Электрический ток в газах
Изучение физических свойств и явлений, описывающих протекание электрического тока в газах. Содержание процесса ионизации и рекомбинации газов. Тлеющий, искровой, коронный разряды как виды самостоятельного газового разряда. Физическая природа плазмы.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | курсовая работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 12.02.2014 |
| Размер файла | 203,2 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/
2
Размещено на http://www.allbest.ru/
1
Курсовая работа
Электрический ток в газах
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
Глава 1. ИОНИЗАЦИЯ ГАЗОВ
Глава 2. НЕСАМОСТОЯТЕЛЬНЫЙ И САМОСТОЯТЕЛЬНЫЙ ГАЗОВЫЕ РАЗРЯДЫ
Глава 3. ВИДЫ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО ГАЗОВОГО РАЗРЯДА
3.1 Тлеющий разряд и его применение
3.2 Искровой разряд и его применение
3.3 Коронный разряд и его применение
3.4 Дуговой разряд и его применение
3.5 Плазма и ее применение
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
ионизации рекомбинация газ разряд плазма
ВВЕДЕНИЕ
Процесс протекания электрического тока через газ называют газовым разрядом. При обычных условиях газы почти полностью состоят из нейтральных атомов или молекул и, следовательно, являются диэлектриками.
Электрический ток в газах на первый взгляд не может существовать из-за отсутствия свободных заряженных частиц (электроны в атомах и молекулах газов прочно “связаны” с ядрами электростатическими силами). Однако, при передаче атому энергии порядка 10эВ (энергия, приобретаемая свободным электроном при прохождении через разность потенциалов в 10 В), последний переходит в ионизированное состояние (электрон уходит от ядра на сколь угодно большое расстояние).
В газах при комнатных температурах всегда присутствует очень небольшое количество ионизированных атомов, возникших под действием космического излучения (фотоионизация). При помещении такого газа в электрическое поле заряженные частицы начинают разгоняться, передавая нейтральным атомам набранную кинетическую энергия и ионизуя их. В результате развивается лавинообразный процесс нарастания числа свободных электронов и ионов - возникает электрический разряд. Характерное свечение разряда связано с выделением энергии при рекомбинации электронов и положительных ионов.
Типы электрических разрядов весьма разнообразны и сильно зависят от состава газа и внешних условий. В газах существуют несамостоятельные и самостоятельные электрические разряды.
Явление протекания электрического тока через газ, наблюдаемое только при условии какого-либо внешнего воздействия на газ, называется несамостоятельным электрическим разрядом. Процесс отрыва электрона от атома называется ионизацией атома. Минимальная энергия, которую необходимо затратить для отрыва электрона от атома, называется энергией ионизации. Частично или полностью ионизированный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов одинаковы, называется плазмой. Носителями электрического тока при несамостоятельном разряде являются положительные ионы и отрицательные электроны.
При самостоятельном разряде одним из способов ионизации атомов является ионизация электронным ударом. Ионизация электронным ударом становится возможна тогда, когда электрон на длине свободного пробега приобретает кинетическую энергию достаточную для совершения работы по отрыву электрона от атома.
Виды самостоятельных разрядов в газах - искровой, коронный, дуговой и тлеющий разряды.
Искровой разряд возникает между двумя электродами заряженными разными зарядами и имеющие большую разность потенциалов. Напряжение между разноименно заряженными телами достигает до 40 000 В. Искровой разряд кратковременный, его механизм - электронный удар. Молния - вид искрового разряда. В сильно неоднородных электрических полях, образующихся, например, между острием и плоскостью или между проводом линии электропередачи и поверхностью Земли, возникает особая форма самостоятельного разряда в газах, называемая коронным разрядом.
Электрический дуговой разряд был открыт русским ученым В. В. Петровым в 1802 г. При соприкосновении двух электродов из углей при напряжении 40-50 В в некоторых местах возникают участки малого сечения с большим электрическим сопротивлением. Эти участки сильно разогреваются, испускают электроны, которые ионизируют атомы и молекулы между электродами. Носителями электрического тока в дуге являются положительно заряженные ионы и электроны.
Разряд, возникающий при пониженном давлении, называется тлеющим разрядом. При понижении давления увеличивается длина свободного пробега электрона, и за время между столкновениями он успевает приобрести достаточную для ионизации энергию в электрическом поле с меньшей напряженностью. Разряд осуществляется электронно-ионной лавиной.
Явление электрического разряда в газах используется во многих областях науки и техники. Применение люминисцентных ламп вместо ламп накаливания может привести к существенной экономии электроэнергии. Использование катодного распыления позволяет изготавливать металлические зеркала высокого качества. Искровой промежуток применяется в качестве предохранителя от перенапряжения (искровые разрядники) в электрических линиях передач (например, в телефонных линиях). Свет ртутной дуги чрезвычайно богат ультрафиолетовыми лучами, обладающими сильным химическим и физиологическим действием. Ртутные лампы широко используют при лечении разнообразных болезней, а также при научных исследованиях как сильный источник ультрафиолетового излучения.
Таким образом, можно привести ряд особенностей, которые позволяют судить об актуальности данной темы в наше время.
Целью данной курсовой работы является изучение и систематизирование знаний по теме «Электрический ток в газах» и изучить границы применимости данного явления.
Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:
1)проанализировать учебную и методическую литературу по данной теме;
2)изучить явление прохождения электрического тока в газах и исследовать применение данного явления;
3)рассмотреть виды электрического газового разряда и выяснить границы их применимости.
Глава 1. ИОНИЗАЦИЯ ГАЗОВ
Газы в естественном состоянии не проводят электричества. Если поместить в сухом атмосферном воздухе хорошо изолированное заряженное тело, например заряженный электрометр с хорошей изоляцией, то заряд электрометра долгое время практически остается неизменным.
Однако, подвергая газ различным внешним воздействиям, можно вызвать в нем электропроводность. Так, например, помещая вблизи заряженного электрометра пламя горелки, можно видеть, что заряд электрометра быстро уменьшается. Мы сообщили газу электропроводность, создавая в нем высокую температуру. Если бы вместо пламени горелки мы поместили вблизи электрометра подходящий источник света, мы также наблюдали бы утечку зарядов с электрометра.
Опыт показывает, что в газах под влиянием высокой температуры и различных излучений появляются заряженные частицы. Они возникают вследствие отщепления от атомов газа одного или нескольких электронов, в результате чего вместо нейтрального атома возникают положительный ион и электроны.
Часть образовавшихся электронов может быть при этом захвачена другими нейтральными атомами, и тогда появятся еще отрицательные ионы. Распад молекул газа на электроны и положительные ионы называется ионизацией газов.
Нагревание газа до высокой температуры не является единственным способом ионизации молекул или атомов газа. Ионизация газа может происходить под влиянием различных внешних взаимодействий: сильного нагрева газа, рентгеновских лучей, -, - и -лучей, возникающих при радиоактивном распаде, космических лучей, бомбардировки молекул газа быстро движущимися электронами или ионами. Факторы, вызывающие ионизацию газа называются ионизаторами. Количественной характеристикой процесса ионизации служит интенсивность ионизации, измеряемая числом пар противоположных по знаку заряженных частиц, возникающих в единице объема газа за единицу времени.
Отрыв электрона от атома (ионизация атома) требует затраты определенной энергии - энергии ионизации. Она зависит от строения атома и поэтому различна для разных веществ. Для ионизации атома (или молекулы) необходимо совершить работу против сил взаимодействия между вырываемым электроном и остальными частицами атома (или молекулы). Эта работа называется работой ионизации Ai. Величина работы ионизации зависит от химической природы газа и энергетического состояния вырываемого электрона в атоме или молекуле.
После прекращения действия ионизатора число ионов в газе с течением времени уменьшается и конце концов ионы исчезают вовсе.
Исчезновение ионов объясняется тем, что ионы и электроны участвуют в тепловом движении и поэтому соударяются друг с другом. При столкновении положительного иона и электрона они воссоединяются в нейтральный атом. Точно так же при столкновении положительного и отрицательного ионов отрицательный ион может отдать свой избыточный электрон положительному иону и оба они превратятся в нейтральные атомы. Этот процесс взаимной ионизации ионов называется рекомбинацией ионов.
При рекомбинации положительного иона и электрона или двух ионов высвобождается определенная энергия, равная энергии, затраченной на ионизацию. Она излучается в виде света, и поэтому рекомбинация ионов сопровождается свечением (свечение рекомбинации). Если концентрация положительных и отрицательных ионов велика, то и число ежесекундно происходящих актов рекомбинации будет большим, и свечение рекомбинации может быть очень сильным. Излучение света при рекомбинации является одной из причин свечения многих форм газового разряда.
В явлениях электрического разряда в газах большую роль играет ионизация атомов электронными ударами. Процесс заключается в том, что движущийся электрон, обладающий достаточной кинетической энергией, при соударении с нейтральным атомом выбивает из него один или несколько атомных электронов, в результате чего нейтральный атом превращается в положительный ион, а в газе появляются новые электроны.
Схема типичного опыта для изучения ионизации электронными ударами показана на рис. 1.1(опыты Джеймса Франка и Густава Герца).
Рис. 1.1
Исследуемый газ при давлении порядка 0,1 - 0,01 мм рт.ст. вводится в стеклянную трубку, которая сначала откачивается до высокого вакуума (для удаления других газов). Трубка имеет накаливаемый катод К, сетку С и коллектор ионов Кл. На сетку подается положительный (относительно катода) потенциал, который можно изменять при помощи делителя напряжения Д1 и измерять вольтметром V. На коллектор ионов накладывается отрицательный потенциал, на 0,5 - 1,0 В больший, чем потенциал катода. Эта небольшая разность потенциалов снимается с делителя напряжения Д2, положительный конец которого соединен с катодом.
Расстояние катод-сетка в таких трубках делают значительно меньшим, чем расстояние сетка-коллектор, и подбирают давление газа так, чтобы средняя длина свободного пробега электронов в газе была больше расстояния между сеткой и катодом. Поэтому электроны, испущенные катодом, движутся в пространстве катод-сетка практически без соударений, и если разность потенциалов (выраженная в вольтах), между сеткой и катодом равна U , то каждый электрон приобретает кинетическую энергию (выраженную в электронвольтах).
.
