Самостійний і несамостійний газові розряди
При не дуже високих температурах і атмосферному тиску газ - хороший ізолятор.
Газ стає провідником. коли деяка частина його молекул іонізується. При іонізації газу під дією якого-небудь іонізатора відбувається виривання електронів з електронної оболонки атомів або молекул. Деякі електрони можуть приєднатися до нейтральних атомів, утворюючи негативні іони.
Отже, при іонізації газу утворюються позитивні і негативні іони і вільні електрони. Таким чином, газ стає провідником.
Проходження електричного струму через газ називається газовим розрядом.
Іонізація газів може відбуватися під дією різних іонізаторів, наприклад:
· Потоки високоенергічних заряджених частинок.
Для того, щоб вибити електрон з електронної оболонки атома або молекули потрібно затратити певну енергію, яка називається енергією іонізації.
Значення енергії іонізації лежить в межах від 1 до 30 еВ. Поряд з явищем іонізації завжди йде зворотний процес. так званий процес рекомбінації. тобто возз'єднання позитивних і негативних іонів і електронів. в результаті якого утворюються нейтральні атоми. процес рекомбінації йде в відсутності іонізатора.
12.4. Воль-амперна характеристика газового розряду
На ділянці ОА сила струму збільшується прямо пропорційно напрузі - виконується закон Ома.
На ділянці АВ зростання струму сповільнюється, закон Ома порушується.
На ділянці ВС зростання струму припиняється - явище «ток насичення». Це пояснюється тим, що всі електрони, створені зовнішнім іонізатором досягають відповідних електродів.
Починаючи з точки С зростання струму відновлюється, це пов'язано з тим, що при великій напрузі електрони, що виникають під дією зовнішнього іонізатора, прискорюються електричним полем настільки, що при зіткненні з нейтральним атомом іонізують їх, тому, що маса електрона набагато менша за масу іона, а електрони мають велику кінетичну енергію.
Якщо на ділянці ОС припинити дію іонізатора, то газовий розряд припиниться. Значення струму насичення служить характеристикою іонізатора. Заряджені позитивні і негативні іони і електрони з'являються завдяки прискореним електронам.
Прискорені електрони, рухаючись до електродів, знову іонізують атоми і молекули. Цей процес називається ударною іонізацією.
Однак, ударної іонізації ще недостатньо для створення лавини (ділянка ДЕ на вольт-амперної характеристики). Для лавини необхідна наявність наступних процесів:
· Прискорені електричним полем позитивні іони, досягаючи катода, вибивають з нього вторинні електрони;
· Позитивні іони, стикаючись з нейтральними атомами, переводять їх в збуджений стан.
Переходячи в основний стан, збуджені атоми випромінюють фотони, ці фотони викликають іонізацію нейтральних атомів і молекул.
Процес лавиноподібно наростає. Напруга, при якому спостерігається лавиноподібне наростання струму, називається напругою пробою.
Газовий розряд, який припиняється після припинення дії іонізатора, називається несамостійним газовим розрядом.
Самостійним газовим розрядом називається розряд, який зберігається після припинення дії іонізатора.
Таким чином, напруга пробою - напруга, при якому несамостійний газовий разрядпереходітв самостійний.
Розрізняють декілька форм самостійних газових розрядів, що відбуваються при нормальному і підвищеному тиску.
12.5. газові розряди
виникає при нормальному тиску в газі, що знаходиться в сильно неоднорідному електричному полі. наприклад близько вістря, біля лінії електропередач.
При коронному розряді іонізація газу і його світіння відбувається тільки поблизу коронирующих електродів.
У випадку коронування катода утворюється так звана негативна корона. Електрони, що викликають ударну іонізацію молекул газу вибиваються з катода прискореними позитивними зарядженими іонами.
Якщо коронирующим анод, то утворюється позитивна корона, а народження електронів відбувається в результаті фотоіонізації поблизу анода.
Негативне значеніекоронного розряду. витік струму в лініях високої напруги, яка веде до втрат електроенергії.
Застосовується для очищення газу в установках електрогазоочісткі.
При підвищеній напрузі коронний розряд на вістрі набуває вигляду виходять з вістря переміщаються в часі світяться ліній. Ці лінії мають ряд зламів і вигинів і утворюють подобу кисті, внаслідок чого цей розряд називають кистьовий розряд. Якщо напруга між електродами збільшувати, то при дуже високій напрузі коронний розряд переходить в іскровий.
Іскровий розряд являє собою нестаціонарний самостійний розряд в газі, що має вигляд яскравих зигзагоподібних ниток-каналів, які з'являються і зникають, змінюючись новими. Канали іскрового розряду починають рости - від негативного чи позитивного електрода. а іноді від будь-якої точки між електродами.
Це пояснюється тим, що іонізація ударом відбувається не по всьому об'єму газу, а по окремих каналах. проходять в тих місцях, в яких концентрація іонів випадково опинилася найбільшою.
