МАРК РЕГНЕРУС ДОСЛІДЖЕННЯ: Наскільки відрізняються діти, які виросли в одностатевих союзах
РЕЗОЛЮЦІЯ: Громадського обговорення навчальної програми статевого виховання ЧОМУ ФОНД ОЛЕНИ ПІНЧУК І МОЗ УКРАЇНИ ПРОПАГУЮТЬ "СЕКСУАЛЬНІ УРОКИ" ЕКЗИСТЕНЦІЙНО-ПСИХОЛОГІЧНІ ОСНОВИ ПОРУШЕННЯ СТАТЕВОЇ ІДЕНТИЧНОСТІ ПІДЛІТКІВ Батьківський, громадянський рух в Україні закликає МОН зупинити тотальну сексуалізацію дітей і підлітків Відкрите звернення Міністру освіти й науки України - Гриневич Лілії Михайлівні Представництво українського жіноцтва в ООН: низький рівень культури спілкування в соціальних мережах Гендерна антидискримінаційна експертиза може зробити нас моральними рабами ЛІВИЙ МАРКСИЗМ У НОВИХ ПІДРУЧНИКАХ ДЛЯ ШКОЛЯРІВ ВІДКРИТА ЗАЯВА на підтримку позиції Ганни Турчинової та права кожної людини на свободу думки, світогляду та вираження поглядів
Контакти
Тлумачний словник Авто Автоматизація Архітектура Астрономія Аудит Біологія Будівництво Бухгалтерія Винахідництво Виробництво Військова справа Генетика Географія Геологія Господарство Держава Дім Екологія Економетрика Економіка Електроніка Журналістика та ЗМІ Зв'язок Іноземні мови Інформатика Історія Комп'ютери Креслення Кулінарія Культура Лексикологія Література Логіка Маркетинг Математика Машинобудування Медицина Менеджмент Метали і Зварювання Механіка Мистецтво Музика Населення Освіта Охорона безпеки життя Охорона Праці Педагогіка Політика Право Програмування Промисловість Психологія Радіо Регилия Соціологія Спорт Стандартизація Технології Торгівля Туризм Фізика Фізіологія Філософія Фінанси Хімія Юриспунденкция |
|
|||||||
Електричний струм у газахРозділ 8. Електричний струм у газах 11.1. Іонізація і рекомбінація Гази на відміну від металів і електролітів за звичайних умов складаються з електрично нейтральних атомів та молекул і тому не є провідниками електрики. Досліди підтверджують це. Заряджений електрометр на ізольованій підставці в сухому атмосферному повітрі довгий час не втрачає свого заряду тому, що він практично не розряджається через повітря, бо в ньому немає вільних зарядів. Якщо до двох обкладок плоского повітряного конденсатора під єднати джерело струму і послідовно увімкнути гальванометр, то в разі замикання електричного кола гальванометр не зафіксує струму, оскільки повітряний прошарок між обкладками конденсатора є ізолятором. Підігрівши повітряний прошарок конденсатора запаленим сірником, будемо спостерігати помітний струм. Отже, щоб газ став провідним, треба внести або створити в ньому вільні носії заряду. Це можна здійснити, перш за все, способом іонізації нейтральних атомів або молекул газу. Іонізація газів можлива під впливом космічного, рентгенівського або радіоактивного проміння, через зіткнення атомів із швидкими електронами або іншими елементарними чи атомними частинками, під час нагрівання газів тощо. У кожному разі відбувається відщеплення з електронної оболонки атома чи молекули одного або кількох електронів. Цей процес називають іонізацією. Внаслідок іонізації з'являються вільні електрони і позитивно заряджені іони. Вільні електрони, у свою чергу, можуть захоплюватись нейтральними атомами або молекулами, перетворюючи останні в негативні іони. Таким чином, у газі під дією іонізаторів з'являються позитивні і негативні іони та вільні електрони. Газ стає провідником струму. Між іншим, гази (наприклад, повітря) за звичайних природних умов мають незначну провідність, зумовлену частковою іонізацією їх під дією космічного проміння та опромінення радіоактивними