Электроны, ускоренные сеткой, испытывают затем соударения с атомами газа в пространстве между сеткой и коллектором.
Так как потенциал коллектора ниже, чем потенциал катода, то в отсутствии ионизации все электроны тормозятся, не долетая до коллектора, и поэтому ток через гальванометр равен нулю. Если, однако, постепенно повышать разность потенциалов U между сеткой и катодом, то, когда энергия электронов сделается равной энергии ионизации, то в пространстве сетка - коллектор появятся положительный ионы. Они будут двигаться к коллектору, и гальванометр обнаружит ток. Поэтому, измеряя наименьший потенциал сетки U, при котором впервые появляется ток коллектора, можно найти энергию ионизацию атомов исследуемого газа. Метод Франка и Герца не является единственным методом измерения энергии ионизации. Она может быть определена также из исследования линейчатых спектров свечения разреженных газов и паров, причем с довольно большой точностью. Значения энергии ионизации, найденные по спектрам, хорошо совпадают с ее значениями, определенными методом электронных ударов.
В таблице 1 даны значения энергии ионизации некоторых атомов.
Таблица 1
|
Элемент |
He |
Ne |
Ar |
Hg |
Na |
K |
Rb |
|
|
Энергия ионизации, эВ |
24.5 |
21.5 |
13.9 |
10.4 |
5.12 |
4.32 |
4.68 |
Глава 2. НЕСАМОСТОЯТЕЛЬНЫЙ И САМОСТОЯТЕЛЬНЫЙ ГАЗОВЫЕ РАЗРЯДЫ
Прохождение электрического тока через газы называется газовым разрядом. Все газы в естественном состоянии не проводят электрического тока, т.е. являются изоляторами. В чем можно убедиться из следующего опыта.
Возьмем электрометр с присоединенными к нему дисками плоского конденсатора и зарядим его. При комнатной температуре, если воздух достаточно сухой, конденсатор заметно не разряжается - положение стрелки электрометра не изменяется. Чтобы заметить уменьшение угла отклонения стрелки электрометра, требуется длительное время. Это показывает, что электрический ток в воздухе между дисками очень мал. Данный опыт показывает, что воздух является плохим проводником электрического тока.
Изолирующие свойства газов объясняются тем, что атомы и молекулы газов в естественном состоянии являются нейтральными незаряженными частицами. Отсюда ясно, что для того, чтобы сделать газ проводящим, нужно тем или иным способом внести в него или создать в нем свободные носители заряда - заряженные частицы. При этом возможны два случая: либо эти заряженные частицы создаются действием какого-нибудь внешнего фактора или вводятся в газ извне - несамостоятельная проводимость, либо они создаются в газе действием самого электрического поля, существующего между электродами - самостоятельная проводимость.
Гальванометр в цепи показывает отсутствие тока несмотря на приложенное напряжение. Это свидетельствует об отсутствии проводимости газов в обычных условиях.
Видоизменим опыт: нагреем воздух между дисками пламенем спиртовки. Тогда угол отклонения стрелки электрометра быстро уменьшается, т.е. уменьшается разность потенциалов между дисками конденсатора - конденсатор разряжается. Следовательно, нагретый воздух между дисками стал проводником, и в нем устанавливается электрический ток.
В данном случае газу сообщили электропроводность, создавая в нем высокую температуру. Если бы вместо пламени горелки мы поместили вблизи электрометра подходящий источник света, например ртутную дуговую лампу, дающую много ультрафиолетовых лучей, мы также наблюдали бы утечку зарядов с электрометра. Такое же действие на газ оказывают рентгеновские лучи и излучение радиоактивных препаратов. В этом случае говорят о несамостоятельной проводимости газа.
Пусть газ, находящийся между электродами (рис. 2.1) подвергается непрерывному постоянному по интенсивности воздействию какого-либо ионизирующего агента (например, рентгеновских лучей).
Рис. 2.1
Действие ионизатора приводит к тому, что от некоторых молекул газа отщепляется один или несколько электронов, в результате чего эти молекулы превращаются в положительно заряженные ионы. При не очень низких давлениях отщепившиеся электроны обычно захватываются нейтральными молекулами, которые таким образом становятся отрицательно заряженными ионами. Число пар ионов, возникающих под действием ионизатора за секунду в единице объема, обозначим через Дni. Наряду с процеесом ионизации в газе происходит рекомбинация ионов, т.е. нейтрализация разноименных ионов при их встрече или воссоединение положительного иона и электрона в нейтральную молекулу. Вероятность встречи двух ионов разных знаков пропорциональна как числу положительных, так и числу отрицательных ионов. Поэтому количество рекомбинирующих за секунду в единице объема пар ионов Дnr пропорционально квадрату числа имеющихся в единице объема пар ионов n:
,(2.1)
где r - коэффициент пропорциональности.
