Амперный диапазон тока в газе
Газовый разряд как электрический ток в газе. Переход тлеющего разряда в дуговой с ростом давления газа при меньшем напряжении и более высоких значениях тока. Теория формирования стимера. Кривые Пашена по теории электронных лавин и по теории стимеров.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | реферат |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 30.11.2011 |
| Размер файла | 96,4 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Содержание
- Глава 1. Амперный диапазон тока в газе (дуговый разряд)
- 1.1 Постановка задачи
- 1.2 Решение задачи
- 1.3 Анализ результатов решения
- Глава 2. Искровый разряд
- 2.1 Постановка задачи
- 2.2 Решение задачи
- 2.3 Анализ результатов решения
- Заключение
- Список литературы
Глава 1. Амперный диапазон тока в газе (дуговый разряд)
1.1 Постановка задачи
При значительном увеличении тока аномального тлеющего разряда экспериментально обнаруживается, что рост напряжения замедляется и возрастающий участок ВАХ переходит в падающий. В амперном диапазоне напряжение снижается приблизительно до потенциала ионизации газа (десятки вольт). Визуально наблюдается разогрев катода до яркого свечения. Подобный разряд называется дуговым. Необходимо математически проанализировать и объяснить наблюдаемое явление.
1.2 Решение задачи
Решение базируется на учете термоэмиссии катода в результате разогрева ионной бомбардировкой. Формально полагается, что термоэмиссия увеличивает коэффициент , который определяет количество электронов, выходящих из катода при поступлении на него одного иона:
, (1.1)
где - коэффициент вторичной эмиссии электронов, связанный с выделением энергии при нейтрализации ионов;
- коэффициент, учитывающий как вторичную, так и термоэлектронную эмиссию;
- плотность термоэмиссионного тока с катода;
- плотность ионного тока на катод.
амперный диапазон ток газ
Величину выразим через общую плотность тока на катоде:
, (1.2)
где - общая плотность; - электронная составляющая тока на катоде. Объединив (1.1) и (1.2), получим:
. (1.3)
Термоэмиссия определяется формулой Ричардсона-Дэшмана:
, (1.4)
где = 1,2 10 6 (А м - 2 К - 2), - работа выхода, - температура катода, определяемая из баланса подводимой и отводимой мощностей:
, (1.5)
где - напряжение на промежутке; - мощность, выделяющаяся на катоде в результате ионной бомбардировки; - мощность, излучаемая с катода по закону Стефана-Больцмана; - коэффициент излучения; константа = 5,7 10 - 8 (система СИ); - площадь катода.
Искомая ВАХ дугового разряда находится численным методом с помощью теоретической зависимости (рис.5.1), уравнений (5.5), (5.7), (5.8), (1.3), (1.4) и (1.5). Алгоритм расчета: задание плотности тока и выбор напряжения ; определение из (1.5); расчет коэффициента по соотношению (1.3); расчет коэффициентов и по уравнениям (5.7) и (5.8); определение величины ; нахождение по зависимости значения ; расчет ; сопоставление полученной величины с выбранной в начале расчета; повторение цикла с шагом по до совпадения исходной и конечной величин .
1.3 Анализ результатов решения
Рис.1.1 ВАХ в области перехода тлеющего разряда в дуговой при двух значениях давления азота для вольфрамового катода
Несмотря на приближённость использованной физической модели, результаты расчета соответствуют эксперименту: возрастающий участок расчёт - ной ВАХ переходит с ростом тока в падающий (рис.1.1). Расчет показывает, что температура катода достигает весьма высоких значений (от 2000 до 3000 К), при которых плотность тока термоэмиссии становится близ - кой к общему току. В соответствии с (1.3) это означает рост коэффициента до величины порядка единицы (без термоэмиссии коэффициент составляет сотые доли единицы). Отсюда следует, что для самовоспроизводства носителей тока достаточно того, чтобы количество ионов в электронной лавине лишь немного превышало единицу. Это очень низкая интенсивность ионизации (в лавине тлеющего разряда - десятки или сотни ионов), которая обеспечивается при невысоком напряжении, что и объясняет падающий участок ВАХ дугового разряда.
