9.3 Вольт–амперная характеристика газового разряда
Газовым разрядом называют явление протекания ионизационного тока через газы Он определяется свойствами газа и излучения, приложенным к электродам напряжением и формой электродов. Вольт–амперная характеристика показывает зависимость ионизационного тока I от напряжения на электродах U при постоянной интенсивности ионизирующего излучения в газе (рисунок 9.2). При увеличении напряжения ток I сначала растет, затем в некотором интервале изменения напряжения остается почти постоянным, после чего снова возрастает.
I | а | б | в | г | д |
0 | U | U | U | U | U |
1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
Рисунок 9.2 – Вольт – амперная характеристика газового разряда: а – область ионизационной камеры, б – пропорциональная область, в – область ограниченной пропорциональности, г – область Гейгера – Мюллера, д – область самостоятельного разряда Сложная зависимость тока I от напряжения U связана с особенностью физических процессов, протекающих в газе при движении ионов в межэлектродном пространстве. Для понимания физической сущности процессов разобьем вольт–амперную характеристику на шесть участков. На первом участке, заключенном в интервале напряжений от нуля до U 1 , ток I пропорционален напряжению U. Этот участок называют областью закона Ома. Если обозначить сопротивление газа протеканию ионизационного тока
буквой R, то: | |
I= U/R | (9.4) |
112 |
В области закона Ома не все ионы, образованные в газе, достигают электродов. Часть ионов, двигаясь в газе, рекомбинирует. С увеличением напряжения растет скорость направленного движения ионов. Поэтому вероятность рекомбинации ионов уменьшается и на электроды попадает все больше и больше ионов. В конце первого участка наблюдается отклонение от закона Ома. Хотя рекомбинация в этом интервале напряжений и оказывает влияние на газовый разряд, однако ток I уже не пропорционален напряжению U. На втором участке напряжений, от U 1 до U 2 , ионизационный ток практически постоянен, почти все ионы первичной ионизации собираются на электродах, а других источников зарядов в газе нет. Эту область вольт-амперной характеристики называют областью насыщения, а ток–током насыщения I н . Заметим, что кривая тока в области насыщения имеет небольшой подъем. Он вызывается небольшой рекомбинацией ионов и другими второстепенными факторами. В области насыщения ионы испытывают упругое рассеяние на молекулах газа. Кинетическая энергия, получаемая ионами от электрического поля, еще недостаточна для ионизации молекул. Однако при напряжении U> U 2 легко подвижные электроны ускоряются до такой кинетической энергии, которой хватает для ионизации молекул. Эту ионизацию в отличие от первичной называют вторичной. Электроны вторичной ионизации вместе с электронами первичной в последующих столкновениях ионизируют другие молекулы. Происходит лавинообразное размножение зарядов. В объеме газа возникает дополнительный к первичной ионизации источник зарядов. Поэтому ионизационный ток при напряжениях U>U 2 возрастает, и тем больше, чем выше напряжение. Явление размножения зарядов в газе называют газовым усилением. Оно характеризуется коэффициентом газового усиления k, который равен отношению ионизационного тока в газе I к току насыщения I н :
k = I/I н . | (9.5) |
В токе учитывается вклад и первичной, и вторичной ионизации. Ток I н обусловливается только первичной ионизацией. Он течет через газ в том случае, когда детектор работает в режиме насыщения. В третьей области напряжений ( U 2
С ростом напряжения коэффициент k увеличивается от 1 (U=U 2 ) (U=U 3 ). В третьей области ионизационный ток пропорционален току первичной ионизации I н . Поэтому третью область называют областью пропорциональности. Верхняя граница третьей области зависит от значения первичной ионизации. С ростом интенсивности излучения в объеме детектора увеличивается плотность ионов, возникающих при вторичной ионизации. Электроны собираются на аноде за очень короткий промежуток времени. За этот промежуток положительные ионы, имеющие сравнительно большую массу, практически не изменяют своего положения. Находясь в межэлектродном пространстве, они экранируют электрическое поле между электродами, в результате чего напряженность Е падает. С увеличением коэффициента газового усиления возрастает экранировка электродов (индукционный