В состоянии равновесия число возникающих ионов равно числу рекомбинирующих, следовательно,
.(2.2)
Отсюда для равновесной концентрации ионов (числа пар ионов в единице объема) получается следующее выражение:
.(2.3)
Под действием космического излучения и следов радиоактивных веществ, имеющихся в земной коре, в 1 см3 атмосферного воздуха возникает в среднем несколько пар ионов в секунду. Коэффициент r для воздуха равен 1.6·10-6 см3/с. Подстановка этих чисел в формулу (2.3) дает для равновесной концентрации ионов в воздухе значение порядка 103 см-3. Эта концентрация недостаточна для того, чтобы обусловить заметную проводимость. Чистый сухой воздух является очень хорошим изолятором. Если подать напряжение на электроды, то убыль ионов будет происходить не только вследствие рекомбинации, но и за счет отсасывания ионов полем к электродам. Пусть из единицы объема отсасывается ежесекундно Дni пар ионов. Если заряд каждого иона еґ, то нейтрализация на электродах одной пары ионов сопровождается переносом по цепи заряда еґ. Каждую секунду электродов достигает ДniSl пар ионов (S - площадь электродов, l - расстояние между ними; произведение Sl равно объему межэлектродного пространства). Следовательно, сила тока в цепи равна
.(2.4)
Отсюда
,(2.5)
j - плотность тока.
Итак, при несамостоятельном разряде в газе будет происходить 3 процесса:
1) ионизация;
2) рекомбинация;
3) нейтрализация
При наличии тока условие равновесия выглядит следующим образом:
.(2.6)
Подставив сюд выражения (2.1) и (2.5) для Дnr и Дnj, придем к соотношению
.(2.7)
Плотность тока определяется выражением
,(2.8)
где и - подвижности положительных и отрицательных ионов.
Рассмотрим два предельных случая - случай слабых и случай сильных полей.
В случае слабых полей плотность тока будет очень мала, и слагаемым j/еґl в соотношении (2.7) можно пренебречь по сравнению с rn2 (это означает, что убыль ионов из межэлектродного пространства происходит в основном за счет рекомбинации). Тогда (2.7) переходит в (2.2) , и для равновесной концентрации ионов получается выражение (2.3). Подстановка этого значения n в формулу (2.8) дает
.(2.9)
Множитель при Е в полученной формуле не зависит от напряженности поля. Следовательно, в случае слабых полей несамостоятельный газовый разряд подчиняется закону Ома.
Подвижность ионов в газах имеет значение ~ 10-4 (м·с-1)/(В·м-1) (1(см·с-1)/(В·см-1)). Следовательно, при равновесной концентрации n=103 см-3 = =109 м-3 и напряженности поля Е=1 В/м плотность тока составит
j = 1.6·10-19·109 (10-4+10-4) ·1 ~ 10-14 А/м2 = 10-18 А/см2.
В случае сильных полей слагаемым rn2 в формуле (2.7) можно пренебречь по сравнению с j/еґl. Это означает, что практически все возникающие ионы достигают электродов, не успев рекомбинировать. При этом условии соотношение (2.7) имеет вид
.(2.10)
Отсюда
.(2.11)
Эта плотность тока создается всеми ионами, порождаемыми ионизатором в заключенном между электродами столбе газа с единичным поперечным сечением. Следовательно, эта плотность газа является наибольшей при данной интенсивности ионизатора и заданном расстоянии l между электродами. Ее называют плотностью тока насыщения jнас.
Вычислим jнас при следующих условиях: Дni=10 см-3·с-1 = 107 м-3·с-1 (примерно такова скорость образования ионов в атмосферном воздухе при обычных условиях), l=0.1 м. Подстановка этих данных в формулу (2.11) дает
jнас= 1.6·10-19·107·10-1 ~ 10-13 А/м2 = 10-17 А/см2.
Этот расчет показывает, что проводимость воздуха в обычных условиях очень мала. При промежуточных значениях Е происходит плавный переход от линейной зависимости j от Е к насыщению, по достижении которого j перестает зависеть от Е (сплошная кривая на рис. 2.2).
Рис. 2.2
За областью насыщения лежит область резкого возрастания тока (штриховая линия на рис. 2.2). Это возрастание объясняется тем, что, начиная с некоторого значения Е, порождаемые внешним ионизатором электроны успевают за время свободного пробега приобрести энергию, достаточную для того, чтобы, столкнувшись с молекулой, вызвать ее ионизацию. Возникшие при ионизации свободные электроны, разогнавшись, в свою очередь вызывают ионизацию. Таким образом, происходит лавинообразное размножение первичных ионов, созданных внешним ионизатором, и усиление разрядного тока. Однако процесс не утрачивает характер несамостоятельного разряда, так как после прекращения действия внешнего ионизатора разряд продолжается только до тех пор, пока все электроны (первичные и вторичные) не достигнут анода (задняя граница пространства, в котором имеются ионизирующие частицы - электроны, перемещается к аноду). Для того чтобы разряд стал самостоятельным, необходимо наличие двух встречных лавин ионов, что возможно только в том случае, если ионизацию ударом способны вызывать носители обоих знаков. Рассмотрим процессы происходящие при самостоятельном разряде.
Рассмотрим межэлектродное пространство, выделим в нем столб газа шириной dx, находящийся на расстоянии х от катода (рис. 2.3). Пусть под действием внешнего фактора (электрического поля) и внешнего ионизатора образуются путем электронного удара ионы и электроны. Будем считать, б - число пар ионов и электронов от действия одного электрона на единицу длины.
Рис. 2.3
Один электрон создает на промежутке dx бdx пар ионов и электронов. Рассчитаем возникновение ионов в рассмотренном пространстве с учетом однородности электрического поля.