елементами, які завжди в невеликій кількості є на поверхні землі та в повітрі. Атоми і молекули є стійкими системами заряджених частинок. Для відриву від атома електрона потрібно затратити енергію, яку називають енергією або роботою іонізації. Робота іонізації Аi атомів різних газів не однакова. Вона залежить від хімічної природи газу та енергетичного стану електрона в атомі або молекулі. Виражається робота іонізації в електрон-вольтах. Енергію іонізації характеризують потенціалом іонізації φi, під яким розуміють ту різницю потенціалів, яку має пройти електрон у прискорювальному електричному полі, щоб набути енергії, яка дорівнює роботі іонізації: . Іони та вільні електрони в іонізованому газі, як І нейтральні атоми та молекули, перебувають у постійному хаотичному русі. У разі зближення протилежно заряджених частинок вони з'єднуються між собою і утворюють нейтральні атоми та молекули. Цей процес називають рекомбінацією. Під час рекомбінації позитивного іона та електрона або двох іонів протилежних знаків звільняється енергія, яка витрачалась при їх іонізації. Якщо іонізація газу відбувається досить довго, то за відсутності зовнішнього електричного поля між процесами іонізації і рекомбінації встановлюється динамічна рівновага. Це означає, що кількість пар іонів, створюваних іонізатором за одиницю часу в одиниці об'єму газу, дорівнюватиме кількості нейтральних атомів і молекул, які утворюються в тому ж об'ємі газу за той самий час. Рекомбінація іонів супроводжується виділенням енергії здебільшого у вигляді світлового випромінювання, тому процеси, які відбуваються при рекомбінації, характерні світінням газу. 11.2. Несамостійний розряд у газах Явища, які пов'язані з проходженням електричного струму крізь газ і супроводжуються зміною стану газу (склад, тиск, енергетичні стани молекул тощо), називають електричним розрядом у газах. Залежно від механізму іонізації розряди в газах поділяють на несамостійні і самостійні. Електричний розряд вважають несамостійним, якщо він виникає тільки під дією іонізатора, а з припиненням його дії розряд зникає. Електропровідність газів досліджують за допомогою газорозрядної трубки (рис. 11.1) з двома електродами, наповненої досліджуваним газом. Напругу між електродами змінюють потенціометром. Іонізацію здійснюють довільним способом, наприклад, ультрафіолетовим або рентгенівським випромінюванням. Як видно з вольт-амперної характеристики електричного розряду (рис. 11.2), в газі при постійній потужності іонізатора спочатку зі зміною напруги U струм змінюється лінійно. З подальшим збільшенням напруги залежність I=f(U) набуває нелінійного характеру, а при U>U1, сила струму не залежить від напруги (Iн = const). Струм Iн називають струмом насичення. З підвищенням напруги U > U2 спостерігається значне зростання сили струму, яке супроводжується тепловими і світловими ефектами. Струм у газах при несамостійному розряді створюється напрямленим рухом іонів і електронів під дією електричного поля. Розглянемо несамостійний газовий розряд кількісно. Для спрощення вважатимемо, що газовий розряд відбувається між двома плоскими електродами, де концентрація позитивних і негативних іонів однакова (n+ = n_ = n); заряди позитивних і негативних іонів за абсолютним значенням дорівнюють зарядові електрона (q+ = q_ =\е\). У газових розрядах часто спостерігається нерівномірний розподіл іонів між електродами. При цьому градієнт концентрації їх dn/dx не дорівнює нулеві і виникає помітний дифузійний потік іонів.