В таком разряде электронные лавины развиваются слабо не только в результате низкого напряжения, но и за счет малой протяженности области катодного падения потенциала, которая приблизительно равна средней длине свободного пробега электронов (в тлеющем разряде на 1 - 2 порядка больше). Электроны в этой области сталкиваются с молекулами газа в среднем один раз, что и определяет малое количество ионизаций. Сужение области катодного падения потенциала обеспечивается большим пространственным зарядом ионов в амперном диапазоне тока разряда.
Из расчетов следует, что с ростом давления газа тлеющий разряд переходит в дуговой при меньшем напряжении, но при более высоких значениях тока. Физически это объясняется тем, что с ростом давления ВАХ аномального тлеющего разряда смещается в сторону больших токов (см. раздел 6), при которых мощность, достаточная для разогрева катода, обеспечивается при более низком напряжении. Поэтому при высоком давлении газа переход тлеющего разряда в дуговой облегчается вплоть до того, что на ВАХ может вообще отсутствовать участок аномального тлеющего разряда, а НТР переходит прямо в дуговой.
При высоком давлении газа положительный столб дугового разряда стягивается к оси трубки ("отшнуровывается" от стенок или "контрагируется"). Причины стягивания - разогрев газа током и уменьшение за счет этого концентрации молекул вблизи оси. Давление газа на оси и у стенки одинаково, но из-за различия температур концентрация молекул на оси меньше и больше длина свободного пробега электронов, что ведет к росту подвижности и скорости направленного движения электронов. Поэтому плотность тока на оси больше, чем у стенки, разогрев газа вблизи оси усиливается и положительный столб контрагируется. Если разряд происходит в воздухе при атмосферном давлении между торцами горизонтально расположенных стержневых электродов, то положительный столб под действием конвекционного потока воздуха изгибается вверх в виде дуги, что и определило название разряда.
Термоэлектронная эмиссия обеспечивает ток в амперном диапазоне лишь при весьма высокой температуре катода, который должен быть выполнен из тугоплавкого металла. В то же время дуговой разряд возникает и тогда, когда материал катода легкоплавкий (например, ртуть, алюминий, медь). В подобных случаях ток обеспечивается автоэлектронной эмис сией, возникающей под действием сильного электрического поля. Напряжение горения разряда невелико (десятки вольт), но напряженность поля оказывается большой, потому что разряд стягивается на катоде в узкое пятно, плотности тока и пространственного заряда ионов сильно увеличиваются и резко сокращается ширина области катодного падения потенциала.
Глава 2. Искровый разряд
2.1 Постановка задачи
При высоких значениях давления газа (например, в атмосферном воздухе) и напряжения самостоятельный разряд между плоскими электродами возникает в виде ярких узких каналов (искр) и сопровождается генерацией звука (треск или гром). Время развития разряда меньше времени пролета электронов от катода к аноду.
Необходимо объяснить явление и получить математические соотношения для определения зависимости напряжения возникновения разряда от давления, расстояния и других факторов.
2.2 Решение задачи
Для объяснения разряда предложен и подтвержден экспериментом следующий физический механизм.
При больших значениях давления газа и межэлектродного расстояния напряжение зажигания разряда велико, и электронная лавина, инициированная выходящим из катода электроном, развивается очень интенсивно. В головке лавины вблизи анода создается высокая концентрация электронов и ионов, частично рекомбинирующих между собой с выделением энергии в виде фотонов, способных ионизировать молекулы газа. Фотоионизация происходит во всех областях промежутка. Фотоэлектроны являются началом вторичных "дочерних" лавин.