.(2.12)
Учитывая граничные условия на катоде (х=0, n=n0, c=n0), получим число пар электронов обеспечивающих образование электронной лавины
(2.13)
Чем больше разность потенциалов между электродами, тем больше напряженность электрического поля. Кинетическая энергия электрона перед очередным столкновением пропорциональна напряженности поля и длине свободного пробега электрона:
(2.14)
Если кинетическая энергия электрона превосходит работу Ai, которую нужно совершить, чтобы ионизировать нейтральный атом (или молекулу), т.е. mv2>Ai, то при столкновении электрона с атомом (или молекулой) происходит его ионизация. В результате вместо одного электрона возникают два (налетающий на атом и вырванный из атома). Они, в свою очередь, получают энергию в поле и ионизуют встречные атомы и т.д. Вследствие этого число заряженных частиц быстро нарастает, возникает электронная лавина. Описанный процесс называют ионизацией электронным ударом.
Но одна ионизация электронным ударом не может обеспечить поддержания самостоятельного заряда. Действительно, ведь все возникающие таким образом электроны движутся по направлению к аноду и по достижении анода «выбывают из игры». Для поддержания разряда необходима эмиссия электронов с катода («эмиссия» означает «испускание»). Эмиссия электрона может быть обусловлена несколькими причинами.
Положительные ионы, образовавшиеся при столкновении электронов с нейтральными атомами, при своем движении к катоду приобретают под действием поля большую кинетическую энергию. При ударах таких быстрых ионов о катод с поверхности катода выбиваются электроны.
Кроме того, катод может испускать электроны при нагревании до большой температуры. Этот процесс называется термоэлектронной эмиссией. Его можно рассматривать как испарение электронов из металла. Во многих твердых веществах термоэлектронная эмиссия происходит при температурах, при которых испарение самого вещества еще мало. Такие вещества и используются для изготовления катодов.
При самостоятельном разряде нагрев катода может происходить за счет бомбардировки его положительными ионами. Если энергия ионов не слишком велика, то выбивания электронов с катода не происходит и электроны испускаются вследствие термоэлектронной эмиссии.
Глава 3. ВИДЫ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО ГАЗОВОГО РАЗРЯДА
3.1 Тлеющий разряд и его применение
Процессы, рассмотренные выше, играют важную роль в возникновении и поддерживании так называемого тлеющего разряда (см. приложение 1.1).
Эту форму газового разряда удобно наблюдать при пониженном давлении газа. Если к электродам, впаянным в стеклянную трубку длиной 30-50 см, приложить постоянное напряжение в несколько сот вольт и затем постепенно откачивать воздух из трубки, то наблюдаются следующие явления. При атмосферном давлении приложенное напряжение недостаточно для пробоя газа и трубка остаётся тёмной. При уменьшении давления газа (около 5,3-6,7 кПа) в некоторый момент в трубке возникнет разряд, имеющий вид светящегося шнура, соединяющего анод и катод трубки. При дальнейшем уменьшении давления (около 1,3 Па) этот шнур расширяется и заполняет всё сечение трубки, а свечение вблизи катода ослабевает.
При давлениях газа порядка 0,1-0,01 мм. рт. ст. разряд имеет вид на рис. 3.1.1.
Рис. 3.1.1
Непосредственно к катоду прилегает тонкий светящийся слой 1 (первое катодное свечение, или катодная плёнка), за которым следует тёмный слой 2, получивший название катодного тёмного пространства. Это тёмное пространство затем переходит в светящийся слой 3 (тлеющее свечение), который имеет резкую границу со стороны катода и постепенно исчезает со стороны анода. Оно возникает из-за рекомбинации электронов с положительными ионами. За тлеющим свечением наблюдается опять тёмный промежуток 4, называемый вторым или фарадеевым тёмным пространством. Указанные части называются катодными частями разряда. За вторым тёмным пространством лежит светящаяся область 5, простирающаяся до анода, или положительный столб. В некоторых случаях этот столб распадается на ряд слоёв, или страт.
Особое значение в тлеющем разряде имеют только две его части - катодное тёмное пространство и тлеющее свечение, в которых и происходят основные процессы, поддерживающие разряд. Если в газоразрядной трубке сделать анод подвижным и постепенно придвигать его к катоду (рис. 3.1.1), то все катодные части остаются неизменными, а укорачивается только положительный столб. При дальнейшем уменьшении длины разрядного промежутка начинает укорачиваться второе катодное тёмное пространство, и когда анод попадает в тлеющее свечение, оно исчезает вовсе. Однако при этом разряд продолжает существовать. Когда же анод при дальнейшем уменьшении расстояния подходит к границе между первым катодным пространством и тлеющим свечением, разряд гаснет.
Характерным для тлеющего разряда является особое распределение потенциала по длине трубки. Его можно определить, впаивая в трубку ряд дополнительных электродов - зондов, расположенных в различных местах трубки, и присоединяя между катодом и соответствующим зондом вольтметр с большим сопротивлением. Всё падение потенциала в разряде приходится на область катодного тёмного пространства. Эта разность потенциалов между катодом и границей тлеющего свечения получила название катодного падения потенциала. Опыт показывает, что если сила тока в разряде не очень велика, то величина катодного падения потенциала не зависит от силы тока (нормальное катодное падение потенциала). Изменение силы тока изменяет лишь величину светящейся поверхности на катоде, которая увеличивается с увеличением силы тока. Когда же сила тока достигает такой величины, что катодная плёнка покрывает всю поверхность катода, катодное падение потенциала начинает возрастать с увеличением силы тока (аномальное катодное падение потенциала).