эффект). В свою очередь эффект экранировки уменьшает коэффициент k и газовое усиление ослабляется. Следовательно, с увеличением первичной ионизации напряжение верхней границы третьей области пропорциональности уменьшается. В области пропорциональности пространственный положительный заряд сравнительно невелик. Он еще не влияет на газовое усиление. Поэтому коэффициент k и не зависит от первичной ионизации. За областью пропорциональности лежит область ограниченной пропорциональности. Пространственный заряд в газе становится настолько большим, что коэффициент газового усиления в этой области зависит уже и от напряжения, и от первичной ионизации. Начиная с напряжения U>U 4 , коэффициент k возрастает настолько сильно, что величина тока становится независимой от первичной ионизации. Для возникновения газового разряда достаточно появиться в детекторе хотя бы одной ионной паре. Вторичная ионизация в пятой области определяет значение ионизационного тока. Эту область вольт–амперной характеристики называют областью Гейгера–Мюллера, или кратко областью Гейгера. Газовый разряд во всех пяти областях несамостоятелен. Он не может протекать без внешнего воздействия. В области напряжений U>U 5 в газе начинается самостоятельный газовый разряд, возникающий без наличия излучения в детекторе. Напряженность 114
2.1.3. Вольт-амперная характеристика дуги
Для газового разряда сопротивление не является постоянным (R ≠const), так как число заряженных частиц в нем зависит от интенсивности ионизации и, в частности, от силы тока. Поэтому электрический ток в газах, как правило, не подчиняется закону Ома и вольт-амперная характеристика газового разряда обычно является нелинейной.
В зависимости от плотности тока вольт-амперная характеристика дуги может быть падающей, пологой и возрастающей (рис. 2.5). В области I при малых токах (примерно до 100 А) с увеличением тока дуги Iд интенсивно возрастает число заряженных частиц главным образом вследствие разогрева и роста эмиссии катода, а, следовательно, и соответствующего ей роста объемной ионизации в столбе дуги. Сопротивление столба дуги уменьшается и падает нужное для поддержания разряда напряжение Uд; вольт-амперная характеристика дуги является падающей.
В области II при дальнейшем росте тока и ограниченном сечении электродов столб дуги несколько сжимается и объем газа, участвующего в переносе зарядов, уменьшается. Это приводит к меньшей скорости роста числа заряженных частиц. Напряжение дуги в этой области слабо зависит от тока, а вольт-амперная характеристика является пологой. Первые две области на рис. 2.5 описывают сварочные дуги с так называемым отрицательным электрическим сопротивлением.
Падающая и пологая вольт-амперные характеристики сварочных дуг типичны для ручной дуговой сварки штучными электродами с покрытием (РД) и газоэлектрической (ГЭ) сварки, а также вообще для сварки при малых плотностях тока, в том числе и дугой под флюсом (ДФ).
Сварка при высоких плотностях тока и плазменно-дуговые процессы соответствуют области III на рис 2.5. Они характеризуются сильным сжатием столба дуги и возрастающей вольт-амперной характеристикой, что указывает на увеличение энергии, расходуемой внутри дуги.
В сильноточных сжатых дугах степень ионизации газа в столбе дуги может достигать значений, близких к 100 %, а термоэмиссионная способность катода оказывается исчерпанной. В этом случае увеличение тока практически уже не может изменить числа заряженных частиц в дуге. Ее сопротивление становится положительным и почти постоянным (R ≈ const). Высокоионизованная сжатая плазма по электропроводности близка к металлическому проводнику и для нее справедлив закон Ома.
2.2. Элементарные процессы в плазме дуги
2.2.1. Основные параметры плазмы
Как известно, плазма состоит из заряженных и нейтральных частиц. Положительно заряженными частицами плазмы являются положительные ионы (газовая плазма) и дырки (плазма твердого тела), а отрицательно заряженными частицами — электроны и отрицательные ионы.
Состав нейтрального компонента плазмы может быть достаточно сложным: помимо атомов и молекул, находящихся в нормальном состоянии, в плазме в гораздо большем количестве могут присутствовать атомы и молекулы в различных возбужденных состояниях. Но поскольку плазма — это ионизованный газ, для ее описания используются те же понятия, что и для обычного газа.