После ухода части электронов из головки основной лавины в ней остается большой ионный пространственный разряд, который втягивает в себя близко расположенные дочерние лавины. В результате в сторону катода быстро перемещается фронт ионизированного газа. Распространяющийся к катоду разрядный канал называется стримером (от английского слова streamer - поток).
Когда стример доходит до катода и "замыкает" промежуток, электрическое сопротивление газа становится очень малым, ток резко увеличивается (до кА) и поддерживается за счет разряда межэлектродной емкости, поскольку внутреннее сопротивление высоковольтного источника напряжения обычно велико и обеспечить необходимый ток он не может. Емкость быстро (за наносекунды или микросекунды) разряжается, напряжение снижается и разряд прекращается. Далее емкость заряжается от источника, и искра возникает вновь. Генерация звука в канале обусловлена быстрым разогревом газа электрическим током. Увеличение температуры молекул ведет к росту давления газа, что порождает звуковую волну.
Рис.2.1 К теории формирования стримера:
r - радиус головки основной лавины; 1 - дочерние лавины; 2 и 3 - фронт ионизированного газа в разные моменты времени
Исходное физическое положение для математического анализа процесса предложил английский ученый Дж. Мик: для возникновения стримера необходимо, чтобы составляющая напряженности электрического поля от пространственного зарядом ионов в головке основной лавины была соизмерима с составляющей поля от напряжения между электродами. В первом приближении допускается равенство составляющих. Физический смысл условия Мика: для возникновения стримера необходимо, чтобы дочерние лавины не уходили на анод, а вливались в головку основной лавины.
Для анализа процесса развития стримера представим схематически основную лавину в виде капли с шарообразной головкой (рис.2.1). Напряженность поля на поверхности шара определяется теоремой Остроградского - Гаусса:
, (2.1)
где - напряженность поля; - элемент замкнутой сферической поверхности, - радиус сферы; - суммарный заряд ионов внутри неё; - диэлектрическая проницаемость среды.
Приближенно положим, что ионы распределены равномерно и заряд определяется произведением их концентрации на объем шара:
. (2.2)
Концентрация ионов равна отношению числа ионизаций в слое (рис.2.1) к объему этого слоя:
, (2.3)
где - коэффициент ионизации газа электронами, - число электронов, входящих в слой в процессе развития электронной лавины [см. формулу (3.3)]; числитель дроби - количество ионизаций в слое; знаменатель - объём слоя.
Радиус шара приближенно равен расстоянию, на которое за время развития лавины электроны диффундируют в поперечном направлении:
, (2.4)
где - коэффициент диффузии электронов, - время развития лавины, равное отношению межэлектродного расстояния к скорости:
, (2.5)
где - подвижность электронов, - напряжённость поля по оси . Объединим (2.4) и (2.5), выразив отношение с помощью через , а - через напряжённость поля, длину свободного пробега и коэффициент упругих потерь (1.15). Учтем обратно пропорциональную связь длины пробега с давлением газа и выразим коэффициент потерь через массы взаимодействующих частиц (1.13):
, (2.6)
где - средняя длина пробега при единичном давлении; и - массы электрона и молекулы.
Объединяя (2.1) - (2.3), (2.6), приближённо полагая и (условие Мика для образования стримера), получаем для воздуха в системе единиц СИ:
, (2.7)
где - напряжение возникновения искрового разряда. Численный коэффициент в формуле (2.7) скорректирован с учетом экспериментальных данных [10]. Коэффициент ионизации зависит от напряжения и давления газа [см. (2.6)]:
. (2.8)
Напряжение возникновения разряда определяют численным решением уравнений (2.7) и (2.8).