Существенным для понимания процессов в тлеющем разряде является то обстоятельство, что величина нормального катодного падения потенциала зависит лишь от материала катода и рода газа, причём катодное падение потенциала оказывается пропорциональным работе выхода электронов из катода.
Рассмотренные свойства тлеющего разряда приводят к следующей картине процессов, поддерживающих разряд. Положительные ионы, образующиеся в результате ионизации электронными ударами (в тлеющем свечении и в положительном столбе), движутся к катоду и, проходя через область катодного падения потенциала, приобретают значительную энергию. Под действием интенсивной бомбардировки быстрыми положительными ионами (а также вследствие фотоэффекта, вызванного излучением разряда) с катодом вылетают электроны, которые движутся к аноду. Эти электроны в области катодного падения потенциала сильно ускоряются и при последующих соударениях с атомами газа их ионизируют. В результате опять появляются положительные ионы, которые, снова устремляясь на катод, производят новые электроны и т.д. Таким образом, основными процессами, поддерживающими разряд, являются ионизация электронными ударами в объёме и вторичная электронная эмиссия на катоде.
Существование катодного темного пространства объясняется тем, что электроны начинают сталкиваться с атомами газа не сразу, а лишь на некотором расстоянии от катода. Ширина катодного тёмного пространства приблизительно равна средней длине свободного пробега электронов: она увеличивается с уменьшением давления газа. В катодном тёмном пространстве электроны, следовательно, движутся практически без соударений, образуя электронные, или катодные лучи. Если в катоде просверлить малые отверстия, то положительные ионы, бомбардирующие катод, пройдя через отверстия проникают в пространство за катодом и образуют резко ограниченный пучок, получивший название каналовых (или положительных) лучей, названных по знаку заряда, который они несут.
Распределение концентраций положительных ионов и электронов в различных частях разряда весьма неодинаково. Так как положительные ионы движутся гораздо медленнее, нежели электроны, то у катода концентрация ионов значительно больше, чем концентрация электронов. Поэтому вблизи катода возникает сильный пространственный положительный заряд, который и вызывает появление катодного падения потенциала. Напротив, в области положительного столба концентрации положительных ионов и электронов почти одинаковы и здесь пространственного заряда нет. Благодаря большой концентрации электронов положительный столб обладает хорошей электропроводностью и поэтому падение напряжения на нем весьма мало.
Так как в положительном столбе имеются и положительные ионы, и электроны, то здесь происходит интенсивная рекомбинация ионов, чем и объясняется свечение положительного столба.
Мы видим, что катодное падение потенциалов необходимо для поддержания тлеющего разряда. Именно благодаря его наличию положительные ионы приобретают необходимую энергию для образования интенсивной вторичной электронной эмиссии с катода, без которой тлеющий разряд не мог бы существовать. Поэтому катодное падение потенциала есть наиболее характерный признак тлеющего разряда, отличающий эту форму газового разряда от всех других форм.
Тлеющий разряд широко используют в качестве источника света в различных газосветных трубках. В лампах дневного света излучение тлеющего разряда поглощается слоем специальных веществ, нанесённых на внутреннюю поверхность трубки, которые под действием поглощённого излучения в свою очередь начинают светиться. Подходящим подбором этих веществ (люминофоров)испускаемое ими излучение можно сделать близким к дневному свету. Такие трубки оказываются более экономичными, нежели обычные лампы накаливания.
Газосветные трубки применяются также для рекламных и декоративных целей, для чего им придают очертания различных фигур и букв. Наполняя трубки различными газами, можно получить свечение различной окраски (красное у неона, синевато-зеленое у аргона).
Пользуясь тем, что катодное падение потенциала зависит от материала катода, можно сделать газосветные трубки с малым напряжением зажигания. Так, например, в неоновой лампе, в которой электродами служат два железных листочка, покрытых слоем бария, вследствие малости работы выхода электронов у бария, катодное падение потенциала составляет только около 70 В. Поэтому лампа зажигается уже при включении в обычную осветительную сеть. Такие лампы употребляют для целей сигнализации в различной аппаратуре (индикаторные лампы).
В лабораторной практике используют тлеющий разряд для катодного распыления металлов, так как вещество катода в тлеющем разряде постепенно переходит в парообразное состояние и оседает в виде металлического налёта на стенках трубки.
Причина катодного распыления, по всей вероятности, заключается в том, что каждый положительный ион при соударении с катодом передаёт свою энергию сначала небольшой группе атомов катода. Это приводит к сильному местному повышению температуры, возникающему в отдельных микроскопических областях катода, которое и приводит к испарению металла в этих местах. Помещая в тлеющем разряде против катода различные предметы, оказывается возможным покрыть их равномерным и прочным слоем металла. Этим способом, в частности, пользуются для изготовления металлических зеркал высокого качества.