Введем основные параметры плазмы, исходя из простых молекулярно-кинетических представлений. Прежде всего необходимо знать концентрацию (плотность) частиц разного сорта nα м -3 (индекс α означает сорт частиц). Далее все величины, относящиеся к электронам плазмы, будем обозначать с индексом е, к ионам — с индексом i, а к нейтральным частицам — с индексом α. Если в плазме присутствуют ионы нескольких сортов, следует задавать отдельно концентрацию ионов каждого сорта. Состав плазмы удобно также характеризовать безразмерным параметром — отношением концентрации электронов к сумме концентраций нейтральных частиц и
электронов, илистепенью ионизацииПо степени ионизации плазму обычно подразделяют на слабо ионизованную (χ
Частицы, образующие плазму, находятся в состоянии хаотического теплового движения. Для характеристики этого движения вводят понятие температуры плазмы в целом Т или отдельных ее компонентов — частиц сорта α — Тα. Температура плазмы вводится в предположении, что плазма в целом находится в состоянии термодинамического равновесия, а функции распределения частиц всех сортов по скоростям v являются максвелловскими с одной и той же температурой T; в этом случае плазма называется изотермической. Гораздо чаще в плазме имеется частичное термодинамическое равновесие, когда отдельные ее компоненты имеют максвелловские распределения по скоростям с различными температурами. Такая плазма является неизотермической.
В частности, распределение электронов по модулям скоростей описывается выражением:
(2.1)
где k = 1,38 • 10 -23 Дж/К — постоянная Больцмана; Те — температура электронов, К; v — скорость хаотического теплового движения электронов, м/с.
График функции fe(v) приведен на рис. 2.6. Аналогичный вид имеют функции распределения по скоростям и для других частиц. Максимум функции fe(v) определяет наиболее вероятную скорость
Средняя тепловая скорость электронов
(2.3)
Для средней квадратичной скорости получаем
(2.4)
В случае максвелловской функции распределения (2.1) температура Те характеризует среднюю кинетическую энергию теплового движения электрона ε ־:
(2.5)
Поскольку температура и средняя кинетическая энергия теплового движения частиц столь тесно взаимосвязаны, в физике плазмы принято выражать температуру в единицах энергии, например в электронвольтах. Температура ТэВ, выраженная в электронвольтах, связана с соответствующей температурой Т, выраженной в кельвинах, соотношением
Рассчитаем, какая температура Т (в кельвинах) соответствует температуре ТэВ = 1 эВ:
Отметим, что средняя кинетическая энергия частицы ε ־ равна
Часто пользуются понятием температуры плазмы и в тех случаях, когда функция распределения частиц (сорта α) отличается от максвелловской, понимая под температурой Тα величину, определяемую соотношением (2.5).
Плазму газового разряда часто называют низкотемпературной. Ее температура обычно не превышает 10 4 . 10 5 К, а концентрация заряженных частиц nе ≈ ni ≈ 10 8 . 10 15 см -3 , причем такая плазма практически всегда слабоионизована, так как концентрация нейтральных частиц nα ≈ 10 12 . 10 17 см -3 . В плазме сильноточного дугового разряда Т ≈ 10 4 . 10 5 К, а концентрация заряженных частиц nе ≈ ni ≈ 10 18 . 10 20 см -3 при практически полной ионизации.
График вольт амперной характеристики газового разряда
Если в ионизированном газе создать электрическое поле, то через газ проходит электрический ток — возникает газовый разряд. Существует два вида газового разряда: несамостоятельный и самостоятельный газовый разряд.
ВАХ газового разряда. Вольт-амперная характеристика газа была определена экспериментально. С помощью ионизатора газ между электродами (катодом и анодом) в стеклянном сосуде ионизируется, т.е. распадается на электроны и положительные ионы (a). Затем начинается постепенное увеличение напряжения между электродами от нулевого значения. Как видим из ВАХ (b), в слабом электрическом поле (при малых значениях напряжения) сила тока растет прямо пропорционально напряжению (см. b, участок Оа гафика). На этом участке изменения параметров происходят согласно закону Ома.
