Рис. 8. Методы возбуждения ВЧ-разрядов: a — индуктивный; b — емкостной; c — емкостной без электродов (буферы заштрихованы).
Электрические разряды в газах
Электрические разряды в газах — это прохождение электрического тока через ионизированные газы, создание и поддержание ионизированного состояния под воздействием электрического поля. Термин «разряд» происходит от разряда конденсатора через цепь с газовым зазором, который происходит, когда напряжение превышает порог пробоя зазора. Сегодня это слово используется в более широком смысле.
Существует множество типов электрических разрядов в газах, зависящих от типа приложенного поля (постоянное, переменное, импульсное, радиочастотное, микроволновое), давления газа, формы и положения электродов и т.д. Ниже приводится общее описание и примерная классификация явлений газового разряда, а более подробно описываются основные компоненты газового разряда и основные типы газового разряда.
Разряды в постоянном поле
Рисунок 1: Вольт-амперная характеристика газовых разрядов: AB — несамостоятельный разряд; BC — темный разряд Таунсенда; DE — нормальная вспышка; EF — ненормальная вспышка; FG — дуговой переход; GH — дуга,
Такие разряды и токи, которые возникают только под действием внешнего ионизирующего агента или, например, в результате эмиссии электронов при отжиге катода, называются неавтономными.
При подаче определенного напряжения, которое зависит от типа газа, давления r и расстояния d между электродами, происходит пробой и самостоятельный разряд, который не требует другого источника ионизации.
Распад газа запускается случайно или искусственно введенными электронами, которые получают энергию в электрическом поле трения, а затем теряют эту энергию, возбуждая и ионизируя атомы. При ионизации вместо одного высокоэнергетического электрона создаются два медленных электрона, которые в свою очередь набирают энергию и так далее — создается электронная лавина. В этот период ток увеличивается на несколько порядков. Дальнейший ход процесса зависит от различных условий. При низких давлениях (~1 0-1 -10 Торр) и очень высокое электрическое сопротивление внешней цепи BC на рис. 1); при несколько меньших сопротивлениях возникает тлеющий разряд (часть CF), который характеризуется током B. Если расстояние между электродами велико, образуется однородный светящийся столб (столб положительного разряда), который представляет собой плазму. Плазма тлеющего разряда неравновесна, температура электронов составляет Tе. Если r порядка атмосферы, сопротивление мало, а источник тока сильный, то дуговой разряд зажигается вскоре после затухания, что характеризуется сильным током B (сегмент CH на рис. 1) и сильно светящимся столбом.
Дуга имеет высокую мощность, и стеклянная трубка быстро разрушилась бы из-за перегрева. Дугу можно поддерживать длительное время только в закрытом контейнере со специальным охлаждением. Дуга часто зажигается на открытом пространстве. Плазма в дуговом разряде часто находится в равновесии, причем разряд после затухания зависит от давления, напряжения и сопротивления и определяется пересечением ВАХ разряда и подводимого тока на диаграмме (рис. 1).
Классификация газовых разрядов
Среди постоянных независимых разрядов в поле постоянного тока наиболее важными и распространенными являются тлеющий разряд и дуговой разряд. Они отличаются механизмом катодной эмиссии, который обеспечивает протекание постоянного тока, поскольку основными носителями тока являются электроны. В тлеющих и таунсендовских разрядах катод холодный. Электроны оттягиваются от положительных ионов (и фотонов). В дуговом разряде катод нагревается сильным током и происходит термоионная эмиссия электронов; в сильно неоднородных полях, усиливающихся вблизи острых проводов, высоковольтных кабелей, возникает коронный разряд, независимый и с малым током. Искровой разряд является наиболее важным из быстропротекающих сильноточных разрядов и обычно возникает, когда
Электродные процессы также играют незначительную роль в большинстве разрядов в быстро меняющихся полях. Поэтому разряды можно классифицировать в зависимости от состояния плазмы разряда и частоты электрического поля, без учета характеристик, связанных с электродными эффектами. Состояние ионизации газа можно различать в зависимости от ее характера: 1) Распад,
2) Поддержание неравновесной плазмы электрическим полем,
3) поддержание равновесия плазмы. Электрические поля, вызывающие газовые разряды, делятся в зависимости от их частоты на: 1) постоянные, включающие низкочастотные и не очень короткоживущие импульсы; 2) высокочастотные (ВЧ), с частотами и длинами волн.
