуры?

Варианты ответов

• Увеличивается у металлов и полупроводников.
• Увеличивается у металлов и уменьшается у полупроводников.
• Уменьшается у металлов и полупроводников.
• Уменьшается у металлов и увеличивается у полупроводников.

Вопрос 2

В каком из перечисленных ниже случаев наблюдается явление термоэлектронной эмиссии?

Варианты ответов

• Ионизация атомов под действием света.
• Испускание электронов с поверхности нагретого катода в телевизионной трубке.
• Ионизация атомов в результате столкновений при высокой температуре.
• При прохождении электрического тока через раствор электролита.

Вопрос 3

Какими типами проводимости в основном обладают полупроводниковые материалы:
1) без примесей; 2) с донорными примесями.

Варианты ответов

• 1– электронной, 2 – дырочной
• 1 – электронной, 2 – электронной
• 1 – дырочной, 2 – электронной
• 1 – электронной и дырочной, 2 – электронной.

Вопрос 4

Электрический ток осуществляется посредством ионной проводимости в

Варианты ответов

• только А
• только Б
• и А, и Б
• ни А, ни Б

Вопрос 5

Вакуумный электронный прибор, преобразующий электрические сигналы в видимое изображение:

Варианты ответов

• диод
• электронно-лучевая трубка
• иконоскоп
• триод

Вопрос 6

Какими носителями эл. заряда создается электрический ток при электрическом разряде в газах?

Варианты ответов

• Электронами и положительными ионами
• Положительными и отрицательными ионами.
• Положительными ионами, отрицательными ионами и электронами.
• Только электронами.
• Электронами и дырками.

Вопрос 7

Явление испускания электронов из металла при высокой температуре:

Варианты ответов

• электронная эмиссия
• диссоциация
• термоэлектронная эмиссия
• термоэлектронный эффект

Вопрос 8

Какое из перечисленных явлений называется электролизом?

Варианты ответов

• Прохождение электрического тока через электролит
• Выделение вещества на электродах при прохождении тока через электролит
• Диссоциация кислот, солей и щелочей.
• Растворение солей, кислот, и щелочей в воде

Вопрос 9

Варианты ответов

• объединение ионов и электронов в нейтральные молекулы.
• процесс выделения на электродах веществ, входящих в состав электролита.
• образование положительных и отрицательных ионов при растворении веществ в жидкости.

Вопрос 10

Прохождение электрического тока через газы называют…

Варианты ответов

• ионизацией
• рекомбинацией
• газовым разрядом
• электронным пучком

Вопрос 11

К какому типу разрядов в газе относится искра?

Варианты ответов

• к самостоятельному
• к несамостоятельному

Вопрос 12

Варианты ответов

• отрицательно
• положительно

Вопрос 13

Как изменится масса вещества, выделившегося на катоде при прохождении электрического тока через раствор электролита, если сила тока увеличится в 2 раза, а время его прохождения уменьшится в 2 раза?

Варианты ответов

• Увеличится в 2 раза.
• Уменьшится в 4 раза.
• Не изменится.
• Уменьшится в 2 раза
• Увеличится в 4 раза.

Вопрос 14

В каких средах при прохождении электрического тока не происходит переноса вещества?

Варианты ответов

• металлах и полупроводниках
• растворах электролитов и газах
• полупроводниках и газах
• растворах электролитов и металлах

Вопрос 15

Основным свойством p—n-перехода является

Варианты ответов

• уменьшение сопротивления при нагревании
• уменьшение сопротивления при освещении
• увеличение сопротивления при нагревании
• односторонняя проводимость

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

Электрический ток в газах. Типы самостоятельного разряда. Плазма.

1. Газы в обычных условиях—диэлектрики. Воздух исполь­зуют в технике как изолятор: а) в линиях электропередач; б) между обкладками воздушных конденсаторов; в) в контактах выключателей.

2. При определенных условиях газы — проводники: молния, электрическая искра, дуга при сварке. Процесс протекания тока через газ называетсягазовым разрядом. Свободные заряды (ионы обоих знаков и электроны) возникают в газах только в процессе ионизации.

Ионизация газов Ионизацию вызывают:

1. Высокая температура.
2. Ультрафиолетовые лучи.
3. Рентгеновские лучи, γ — лучи и т. п.

Ионизация осуществляется при условии: еЕλ > W ионизации, где λ — длина свободного пробега заряженных частиц.

Рекомбинация. Вследствие рекомбинации для поддержания длительного тока необходима постоянная ионизация.

Несамостоятельный и самостоятельный разряды

1. Несамостоятельный разряд происходит под действием внешнего ионизатора.
2. Самостоятельный разряд — разряд, происходящий без действия внешнего ионизатора (электронным ударом). Напряжение, при котором возникает самостоятельный разряд, наз. напряжением пробоя (потенциал ионизации).

ОА — только часть заряженных час­тиц доходит до электродов, частьрекомбинирует;

АВ—ток почти не увеличивается (ток насыщения);

ВС — самостоятельный разряд.

Типы самостоятельного разряда. Техническое применение

1. Тлеющий разряд. Применяется в газосветных трубках, неоновых лампах, циф­ровых индикаторах, лампах дневного света, ртутных лампах низкого давления.

1. Несветящаяся часть, прилегающая к катоду, наз. темным катодным пространством,
2. Светящийся столб газа, заполняющий остальную часть, наз. анодным положительным столбом.

При определенных давлениях анодный столб распадается на отдельные слои, разделенные темными промежутками (страты).

Причиной ионизации газа в тлеющем разряде является ударная ионизация и выбивание электронов из катода положительными ионами.

2. Дуговой разряд. Применяется в ртутных лампах высокого давления, источниках света, при сварке металлов, в электроплавильных печах, при электролизе расплавов, в электропечах.

3. Коронный разряд Высокая напряженность. Используют в электрофиль­трах для очистки газов от при­месей твердых частиц. Применяется в счетчиках заряженных частиц Гейгера-Мюллера. Громоотвод. Отрица­тельное явление: вызывает утеч­ку энергии на высоковольтных линиях.

4. Искровой разряд Высокое напряжение. Применяется при обработке металлов.

Молния: U=10 8 В , I=10 5 А ,

продолжительность 10 -6 с ,

диаметр канала 10 — 20 см .

Плазма

Частично или полностью ионизованный газ назы­вается плазмой. Наиболее распространенное состояние вещества в природе:

1. Низкотемпературная плазма: Т
2. Высокотемпературная плазма: Т>10 5 К.

Можно наблюдать: пламя костра, рекламные газовые трубки, медицинские кварцевые лампы. Большое значение: получение термоядерной реакции.

Похожие публикации:

1. Активные инструменты на строке состояния в программе autocad отображаются синим цветом а неактивные
2. Как подключить фазу и ноль к автомату
3. Как поменять язык в fusion 360 на русский
4. Что такое водоупор