3.2 Искровой разряд и его применение
Если постепенно увеличивать напряжение между двумя электродами, находящимися в атмосферном воздухе и имеющими такую форму, что электрическое поле между ними не слишком сильно отличается от однородного (например, два плоских электрода с закругленными краями или два достаточно больших шара), то при некотором напряжении возникает электрическая искра. Она имеет вид ярко светящегося канала, соединяющего оба электрода, который обычно бывает сложным образом изогнут и разветвлен (см. приложение 1.2).
Электрическая искра возникает в том случае, если электрическое поле в газе достигает некоторого определенного значения Ек (критическая напряженность поля или напряженность пробоя), которая зависит от рода газа и его состояния. Для воздуха при нормальных условиях Ек 3*106 В/м. Чем больше расстояние между электродами, тем большее напряжение между ними необходимо для наступления искрового пробоя газа. Это напряжение называется напряжением пробоя.
Возникновение пробоя объясняется следующим образом: в газе всегда есть некоторое число ионов и электронов, возникающих от случайных причин. Однако, число их настолько мало, что газ практически не проводит электричества. При достаточно большой напряженности поля кинетическая энергия, накопленная ионом в промежутке между двумя соударениями, может сделаться достаточной, чтобы ионизировать нейтральную молекулу при соударении. В результате образуется новый отрицательный электрон и положительно заряженный остаток - ион.
Свободный электрон 1 при соударении с нейтральной молекулой расщепляет ее на электрон 2 и свободный положительный ион. Электроны 1 и 2 при дальнейшем соударении с нейтральными молекулами снова расщепляет их на электроны 3 и 4 и свободные положительные ионы, и т.д (рис. 3.2.1).
Рис. 3.2.1
Такой процесс ионизации называют ударной ионизацией, а ту работу, которую нужно затратить, чтобы произвести отрывание электрона от атома - работой ионизации. Работа ионизации зависит от строения атома и поэтому различна для разных газов.
Образовавшиеся под влиянием ударной ионизации электроны и ионы увеличивает число зарядов в газе, причем в свою очередь они приходят в движение под действием электрического поля и могут произвести ударную ионизацию новых атомов. Таким образом, процесс усиливает сам себя, и ионизация в газе быстро достигает очень большой величины. Явление аналогично снежной лавине, поэтому этот процесс был назван ионной лавиной.
Образование ионной лавины и есть процесс искрового пробоя, а то минимальное напряжение, при котором возникает ионная лавина, есть напряжение пробоя.
Таким образом, при искровом пробое причина ионизации газа заключается в разрушении атомов и молекул при соударениях с ионами (ударная ионизация). Величина Ек увеличивается с увеличением давления. Отношение критической напряженности поля к давлению газа р для данного газа остается приблизительно постоянным в широкой области изменения давлений:
.(3.2.1)
Этот закон позволяет определить Ек при разных давлениях, если известно его значение при каком-либо одном давлении.
Напряжение пробоя понижается при воздействии на газ внешнего ионизатора. Если приложить к газовому промежутку напряжение, несколько меньшее пробойного, и внести в пространство между электродами зажженную газовую горелку, то возникает искра. Такое же действие оказывает и освещение отрицательного электрода ультрафиолетовым светом, а также другие ионизаторы.
Для объяснения искрового разряда вначале казалось естественным предположить, что основными процессами в искре являются ионизация электронными ударами в объеме и ионизация положительными ионами (в объеме или на катоде). Однако впоследствии выяснилось, что эти процессы не могут объяснить многие особенности образования искры. Остановимся для примера на скорости развития искрового заряда. Если бы в искре существенную роль играла ионизация положительными ионами, то время развития искры было бы по крайней мере того же порядка, что и время перемещения положительных ионов от анода до катода. Это время легко оценить - оно оказывается порядка 10-4 - 10-5 с. Между тем, опыт показывает, что время ее развития на несколько порядков меньше.
Объяснение большой скорости развития искры, так же как и других особенностей этой формы разряда, дано так называемой стримерной теорией искры, в настоящее время обоснованной прямыми экспериментальными данными. Согласно этой теории, возникновению ярко светящегося канала искры предшествует появление слабо светящихся скоплений ионизированных частиц (стримеров). Пронизывая газоразрядный промежуток, стримеры образуют проводящие мостики, по которым в последующие стадии разряда и устремляются мощные потоки электронов. Причиной возникновения стримеров является не только образование электронных лавин посредством ударной ионизации, но еще и ионизация газа излучением, возникающим в самом разряде (фотоионизация).
Схема развития стримера изображена на рис. 3.2.2.
Рис. 3.2.2
В виде конусов на этом рисунке показаны электронные лавины, зарождающиеся в точках вершин конусов и распространяющиеся от катода к аноду. Существенным в этой схеме является то обстоятельство, что, помимо первоначальной электронной лавины, зародившейся непосредственно у катода, происходит образование новых лавин в точках, расположенных далеко впереди от головы первоначальной лавины. Эти новые лавины возникают вследствие появления электронов в объеме газа в результате фотоионизации излучением, исходящим из лавин, возникших ранее (на рисунке это излучение показано схематически в виде волнистых линий). В процессе своего развития отдельные лавины нагоняют друг друга и сливаются вместе, в результате чего возникает хорошо проводящий канал стримера. Из приведенной схемы ясно, что вследствие возникновения многих лавин общий путь CD, проходимый стримером, намного больше расстояния АВ, проходимого одной первоначальной лавиной (различие в длинах АВ и CD в действительности намного больше, чем показано на рис. 3.2.2).