2.3 Анализ результатов решения
На рис.2.2 представлены графики зависимостей напряжения возникновения разряда от произведения , рассчитанных по теории электронных лавин и по соотношениям (2.7) и (2.6), определяющим условия возникновения стримеров. Расчёт проведён для воздуха и межэлектродного расстояния 1 см. Из графиков следует, что в области малых значений произведения напряжение возникновения обычного лавинного разряда меньше, чем искрового. Поэтому искровой разряд возникает лишь при больших значениях , при которых напряжения возникновения лавинного и искрового разрядов приблизительно равны. Представленные результаты расчета в основном соответствуют эксперименту, что подтверждает принципиальную правильность физического механизма, положенного в основу теории.
Рис.2.2 Кривые Пашена по теории электронных лавин (1) и по теории стримеров (2)
Рост напряжения возникновения разряда с увеличением до весьма высоких (1 МВ) величин физически объясняется тем, что при больших значениях давления газа и расстояния между электродами малы длина свободного пробега электронов и напряжённость поля, определяющие энергию электронов и эффективность ионизации. В таких условиях для обеспечения необходимой интенсивности ионизации надо повышать напряжение.
Высокая скорость роста тока с течением времени в процессе формирования искрового разряда определяется тем, что развитие стримера происходит в результате перемещения фронта ионизированного газа, а не движения заряженных частиц. Фронт перемещается быстро благодаря тому, что фотоны, ионизирующие газ, перемещаются со скоростью света, а дочерние электронные лавины развиваются на небольшой длине и одновременно во многих областях промежутка на пути стримера.
Условие Мика для образования стримера при больших значениях произведения является необходимым и достаточным лишь для коротких промежутков, в которых за счет малого межэлектродного расстояния напряженность электрического поля велика и требуется большой пространственный заряд в головке основной лавины. В длинных промежутках напряженность мала, и условие Мика выполняется при сравнительно невысокой концентрации ионов в головке лавины, когда количество фотонов, генерируемых за счет рекомбинации ионов с электронами, оказывается недостаточным для развития стримера. Поэтому в основу теоретического анализа процессов в длинных промежутках полагается условие, которое сформулировал американский ученый Л. Лёб: для образования стримера необходимо, чтобы концентрация ионов в головке лавины превышала пороговое значение 710 1 7 (м - 3), определенное экспериментальным путем.
Условие Лёба является необходимым и достаточным для длинных промежутков. Напряжение возникновения разряда рассчитывается по нему путем подстановки порогового значения концентрации в уравнении (2.3) и объединения его с соотношениями (2.6) и (2.8).
Кроме рассмотренного выше случая "положительных" стримеров, развивающихся от анода к катоду, возможно образование "отрицательных" стримеров, распространяющихся в противоположном направлении. Физический механизм формирования таких стримеров иной, но его основу по-прежнему составляют фотоионизация газа, изменение электрического поля под действием пространственного заряда и развитие большого числа коротких дочерних лавин на пути распространения стримера.
Заключение
Газовый разряд - это электрический ток в газе. Среди сопровождающих разряд многообразных физических явлений наиболее значимым является наблюдаемый при увеличении напряжения между электродами скачкообразный переход газовой среды в состояние с высокой электропроводностью. В основе физического механизма перехода лежит целый ряд процессов: ускорение электронов электрическим полем, ионизация и возбуждение газовых молекул электронами, вторичная эмиссия электронов из катода под действием ионов, разогрев катода ионной бомбардировкой, вызывающий термоэмиссию электронов из катода, ионизация газа фотонами из разряда, рекомбинация электронов с ионами, повышение потенциалов точек между электродами за счет пространственного заряда ионов.
Перечисленные физические процессы определяют вольт-амперную характеристику разряда в широком диапазоне токов - от микроампер до килоампер. Поэтапный анализ участков характеристики по мере роста тока определяет формальную последовательность изложения.