Рис.11.1 Рис. 11.2 У разі створення між електродами різниці потенціалів крім дифузійних потоків іонів виникає напрямлений рух позитивних і негативних іонів, тому повна густина струму буде визначатись виразом
. (11.1) де v+, v_, D+, D_ – відповідно швидкості напрямленого руху і коефіцієнти дифузії позитивних і негативних іонів. Якщо концентрація іонів в усьому об'ємі між електродами однакова, то дифузійних потоків іонів не буде. Тоді вираз (11.1) спрощується: , (11.2) де b+, b_ — рухливості іонів газу, які введено аналогічно рухливостям іонів електроліту; Е — напруженість електричного поля. Формула (11.2) подібна до закону Ома. Вона буде еквівалентною законові Ома за умови, якщо множник пе(b+ + b_) не залежить від Е. Це справджується у разі досить малих Е, де спостерігається лінійний характер вольт-амперної характеристики. Запишемо рівняння балансу іонів у газі за наявності в ньому електричного струму і постійної дії зовнішнього іонізатора. Нехай під дією іонізатора щосекунди в одиниці об'єму утворюється пар іонів. Внаслідок рекомбінації щосекунди зникає в одиниці об'єму певна кількість пар іонів , , яка пропорційна як концентрації позитивних іонів n+, так і концентрації негативних іонів п_, тобто (α — коефіцієнт рекомбінації; n+ = n_ =n). За наявності електричного струму також відбуватиметься зменшення концентрації іонів газу. Якщо площа електрода S, а відстань між електродами l, то при силі струму I (густині струму j)зменшення кількості іонів в одиниці об'єму за одиницю часу визначатиметься так: . Рівняння балансу матиме вигляд . (11.3) Умовою динамічної рівноваги кількості іонів у між електродному просторі за наявності струму є dn/dt = 0, тобто . (11.4) Розглянемо граничні випадки. Якщо густина струму незначна і втрати іонів внаслідок їх переміщення до електродів під дією поля напруженістю Е значно менші від їх втрат через рекомбінацію, тобто j/(le)<<αп2, то і вираз (7.2) матиме вигляд . (11.5) Цей випадок реалізується за досить малих напруженостей електричного поля Е. Для таких полів виконується закон Ома в газових розрядах. Тепер вважатимемо, що зменшенням концентрації іонів через їхню рекомбінацію можна нехтувати порівняно зі зменшенням концентрації іонів завдяки наявності електричного струму, тобто j/(le)>> αп2. Тоді . (11.6) Звідси видно, що за такої умови густина струму не залежить від напруженості поля Е. Формула (11.6) виражає густину струму насичення. Значення j залежить від , тобто від іонізуючої здатності іонізатора. Чим більша потужність іонізатора (чим більше утворюється за одиницю часу пар іонів ), тим більшим буде струм насичення Iн за тих самих значень напруги U. З формули (11.6) випливає дещо несподіваний на перший погляд висновок про те, що густина струму насичення j там більша, чим більша відстань між електродами. Цей висновок справедливий за умови, що іонізація відбувається в усьому об'ємі між електродами. Оскільки при струмі насичення кількість іонів, що утворюються за одиницю часу, дорівнює кількості іонів, які щосекунди досягають електродів, тому відповідно й густина струму насичення пропорційна l, бо при більшій відстані між електродами виникатиме більша кількість іонів. Для проміжних значень напруженості електричного поля залежність сили струму від напруженості має складніший характер; закон Ома не виконується. 11.3. Самостійний розряд у газах З підвищенням напруги до значень U > U2 сила струму в газовому розряді різко зростає в сотні і тисячі разів. Дослід показує, що за певних умов припинення дії іонізатора не впливає на протікання розряду. Електричний струм у газі, який проходить без дії зовнішнього іонізатора, називають самостійним розрядом. Самостійний розряд підтримується за досить високої напруги на електродах, при якій той розряд, що почався, самостійно створює потрібні для його подальшого протікання електрони та іони. Поповнення носіїв заряду при самостійному розряді може відбуватись із різних причин, зокрема завдяки механізмові ударної іонізації атомів (молекул) газу. Це процес вибивання електронів з нейтральних атомів під час зіткнення їх з потоком швидких електронів. Отже, несамостійний розряд переходить у самостійний тоді, коли нові