4) Оптические (от дальнего инфракрасного до ультрафиолетового). Все
Таблица 1 — Классификация разрядов
Что такое электрический разряд в газах
В зависимости от интенсивности потока ионов и сопутствующих явлений электрические разряды в газах при атмосферном или повышенном давлении можно разделить на разряды покоя, искровые и дуговые.
В спокойном разряде (рис. a) между электродами образуется поток ионов малой интенсивности. Движение ионов притягивает частицы воздуха и создает электрический ветер. Движение ионов заставляет частицы воздуха вибрировать, производя характерный свистящий звук.
Разряды покоя довольно интенсивны в темноте и испускают характерное фиолетовое свечение, называемое короной. Более интенсивный разряд покоя возникает в местах, где электрическое поле сильнее, на изгибах проволоки, на выступах, на краях электрода и т.д.
Разряд покоя используется, например, в настольном электроэффлювиальном газификаторе с частично открытым корпусом K, показанном на рисунке a. Ионный ток генерируется на нескольких клеммах I, которые находятся под высоким отрицательным потенциалом по отношению к корпусу устройства.
Образовавшиеся электроны и отрицательные ионы отталкиваются от наконечника (рис., b), а положительные ионы притягиваются к нему и нейтрализуются. Отрицательный потенциал генерируется выпрямительной схемой из переменного тока осветительной цепи. Ток отрицательных ионов выходит наружу через О-образные отверстия в крышке корпуса ионизатора.
Искровой электрический разряд
Искровой разряд (см. рис. b) создает гораздо более интенсивный поток ионов, сопровождаемый свечением, видимым при дневном свете, и сильным треском. Характерны нерегулярные искровые разряды, особенно когда они возникают между электродами, расположенными на большом расстоянии.
Температура газа в канале воспламенения достигает нескольких тысяч градусов. Поэтому электрическая искра обладает сильным коррозионным эффектом, который используется в медицине. Обычно используется искра, генерируемая высокочастотным контуром.
Дуговой электрический разряд
Наиболее интенсивный электрический разряд в газе называется дуговым разрядом (рис. 238, в ). Необходимым условием для образования и стабильности дугового разряда является наличие нагретых поверхностей на электродах. С этих поверхностей испускаются электроны, которые поддерживают сильную ионизацию газа в результате столкновений.
Дуга может возникнуть, например, между двумя угольными электродами. Они сначала соприкасаются, а затем отходят друг от друга на несколько миллиметров. К уголькам прикладывается низкое напряжение порядка 40-50 э, а ток дуги может достигать нескольких десятков ампер. Наиболее стабильная дуга получается при питании постоянным током.
В этом случае электрод, являющийся катодом, производит постоянный ток электронов, который поддерживает дугу. На положительном электроде, который бомбардируется электронами, образуется углубление — кратер — где температура достигает 4000 °C. Если дуга зажигается в атмосфере сжатого газа, можно достичь температуры кратера 5900°C, что близко к температуре поверхности Солнца.
Понятие электрического тока
Разряд молнии может вызвать электрический ток, называемый током короткого замыкания. Для поддержания тока в течение длительного времени необходимо наличие электрического поля и свободных носителей электрического заряда.
Электрическое поле создается телами, которые заряжены по-разному. Сила тока — это отношение заряда, перенесенного через поперечное сечение проводника за интервал времени, к этому интервалу. Он измеряется в амперах.
Электрический ток в газах
Молекулы газа не проводят электричество при нормальных условиях. Они являются изоляторами (диэлектриками). Однако при изменении условий окружающей среды газы могут стать проводниками электричества. В результате ионизации (путем нагрева или излучения) в газах возникает электрический ток, который часто заменяется термином «электрический разряд».
Разряды в газе могут быть независимыми или неразделенными. Ток начинает существовать, когда появляются свободные заряды. Независимые разряды существуют, когда действует внешняя сила, например, внешний ионизатор. Это означает, что если внешний ионизатор перестанет работать, ток также перестанет течь.