На газовом разряде основана работа приборов плазменной электроники (газоразрядных приборов), которые широко применяются в электронной технике. К ним относятся мощные коммутаторы напряжения и тока (тиратроны, разрядники), матричные газоразрядные индикаторы для отображения информации (плазменные дисплеи), датчики радиации, газовые лазеры, источники света и другие приборы. Газовый разряд лежит в основе электродуговой сварки и разрабатываемых промышленных энергетических установок управляемого термоядерного синтеза, он используется в экологических дымовых фильтрах, при обработке материалов плазмой, при исследовании ядерных процессов (трековые искровые камеры), для озонирования воды и т.д. Все это определяет актуальность изучения физики газового разряда.
Список литературы
1. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. - М., Наука, 1987.
2. Смирнов Б.М. Физика слабоионизованного газа (в задачах с решениями).М., Наука, 1985.
3. Королев Ю.Д., Месяц Г.А. Физика импульсного пробоя газов. М., Наука, 1991.
4. Словецкий Д.И. Механизмы химических реакций в неравновесной плазме. М.: Наука, 1980.
5. Браун С. Элементарные процессы в плазме газового разряда. - М., Госатомиздат, 1961.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Самостоятельный и несамостоятельный разряды в газах. Описание установки для измерения тока ионного тока тлеющего разряда. Модель физического процесса. Построение графиков, отображающих зависимость ионного тока тлеющего разряда от расстояния до коллектора.
курсовая работа [1,3 M], добавлен 14.09.2012Изучение тлеющего газового разряда как одного из видов стационарного самостоятельного электрического разряда в газах. Создание квантовых источников света в люминесцентных лампах. Формирование тлеющего газового разряда при низком давлении газа, малом токе.
презентация [437,2 K], добавлен 13.04.2015Методики экспериментального определения коэффициента ионизации газа. Напряжение возникновения разряда. Вольт-амперные характеристики слаботочного газового разряда в аргоне с молибденовым катодом. Распределение потенциала в газоразрядном промежутке.
контрольная работа [122,5 K], добавлен 28.11.2011Электрический ток в полупроводниках. Образование электронно-дырочной пары. Законы электролиза Фарадея. Прохождение электрического тока через газ. Электрическая дуга (дуговой разряд). Молния - искровой разряд в атмосфере. Виды самостоятельного разряда.
презентация [154,2 K], добавлен 15.10.2010Описание двухступенчатого BOSH-процесса. Классификация электрических разрядов в газе. Способы создания разряда постоянного тока. Движение электрона в постоянном электрическом поле в вакууме. Зависимость типа разряда от частоты отсечки ионов и электронов.
презентация [2,5 M], добавлен 02.10.2013Условия возникновения электрического разряда в газах. Принцип ионизации газов. Механизм электропроводности газов. Несамостоятельный газовый разряд. Самостоятельный газовый разряд. Различные типы самостоятельного разряда и их техническое применние.
реферат [32,3 K], добавлен 21.05.2008Понятие плазмы тлеющего разряда. Определение концентрации и зависимости температуры электронов от давления газа и радиуса разрядной трубки. Баланс образования и рекомбинации зарядов. Сущность зондового метода определения зависимости параметров плазмы.
реферат [109,9 K], добавлен 30.11.2011Характеристики тлеющего разряда, процессы, обеспечивающие его существование. Картина свечения. Объяснение явлений тлеющего разряда с точки зрения элементарных процессов. Вольт-амперная характеристика разряда между электродами. Процессы в атомарных газах.
реферат [2,8 M], добавлен 03.02.2016Электрический разряд в газах. Ионизация газов. Механизм электропроводности газов. Несамостоятельный газовый разряд. Самостоятельный газовый разряд. Различные типы самостоятельного разряда и их техническое применение.
реферат [22,1 K], добавлен 17.05.2006- Моделирование на ПЭВМ электрического поля и пробивного напряжения шарового измерительного разрядника
Изучение основных форм самостоятельного разряда в газе, влияние на электрическую прочность и электрическое поле разрядного промежутка основных свойств газа и геометрических характеристик. Использование данных закономерностей в электроэнергетике.
лабораторная работа [274,1 K], добавлен 22.04.2014