При дальнейшем увеличении напряжения пропорциональность между силой тока и напряжением нарушается (участок ab). Начиная со значения напряжения U1 сила тока не зависит от напряжения — возникает явление насыщения (участок графика bc). Это означает, что все образованные под действием ионизатора электроны и ионы, двигаясь упорядоченно, участвуют в создании тока. Итак, участок Oc графика соответствует несамостоятельному газовому разряду.
Значение силы тока насыщения определяется следующим выражением:
Здесь n — число электронно-ионных пар, созданных ионизатором за время t в единице объема, е — элементарный заряд, V — объем пространства между электродами.
Если продолжать увеличивать напряжение, то при некотором его значении (U2) небольшие изменения напряжения приводят к резкому возрастанию силы тока. Дело в том, что сильное электрическое поле увеличивает кинетическую энергию электронов, и когда её значения превышают энергию ионизации нейтральных молекул газа, т.е. при
электроны, сталкиваясь с нейтральными молекулами газа, ионизируют их атомы. Это явление называется ионизацией ударами электронов. В результате число электронов и ионов, а значит, и сила тока в газе резко возрастает (участок графика cd).
Несамостоятельный и самостоятельный газовый разряд. Вольт-амперные характеристики (ВАХ)
1. Несамостоятельный и самостоятельный газовый разряд. Вольт-амперные характеристики (ВАХ).
НЕСАМОСТОЯТЕЛЬНЫЙ И
САМОСТОЯТЕЛЬНЫЙ ГАЗОВЫЙ
РАЗРЯД. ВОЛЬТ-АМПЕРНЫЕ
ХАРАКТЕРИСТИКИ (ВАХ).
2. Несамостоятельный газовый разряд
Несамостоятельный газовый разряд
■ называется такой разряд, который, возникнув при наличии электрического поля,
может существовать только под действием внешнего ионизатора.
для равновесной концентрации ионов (числа пар
ионов в единице объема) получается следующее
выражение:
Схема эксперимента с
газоразрядной трубкой
3. случай слабого поля
случай слабого поля
В цепи будет протекать слабый ток. Плотность тока по величине
пропорциональна концентрации носителей n, заряду q, переносимому каждым
носителем и скорости направленного движения положительных и отрицательных
ионов
Скорость направленного движения ионов выражается через подвижность и напряженность электрического поля
На основании для плотности тока имеем
В слабом поле (
) равновесная концентрация равна:
.
Подставим это выражение:
В последнем выражении множитель при
не зависит от напряженности. Обозначив его
через σ, мы получим закон Ома в
дифференциальной форме:
Вывод: в случае слабых
электрических полей ток при
несамостоятельном разряде
подчиняется закону Ома.
4. случай сильного поля
В этом случае
и
т. е. все генерируемые ионы уходят из
газоразрядного промежутка под действием электрического поля.
С увеличением приложенного напряжения ток перестает расти и остается постоянным.
Максимальное значение тока, при котором все образующиеся ионы уходят к электродам, носит название
тока насыщения.
Дальнейшее увеличение напряженности поля ведет к образованию лавины электронов, когда возникшие под
действием ионизатора электроны приобретают на длине свободного пробега (от столкновения до столкновения)
энергию, достаточную для ионизации молекул газа (ударная ионизация). Возникшие при этом вторичные
электроны, разогнавшись, в свою очередь, производят ионизацию и т. д. – происходит лавинообразное
размножение первичных ионов и электронов, созданных внешним ионизатором и усиление разрядного тока.
Вывод: для несамостоятельного разряда при малых плотностях тока, т.е.
когда основную роль в исчезновении зарядов из газоразрядного
промежутка играет процесс рекомбинации, имеет место закон Ома; при
больших полях закон Ома не выполняется – наступает явление
насыщения, а при полях превышающих – возникает лавина зарядов,
обуславливающая значительное увеличение плотности тока.
5. Самостоятельный газовый разряд
■ будем называть такой газовый разряд, в котором носители тока возникают в результате
тех процессов в газе, которые обусловлены приложенным к газу напряжением. Т.е. данный
разряд продолжается и после прекращения действия ионизатора.