Независимые разряды электрического тока в газах все еще существуют, когда внешний ионизатор перестает действовать. В физике самостоятельные разряды делятся на разряды покоя, свечения, дуговые, искровые и коронные.
- Тихий – самый слабый из самостоятельных разрядов. Сила тока в нем очень мала (не более 1 мА). Он не сопровождается звуковыми или световыми явлениями.
- Тлеющий – если увеличить напряжение в тихом разряде, он переходит на следующий уровень – в тлеющий разряд. В этом случае появляется свечение, которое сопровождается рекомбинацией. Рекомбинация – обратный процесс ионизации, встреча электрона и положительного иона. Применяется в бактерицидных и осветительных лампах.
- Дуговой – сила тока колеблется от 10 А до 100 А. Ионизация при этом равна почти 100%. Этот тип разряда возникает, например, при работе сварочного аппарата.
- Искровой – можно считать одним из видов дугового разряда. Во время такого разряда за очень короткое время протекает определенное количество электричества.
- Коронный разряд – ионизация молекул происходит вблизи электродов с малыми радиусами кривизны. Этот вид заряда происходит тогда, когда напряженность электрического поля резко изменяется.
Применение газовых разрядов
Искровой разряд технически используется в системе зажигания двигателей внутреннего сгорания. Катушка зажигания генерирует напряжение 12-15 тысяч вольт. Этого достаточно для создания искры между электродами свечи зажигания и воспламенения топливной смеси.
Одним из видов искрового разряда является молния.
Дуговой разряд используется в качестве мощного источника света (прожектора), в электроплавильных печах, при электросварке и для ультрафиолетовых излучающих устройств.
Лампы накаливания используются в газоразрядных трубках для рекламных целей, люминесцентных лампах и цифровых дисплеях.
В природе свечение испускаемых газов наблюдается как aurora borealis.
Коронный разряд используется в электростатических фильтрах для очистки газов от твердых примесей и в работе громоотводов. В линиях электропередачи это приводит к потерям энергии.
В природе коронные разряды иногда генерируются атмосферным электричеством в ветвях деревьев, громоотводах и корабельных мачтах (Огни святого Эльма).
Вопросы:
1. это явление известно как:
(а) электрический разряд в газах,
(b) ионизация газа?
2. в чем заключается процесс рекомбинации заряженных частиц в газах?
3 Объясните механизм электропроводности газов.
4 Как называется газовый разряд:
5. как происходит ионизация электронным ударом?
6. что такое потенциал ионизации? Как его можно определить?
Если поместить пламя спиртовки в зазор между пластинами заряженного конденсатора, подключенного к электрометру (см. рис. 2.12), можно увидеть, что заряд конденсатора уменьшается.
Какой вид газового выброса наблюдается в этом случае?
Как изменяется скорость разряда конденсатора при:
(a) увеличить пламя пневматического пламени,
(b) удалить пламя спиртовки?
Пример решения задачи
Электрический пробой воздуха происходит в электрическом поле 3 МВ/м. Определите потенциал ионизации воздуха и скорость электронов до столкновения с молекулами, если свободный путь электронов равен 5 мкм.
Учитывая числовые данные
Реакция.i= 15 В; u ≈ 2,3 ∙ 10 6 м/с.
Упражнения:
1. планарный конденсатор подключен к источнику с напряжением 6 кВ. На каком расстоянии между пластинами происходит пробой при ударной ионизации воздуха при напряженности электрического поля 3 МВ/м?
2. потенциал ионизации атома ртути равен 10,4 В. С какой наименьшей скоростью электрон ионизирует атом ртути при ударе?
3. электрон со скоростью 1,83 ∙ 10 6 м/с влетел в однородное ускоренное электрическое поле. Через какую разность потенциалов должен пройти электрон, чтобы ионизировать атом водорода, если энергия ионизации равна 2,18 ∙ 1 0-18 Дж?
4. вспышки молнии — это прерывистые разряды, состоящие из одиночных импульсов длительностью около 1 мс. Мера заряда, проходящего через канал молнии за один импульс, составляет 20 Кл, а среднее напряжение на концах канала — 2 ГВ. Определите интенсивность и мощность импульса. Какая энергия выделяется во вспышке, если она состоит из трех разрядов?