іони утворюються внаслідок внутрішніх процесів, що відбуваються у самому газі. Первинні електрони, які спричиняють лавиноподібне зростання концентрації носіїв заряду в між електродному газовому просторі, можуть з'явитися внаслідок виривання електронів сильним електричним полем з окремих молекул газу або з холодного катода (автоелектронна емісія), іонізації газу космічним, γ- або рентгенівським промінням тощо. Первинні електрони на шляху вільного пробігу прискорюються сильним зовнішнім полем і розганяються до швидкостей, коли їх кінетична енергія дорівнює або й стає більшою від роботи іонізації атомів газу. При цьому з'являються позитивні іони та нові електрони, які також набувають енергії, потрібної для іонізації нейтральних атомів газу. Цей процес народження все нових носіїв заряду багаторазово повторюється і лавиноподібно наростає. Так відбувається з кожним електроном, аж поки він не досягне анода. Це спрощена картина ударної іонізації. У дійсності не при кожному зіткненні відбувається іонізація, далеко не всі електрони на шляху вільного пробігу набувають енергії, потрібної для іонізації нейтральних атомів. Разом з процесом іонізації відбувається просто збудження атомів, коли вони переходять на більш високі енергетичні рівні, а при поверненні в нормальний стан випромінюють світло і, отже, газ при самостійному розряді світиться. Ударна іонізація відбувається за умови, коли кінетична енергія заряджених частинок (електронів) Wк стає більшою від роботи іонізації Аі, атомів газу, тобто Wк > Аi, , або , де — потенціал іонізації. Кінетичну енергію електрон набуває в постійному електричному полі на шляху вільного пробігу: , де d — відстань між електродами. Умова ударної іонізації набуває вигляду . З цієї умови випливає, що досягти ударної іонізації атомів газу можна або збільшенням напруженості електричного поля Е= U/ d, або збільшенням < l > (розрідженням газу). Розглянемо елементарні основи теорії самостійного розряду. Зазначимо, що при великих значеннях напруженості поля Е рекомбінацією носіїв заряду можна нехтувати, оскільки зразу після виникнення різнойменних зарядів вони розводяться в протилежні боки сильним електричним полем. Приймемо, що відстань між електродами в газорозрядній трубці d (рис. 11.3). Нехай за час t біля катода утворилися первинні електрони концентрацією n0. Рухаючись у прискорювальному електричному полі, електрони на своєму шляху х будуть іонізувати атоми газу. Вважатимемо, що на шляху х внаслідок ударної іонізації утворилось у кожній одиниці об'єму п вторинних електронів. Виділимо шар газу dx >> <l>. Пролітаючи крізь цей шар, п електронів іонізують атоми і їхня концентрація на цьому шляху зростає на dп. Очевидно, що dп буде прямо пропорційним як кількості електронів п, так і відстані dх: Рис. 11.3 , (11.7) де α — коефіцієнт ударної іонізації, м -1. Інтегруючи останній вираз, одержимо: п = Сеαx. (11.8) При х = 0 С = п0. Тоді п = n0еαx. (11.9) Кількість електронів, які досягають одиниці площі анода (х =d), nа = n0еαd. (11.10) З формули (11.10) випливає, що при n0 = 0 na, також дорівнює нулеві і, отже, ударної іонізації не відбудеться. Щоб розряд був самостійним, треба, щоб електронні лавини підтримували самі себе, тобто щоб у газі відбувався ще один процес, завдяки якому утворювалися б нові електрони. Одним із таких процесів може бути вторинна електронна емісія з катода під час його бомбардування іонами. Позначимо кількість електронів, що звільняються з одиниці поверхні за одиницю часу під дією зовнішнього іонізатора і внаслідок вторинної електронної емісії, через nк. Тоді густина потоку електронів на аноді буде nа = nkеαd. (11.11) Внаслідок ударної іонізації кількість електронів, що виникає в лавині, дорівнює кількості позитивних іонів, які при цьому утворюються, тобто nа – nк = nк (еαd -1). (11.12) Під час бомбардування катода іонами внаслідок вторинної електронної емісії з нього звільнятиметься електронів , де γ — коефіцієнт пропорційності (для металів γ <1). Тоді, враховуючи одночасну дію зовнішнього іонізатора і вторинну електронну емісію з катода, можна записати, що . (11.13) Звідси . (11.14) Густина потоку електронів на аноді . (11.15) На аноді струм