Когда межэлектродный промежуток перекрывается полностью проводящей газоразрядной плазмой,
наступает его пробой. Напряжение, при котором происходит пробой межэлектродного промежутка,
называется пробивным напряжением. А соответствующая напряженность электрического поля носит
название пробивная напряженность.
При больших напряжениях между электродами газового промежутка ток сильно возрастает. Это
происходит вследствие того, что возникающие под действием внешнего ионизатора электроны, сильно
ускоренные электрическим полем, сталкиваются с нейтральными молекулами газа и ионизируют их. В
результате этого образуются вторичные электроны и положительные ионы. Положительные ионы
движутся к катоду, а электроны – к аноду. Вторичные электроны вновь ионизируют молекулы газа, и,
следовательно, общее количество электронов и ионов будет возрастать по мере продвижения
электронов к аноду лавинообразно. Это и является причиной увеличения электрического тока.
Описанный процесс называется ударной ионизацией.
6.
1. Тлеющий разряд возникает при низких давлениях. Его можно наблюдать в стеклянной
трубке с впаянными у концов плоскими металлическими электродами Вблизи катода
располагается тонкий светящийся слой, называемый катодной светящейся пленкой.
Между катодом и пленкой находится астоново темное пространство. Справа от светящейся
пленки помещается слабо светящийся слой, называемый катодным темным пространство.
Этот слой переходит в светящуюся область, которую называют тлеющим свечением, с
тлеющим пространством граничит тёмный промежуток – фарадеево тёмное пространство.
Все перечисленные слои образуют катодную часть тлеющего разряда. Вся остальная часть
трубки заполнена святящимся газом. Эту часть называют положительным столбом.
Распределение потенциала вызвано образованием в катодном темном пространстве положительного
пространственного заряда, обусловленного повышенной концентрацией положительных ионов.
7.
2. Искровой разряд возникает в газе обычно при давлениях порядка атмосферного.
Он характеризуется прерывистой формой. По внешнему виду искровой разряд
представляет собой пучок ярких зигзагообразных разветвляющихся тонких полос,
мгновенно пронизывающих разрядный промежуток, быстро гаснущих и постоянно
сменяющих друг друга. Эти полоски называют искровыми каналами.
Тгаза = 10 000 К
~ 40 см
I = 100 кА
t = 10–4 c
l ~ 10 км
В естественных природных условиях искровой разряд наблюдается
в виде молнии
8.
3. Дуговой разряд. Если после получения искрового разряда от мощного источника постепенно
уменьшать расстояние между электродами, то разряд из прерывистого становится
непрерывным, возникает новая форма газового разряда, называемая дуговым разрядом .
При этом ток резко увеличивается, достигая десятков и сотен ампер, а напряжение на разрядном
промежутке падает до нескольких десятков вольт. Согласно В.Ф. Литкевичу, дуговой разряд
поддерживается, главным образом, за счет термоэлектронной эмиссии с поверхности катода. На практике
– это сварка, мощные дуговые печи.
9.
4. Коронный разряд.возникает в сильном неоднородном электрическом поле при сравнительно
высоких давлениях газа (порядка атмосферного). Такое поле можно получить между двумя
электродами, поверхность одного из которых обладает большой кривизной (тонкая проволочка,
острие).
Наличие второго электрода необязательна, но его роль могут играть ближайшие, окружающие
заземленные металлические предметы. Когда электрическое поле вблизи электрода с большой кривизной
достигает примерно 3∙10^6 В/м, вокруг него возникает свечение, имеющее вид оболочки или короны,
откуда и произошло название заряда.
10.
Вольт-ампе́рная характери́стика (ВАХ) — зависимость тока, протекающего через двухполюсник,
от напряжения на этом двухполюснике. Описывает поведение двухполюсника на постоянном
токе. Также ВАХ называют функцию, выражающую (описывающую) эту зависимость и график
этой функции.
Обычно рассматривают ВАХ нелинейных элементов (степень нелинейности определяется
коэффициентом нелинейности), поскольку для линейных элементов ВАХ представляет собой
прямую линию (описывающуюся законом Ома) и потому тривиальна.
Примеры элементов, обладающих существенно нелинейной ВАХ: диод, тиристор, стабилитрон.
Пример 4 различных ВАХ