Студопедия
Новини освіти і науки:
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 газах

Розділ 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 αd -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 Ек3∙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:

  1. D) оснащення виробництва обладнанням, пристроями, інструментом, засобами контролю.
  2. PR-ІНСТРУМЕНТАРІЙ І МАНІПУЛЯТИВНІ ТЕХНОЛОГІЇ
  3. Автоматичне розвантаження по струму.
  4. Адаптація законодавства України до законодавства ЄС - один із важливих інструментів створення в Україні нової правової системи та громадянського суспільства
  5. Адаптація законодавства України до законодавства ЄС - один із важливих інструментів створення в Україні нової правової системи та громадянського суспільства
  6. Активний опір у ланцюзі синусоїдального струму
  7. Аналіз відхилень – основний інструмент оцінки діяльності центрів відповідальності
  8. Аналіз відхилень — основний інструмент оцінки діяльності центрів відповідальності
  9. Аналіз умов ураження людини електричним струмом.
  10. Аналітичні методи та інструменти підтримки прийняття управлінських рішень.
  11. Анкета — основний інструмент дослідження
  12. Б- не збуджена ділянка мембрани , на яку діють електричні струми збудженої ділянки. Стрілками показано напрям струмів, кружечками – дійсне переміщення іонів.




Переглядів: 3934

<== попередня сторінка | наступна сторінка ==>
Електричний струм у рідинах | Магнітне поле і його характеристики

Не знайшли потрібну інформацію? Скористайтесь пошуком google:

 

© studopedia.com.ua При використанні або копіюванні матеріалів пряме посилання на сайт обов'язкове.


Генерація сторінки за: 0.013 сек.