газового розряду повністю визначається рухом електронів, тому густина струму на основі (11.15) виражатиметься так: . (11.16) При стаціонарному режимі розряду густина струму має бути однаковою в усьому проміжку газового розряду, тому в будь-якій точці на струму складатиметься із суми густин електронного jе та іонного ji струмів, тобто j = je + ji. Аналіз виразу (11.16) свідчить про те, що за умови, коли , густина струму навіть у разі припинення дії зовнішнього іонізатора (n0 = 0). Отже, умовою виникнення самостійного розряду є рівність . (11.17) Напругу, при якій виконується умова (11.17), називають напругою пробою газу або напругою запалювання газового розряду. Розглянуту теорію самостійного розряду вперше розробив англійський фізик Дж. Таунсенд (1868—1957). 11.4. Тліючий розряд Форма і взаємне розміщення електродів, режим їхньої роботи (підведена потужність, характер охолодження та інші параметри) визначають тип розряду. Кожному типові відповідає певний стан іонізованого газу, який характеризується температурою, електропровідністю, спектрами випромінювання і поглинання тощо. Більше того, виявляється, що стан деякого елемента іонізованого газу для конкретного типу розряду істотно залежить від того, в якій області розрядного проміжку міститься цей елемент, та від його відстані до електрода. У зв'язку з цим розрізняють не тільки типи розрядів, а й області розрядного проміжку, що належать до того самого типу розряду.
Рис. 11.4 Найпростішим і найбільш вивченим типом розряду, в якому газ перебуває в дуже не рівноважному стані, є тліючий розряд. Він спостерігається в газах при низьких тисках (близько 103 Па і менше). Тліючим розрядом називають самостійний розряд, в якому звільнення електронів з катода відбувається внаслідок бомбардування його позитивними іонами і фотонами, що утворюються в газі. Для спостереження розряду цього типу беруть скляну трубку 30—50 см завдовжки, в яку впаяно два електроди (рис 11.4, а). Коли напруга між електродами становить кілька сотень вольтів і тиск газу у трубці близько 7∙103 Па, виникає самостійний розряд у вигляді тонкої гнутої нитки, а при тиску близько 133∙10-1 —133∙10-2 Па розряд має вигляд, який схематично зображено на рис 11.4, а. Розрядний проміжок між катодом і анодом поділяється на ряд областей. Безпосередньо до катода прилягає вузький, так званий астоновий темний простір 1. У цьому шарі електрони, звільнені з катода, ще не набули енергії, достатньої для збудження атомів і молекул газу. Його ширина становить кілька десятих часток міліметра. До цього шару прилягає тонкий світлий шар 2, який називають катодним світінням. У цьому шарі відбувається збудження атомів і молекул електронами без іонізації їх. При переході в нормальний стан збуджені атоми випромінюють світло. За катодним шаром іде темний шар 3, який названо темним катодним простором або темним круксовим простором. У цьому просторі відбуваються іонізація атомів і молекул та наростання електронних лавин. Область темного катодного простору найважливіша для підтримання самостійного розряду, оскільки в ній утворюються позитивні іони, які й зумовлюють вторинну емісію електронів з катода. Світлий шар 4 називають тліючим світінням. Воно виникає внаслідок рекомбінації електронів з іонами, а також переходів атомів із збудженого стану в нормальний. Цей шар має різку межу з боку катода. Його яскравість поступово зменшується і переходить у так званий темний фарадеїв простір 5. Області 1 – 5 називають катодними частинами розряду. В них відбуваються всі процеси, внаслідок яких розряд є самостійним. За Фарадеєвим простором лежить світна область 6, яка досягає анода. Цю область називають позитивним світним стовпом. Іноді цей стовп розпадається на кілька шарів, або страт. Позитивний стовп — це іонізований газ, і його світіння зумовлене в основному рекомбінацією електронів з позитивними іонами. Наявність позитивного стовпа не впливає на підтримання самостійного розряду. Однак ця область найцікавіша з погляду застосування тліючого розряду. З'ясуванню характеру фізичних процесів, які відбуваються в кожній області тліючого розряду, допомагають криві розподілу потенціалу φ і напруженості електричного поля