Іскровий розряд супроводжується виділенням великої кількості теплоти, яскравим свіченням газу, тріском.
Приклад іскрового розряду - блискавка. Всі розряди викликаються електронними та іонними лавинами, які виникають в іскрових каналах і призводять до збільшення тиску і температури.
Застосування іскрового розряду:
1. іскровий розряд лежить в основі електроіскровий обробки металів і сплавів;
2. для займання горючої суміші в карбюраторних двигунах;
3. для захисту електричних мереж від перенапруги;
4. для вимірювання великих різниць потенціалів за допомогою кульового розрядника.
У кульовому розряднику існують два електроди, що представляють собою два полірованих металевих кулі. Кулі розсовують, і на них подається вимірювана напруга. Потім кулі зближують до тих пір, поки між ними не проскочить іскра. Знаючи діаметр куль, відстань між ними, тиск, температуру і вологість повітря можна визначити різницю потенціалів куль за допомогою спеціальних таблиць. Таким способом можна вимірювати напругу порядку сотень кіловольт.
трапляється за малої щільності струму і порівняй. невеликій напрузі.
Основна причина виникнення дугового розряду - інтенсивне випускання термоелектроновраскаленним катодом.
Ці електрони прискорюються електричним полем і проводять ударну іонізацію молекул газу, завдяки чому опір між електродами виявляється порівняно маленьким.
Якщо, зменшивши опір зовнішньої ланцюга, збільшити силу струму, то провідність газового проміжку значно збільшується, і, отже, зменшується напруга між електродами.
Таким чином, дугового розряд має падаючу вольт-амперну характеристику. При атмосферному тиску температура катода досягає 3000 0 С; електрони інтенсивно випускаються нагрітим катодом і бомбардують анод, створюють в ньому поглиблення, так званий кратер. Температура кратера 4000 0 С, а при великому тиску - 7000 0 С. Температура в каналі між електродами також надзвичайно висока. Це призводить до інтенсивної термоіонізації.
Використання: при електрозварювання металів.
самостійний газовий розряд, який виникає в розрідженому газі, тобто при зниженому тиску і в електричному полі значно меншою напруженості.
Скляну трубку з двома електродами підключають до вакуумному насосу, а електроди підключають до джерела напруги. При атмосферному тиску струму в ланцюзі немає або струм дуже малий. Але якщо за допомогою насоса відкачати газ з трубки, в ній виникає розряд, що супроводжується світінням газу.
Це пояснюється тим. що в розрідженому газі електрони рідко стикаються з атомами, тому в проміжку між зіткненнями вони встигають придбати достатню для іонізації енергію незважаючи на те, що напруженість поля може бути невисокою.
За рахунок електронної лампи в газі виникає розряд, в результаті якого між електродами утворюється світиться шнур. У міру подальшого зменшення тиску, канал розряду розширюється і заповнює майже весь простір трубки, а близько катода утворюється темна пляма.
Тліючий розряд застосовують в світяться газових трубках.
Плазма - сильно іонізований газ. в якому концентрації позитивних і негативних зарядів практично однакові.
Високотемпературна плазма - плазма, що виникає при надвисоких температурах. Спад числа заряджених частинок в процесі рекомбінації заповнюється термічної іонізацією. У такій плазмі дотримується рівність середніх кінетичних енергій заряджених частинок.
У стані високотемпературної плазми знаходяться зірки, зоряні атмосфери, Сонце. Їх температура досягає десятків мільйонів градусів.
Газорозрядна плазма - плазма, що виникає при газовому розряді.
Заряджені частинки (електрони, іони) перебуваючи в ускоряющем електричному полі, мають різну середньої кінетичної енергією. Це означає, що температура електронного газу Ті одна, а температура іонного газу Ти - інша, причому Ті> Ті.
Невідповідність цих температур вказує на те, що газорозрядна плазма є нерівноважної. тому вона називається також неізотермічної.
Спад числа заряджених частинок в процесі рекомбінації заповнюється ударної іонізацією електронами, прискореними електричним полем.
Припинення дії електричного поля призводить до зникнення газорозрядної плазми.
Ступінь іонізації плазми (# 945;) - відношення числа іонізованих частинок до повного їх числа в одиниці об'єму плазми.
Слабо іонізована плазма - # 945; складає долі відсотка.
Помірно іонізована плазма - # 945; становить кілька відсотків.
Повністю іонізована плазма - # 945; близько до 100%.
§ високий ступінь іонізації газу;
§ рівність нулю результуючого просторового заряду - концентрація позитивно і негативно заряджених частинок приблизно однакова;
§ сильна взаємодія з електричним і магнітними полями;
§ «колективне» - одночасна взаємодія величезного числа частинок (в звичайних умовах частинки взаємодію один з одним попарно).
Ці властивості визначають якісну своєрідність плазми. що дозволяє вважати її особливим, четвертим станом речовини.
Кінець 12 лекції