Е вздовж розрядної трубки l (рис. 11.4, б, в). Оскільки в позитивному стовпі хід залежності потенціалу від l лінійний, а напруженість постійна, то з цього випливає висновок, що концентрації позитивних і негативних зарядів є однаковими. Якщо в газорозрядній трубці зробити анод рухомим, то під час його переміщення до катода катодні області розряду 1 – 5 залишатимуться без змін, а позитивний стовп буде скорочуватись до повного зникнення його. З подальшим переміщенням анода в тліючий шар світіння зникає зовсім. Розряд припиняється, коли анод буде на межі просторів 1 і 2. Дослід показує, що коли сила струму при розряді є невеликою, то катодний спад потенціалу не залежить від сили струму. Зміна сили струму зумовлює тільки зміну розміру світної поверхні на катоді. Такий спад потенціалу називають нормальним катодним спадом. Коли ж сила струму досягає певного значення, вся поверхня катода покривається світною плівкою і катодний спад потенціалу починає зростати із збільшенням сили струму. У цьому разі його називають аномальним катодним спадом, а розряд — аномальним тліючим розрядом. Виявляється, що нормальний катодний спад потенціалу залежить тільки від матеріалу катода і роду газу. Катодний спад потенціалу при цьому пропорційний роботі виходу електронів із катода. Така залежність дає можливість виготовляти газорозрядні трубки з малою напругою запалювання розряду. Так, у неонових лампах, залізні електроди яких покриті шаром барію, напруга запалювання розряду близько 70 В. Такі лампи широко використовуються як індикаторні. Оскільки речовина катода в тліючому розряді поступово переходить у пароподібний стан, то такий розряд широко використовується для катодного розпилювання металів. Якщо перед катодом тліючого розряду розміщати різні предмети, то вони покриватимуться тонким шаром металу катода. Так виготовляють металеві дзеркала високої якості. Тліючий розряд також широко використовується як джерело світла (лампи денного світла, рекламні газорозрядні трубки тощо). На відміну від газу катодної частини розряду газ позитивного стовпа характеризується високим ступенем просторової однорідності параметрів уздовж стовпа. Характерною особливістю позитивного стовпа є те, що відношення напруженості електричного поля до густини газу і середня енергія електронів встановлюються незалежно від сили струму, що проходить під час розряду, та від прикладеної до електродів напруги. Розряд в атомарному газі значно відрізняється від розряду в молекулярному газі. Це пов'язано з наявністю у них коливальних і обертальних ступенів вільності. Наявність цих додаткових ступенів вільності визначає основні властивості розряду в молекулярних газах і уможливлює широке застосування розряду цього типу в різних лазерних, плазмохімічних та інших установках. Створення не рівноважного стану молекулярного газу за допомогою газового розряду дає змогу застосовувати його для прискорення хімічних реакцій. 11.5. Іскровий розряд З поступовим збільшенням напруги між двома електродами, розміщеними в газі при нормальному тиску, виникає самостійний розряд, який називають іскровим. При цьому повітряний проміжок між електродами пронизується яскраво світним тонким каналом зигзагоподібної форми з розгалуженнями (рис. 11.5). Іскровий розряд у газах — це пробій газового діелектрика, який відбувається у разі досягнення певної напруженості електричного поля Ек (критична напруженість поля, або напруга пробою). Ця напруженість залежить від роду газу, його стану та від форми електродів. Для повітря за нормальних умов Ек ≈ 3∙106 В/м. Критичне значення напруженості майже лінійно залежить від тиску газу в широкому його інтервалі, тобто . (11.18) Однак після того як розрядний проміжок «пробито» іскровим каналом, опір цього проміжку стає малим і крізь канал проходить короткочасний імпульс струму великого значення, що зумовлює виділення великої кількості теплоти. При цьому температура газу в розрядному проміжку досягає 104 К. Миттєво нагрітий газ розширюється з утворенням циліндричних ударних хвиль. Це супроводжується звуковими ефектами (тріск або грім). Рис.11.5 Рис.11.6 Досліди показують, що канали іскрового розряду починають зростати іноді від позитивного електрода, іноді від негативного, а іноді навіть від якоїсь точки між ними. Напруженість поля біля електродів залежить від кривизни поверхні електрода. Тому мінімальні напруги, при яких для даної відстані між електродами починається іскровий розряд, неоднакові для електродів різної форми. Так, при напрузі 105 В у повітрі за нормальних умов іскровий розряд між вістрями відбувається у проміжку 220 мм, а між плоскими електродами — у проміжку 36,7 мм. Якщо зменшувати відстань між електродами при постійній напрузі, то напруженість електричного поля в газовому проміжку буде зростати і при досягненні критичної напруженості Ек відбувається іскровий розряд. Чим більша відстань між електродами, тим більша напруга потрібна між ними, при якій вперше проскочить іскра. Така залежність розміру іскрового проміжку від напруги покладена в основу роботи високовольтного іскрового вольтметра. Розглянемо механізм утворення іскрового розряду. Спочатку вважали, що іскровий розряд зумовлений тими самими процесами, що і тліючий розряд, тобто об'ємною іонізацією молекул електронами і вторинною електронною емісією позитивних іонів. Однак, як показав дослід, ці процеси не можуть пояснити ряду особливостей утворення іскрового розряду. Так, згідно з наведеним механізмом розряду час для розвитку іскри має бути близько 10-4—10-5 с. Осцилографічні дослідження показують, що час розвитку іскрового розряду значно менший і становить 10-7—10-8 с. Механізм розвитку іскрового розряду пояснюється стримерною теорією розряду, яку розробили у 1940 р. Д. Мік і Т. Льоб. Ця теорія якісно пояснює основні особливості розряду. Згідно з цією теорією виникненню яскраво світного каналу іскри передує поява світних областей підвищеної провідності — стримерів, їхнє зародження пояснюється виникненням електронних лавин біля катода. Під дією стримерів відбувається іонізація і збудження атомів та молекул газу. Світлові кванти, що випромінюються збудженими атомами та молекулами на шляху руху до анода, іонізують газ і створюють початки нових стримерів. Таким чином, причиною виникнення стримерів є не тільки утворення електронних лавин внаслідок ударної іонізації, а й іонізація газу випромінюванням, що виникає в самому розряді (фотоіонізація). Після електронної лавини, що виникла біля катода внаслідок фотоіонізації, відбувається виникнення нових лавин. Ці лавини при своєму розвитку породжують інші лавини. Такий процес відбувається досить швидко. Поки перша лавина досягне розмірів АВ, область підвищеної іонізації (стример) матиме розміри СП (рис 11.6: лавини умовно зображені заштрихованими конусами, а хвилястими лініями показано напрям поширення випромінювання від областей підвищеної іонізації). У твердих і рідких діелектриках іскровий розряд є основною формою самостійної провідності і зв'язаний з руйнуванням самого діелектрика. У твердих діелектриках іскра залишає отвір, тому слово «пробій» відповідає своєму змістові. Поряд із стримерами, що поширюються від катода до анода (негативні стримери), існують також стримери, що поширюються від анода до катода (позитивні стримери). 11.6. Коронний розряд Коронний розряд спостерігається при порівняно високих тисках газу (атмосферний тиск), що перебуває в досить неоднорідному електричному полі. Таке поле можна створити між двома електродами, поверхня одного з яких має значну кривизну (дріт, вістря). Наявність другого електрода не обов'язкова, оскільки його роль можуть виконувати заземлені тіла. Коли напруженість електричного поля біля електрода з більшою кривизною досягне 3∙106 В/м, навколо нього виникає світіння. Воно має вигляд оболонки, або корони, що оточує цей електрод. Корону, яка виникає навколо негативного електрода, називають негативною, а навколо позитивного електрода — позитивною. Механізм виникнення розряду в обох випадках різний. Якщо корона є негативною, то позитивні Іони, які утворюються електронними лавинами, прискорюються неоднорідним електричним полем біля катода і зумовлюють вторинну електронну емісію. Ці електрони породжують нові електронні лавини. Оскільки з віддаленням від дроту напруженість поля зменшується, то на деякій відстані від неї електронні лавини обриваються. Відстань, на яку поширюються електронні лавини, є товщиною корони. Вона завжди менша від відстані між електродами. При коронному розряді електронні лавини не пронизують цілком шар газу, тобто має місце неповний пробій газового проміжку. Електрони, які потрапляють у темну зону коронного розряду, приєднуються до нейтральних атомів газу, внаслідок чого виникають негативні іони. У разі чистих електропозитивних газів негативні Іони не утворюються, тому носіями заряду в цій зоні будуть електрони. Дослідно встановлено, що додавання незначної кількості електронегативного газу до електропозитивного значно зменшує силу розрядного струму за однакових умов. У темній зоні розряд має несамостійний характер. Якщо корона є позитивною, то електронні лавини виникають не внаслідок вторинної електронної емісії, а через об'ємну фотоіонізацію випромінюванням коронного шару біля анода. Позитивні іони в темній зоні корони рухаються до катода. Для виникнення коронного розряду в повітрі необхідно, щоб напруженість електричного поля на поверхні електрода була не меншою від початкової напруженості Е поля корони, яка визначається емпірично формулою Піка кВ/см, де δ — густина газу, віднесена до його густини при атмосферному тиску і температурі 25 °С; r0— радіус дроту циліндричної форми, на якому виникає корона. Поряд із стаціонарним проходженням струму в коронному розряді можливі також переривисті явища. У негативній короні ці явища залежать від природи газу, його вологості, наявності в ньому пилу, від стану поверхонь електродів. При цьому в розряді спостерігаються регулярні Імпульси струму. Вони являють собою ряд лавин, що супроводжуються фотоіонізацією в оточуючому об'ємі газу. В позитивній короні переривисті явища зумовлені наявністю імпульсів двох видів: лавинних і стримерних. Наявність переривистих явищ у коронному розряді є причиною виникнення значних радіоперешкод, Із збільшенням напруги між електродами так звана темна зона коронного розряду зникає та виникає іскровий розряд. Коронний розряд займає проміжне положення між тліючим і іскровим розрядами. Коронний розряд слід враховувати у техніці високих напруг, оскільки при цьому відбуваються втрати електричної енергії. Для запобігання виникненню корони на високовольтних лініях проводи не повинні мати дефектів у вигляді гострих виступів. Коронний розряд використовують в електричних фільтрах, призначених для очищення промислових газів від твердих і рідких домішок (дим при виробництві сірчаної кислоти, загазованість цехів ливарного виробництва чорної та кольорової металургії тощо 11.7. Дуговий розряд Якщо добути іскровий розряд від потужного джерела струму, а потім поступово зменшувати відстань між електродами, то переривистий розряд стає неперервним, тобто виникає новий вид розряду, який називають дуговим. При цьому сила струму різко зростає, а напруга на розрядному проміжку падає до кількох десятків вольтів. Дуговий розряд можна утворити, минаючи Іскровий розряд. Для цього електроди зближають до дотикання їх. У місцях контакту виникає великий електричний опір. Внаслідок цього виділяється значна кількість теплоти і електроди розжарюються. Якщо тепер електроди розвести на певну відстань, то між ними виникає дуговий розряд. Саме так у 1802 р. В. В. Петров відкрив дуговий розряд. Електричну дугу в газі при атмосферному тиску утворюють за допомогою спеціальних вугільних електродів, які виготовляють пресуванням порошкоподібного графіту і зв'язувальних речовин. Під час горіння дуги відстань між електродами становить близько 5 мм, сила струму — 10 – 20 А, а напруга між ними — 40 – 50 В. У процесі горіння дути вугільний катод загострюється, а на аноді утворюється заглибина, яку називають кратером дуги. Його температура при атмосферному тиску досягає 4000 °С, а при тиску 20 атм — понад 7000 °С. Катод дуги має нижчу температуру, ніж анод, тому при атмосферному тиску його температура досягає 3500 °С. В електричній дузі з металевими електродами відбувається швидке випаровування металу, на що витрачається значна кількість теплоти. Тому температура такої дуги нижча, ніж дуги з вугільними електродами, і становить 2000 — 2500 °С. Лекція 12 Читайте також:
|
||||||||
|