Из-за выделения при рассмотренных процессах большого количества энергии газ в искровом промежутке нагревается до 10000 С, что приводит к его свечению. Быстрый нагрев газа ведёт к повышению давления, достигающему 107108 Па, и возникновению ударных волн, объясняющих звуковые эффекты при искровом разряде - характерное потрескивание в слабых разрядах и мощные раскаты грома в случае молнии, являющейся примером мощного искрового разряда между грозовым облаком и и Землёй или между двумя грозовыми облаками.
Искровой разряд используется для воспламенения горючей смеси в двигателях внутреннего сгорания. При малой длине разрядного промежутка искровой разряд вызывает специфическое разрушение анода, называемое эрозией. Это явление было использовано в электроискровом методе резки, сверления и других видах точной обработки металла. Его используют в спектральном анализе для регистрации заряженных частиц (искровые счетчики).
Искровой промежуток применяется в качестве предохранителя от перенапряжения (искровые разрядники) в электрических линиях передач (например, в телефонных линиях). Если вблизи линии проходит сильный кратковременный ток, то в проводах этой линии индуцируются напряжении и токи, которые могут разрушить электрическую установку, и опасны для жизни людей.
Во избежание этого используются специальные предохранители, состоящие из двух изогнутых электродов, один из которых присоединен к линии, а другой заземлен. Если потенциал линии относительно земли сильно возрастает, то между электродами возникает искровой разряд, который вместе с нагретым им воздухом поднимается вверх, удлиняется и обрывается.
Наконец, электрическая искра применяется для измерения больших разностей потенциалов с помощью шарового разрядника, электродами которого служат два металлических шара, закрепленных на стойках 1 и 2. Вторая стойка с шаром может приближаться или удаляться от первой при помощи винта. Шары присоединяют к источнику тока, напряжение которого требуется измерить, и сближают их до появления искры. Измеряя расстояние при помощи шкалы на подставке, можно дать грубую оценку напряжению по длине искры (пример: при диаметре шара 5 см и расстоянии 0,5 см напряжение пробоя равно 17,5 кВ, а при расстоянии 5 см - 100 кВ). Этим методом можно измерять с точностью до нескольких процентов разности потенциалов порядка десятков тысяч вольт.
3.2.1 Молния - вид искрового разряда
Красивое и небезопасное явление природы - молния - представляет собой искровой разряд в атмосфере (см. приложение 1.3).
Уже в середине 18-го века обратили внимание на внешнее сходство молнии с электрической искрой. Высказалось предположение, что грозовые облака несут в себе большие электрические заряды и что молния есть гигантская искра, ничем, кроме размеров, не отличающаяся от искры между шарами электрической машины. Это было доказано на опыте 1752-53 гг. Ломоносовым и американским ученым Бенджамином Франклином (1706-90), работавшими одновременно и независимо друг от друга.
Франклин во время грозы пустил на бечевке змея, который был снабжен железным острием; к концу бечевки был привязан дверной ключ. Когда бечевка намокла и сделалась проводником электрического тока, Франклин смог извлечь из ключа электрические искры, зарядить лейденские банки и проделать другие опыты, производимые с электрической машиной. Следует отметить, что такие опыты чрезвычайно опасны, так как молния может ударить в змей, и при этом большие заряды пройдут через тело экспериментатора в Землю. В истории физики были такие печальные случаи. Так погиб в 1753 г. в Петербурге Г.В. Рихман, работавший вместе с Ломоносовым.
Ломоносов построил «громовую машину» - конденсатор, находившийся в его лаборатории и заряжавшийся атмосферным электричеством посредством провода, конец которого был выведен из помещения и поднят на высоком шесте. Во время грозы из конденсатора можно было рукой извлекать искры. Наблюдая за показаниями электроскопа, соединённого с высоким металлическим шестом, Ломоносов обнаружил, что электрическое поле у поверхности земли существует и в отсутствие грозы, сильно увеличиваясь в предгрозовые периоды. Он создал первую теорию возникновения электрических разрядов в атмосфере и этим положил начало науке об атмосферном электричестве.
Таким образом, было показано, что грозовые облака действительно сильно заряжены электричеством.
Разные части грозового облака несут заряды различных знаков. Чаще всего нижняя часть облака (отраженная к Земле) бывает заряжена отрицательно, а верхняя - положительно. Поэтому, если два облака сближаются разноименно заряженными частями, то между ними проскакивает молния. Однако грозовой разряд может произойти и иначе. Проходя над Землей, грозовое облако создает на ее поверхности большие индуцированные заряды, и поэтому облако и поверхность Земли образуют две обкладки большого конденсатора. Разность потенциалов между облаком и Землей достигает огромных значений и в воздухе возникает сильное электрическое поле. Если напряженность этого поля достаточно большая, то может произойти пробой, т.е. молния, ударяющая в Землю. При этом молния иногда поражает людей и вызывает пожары.
Согласно многочисленным исследованиям, произведенным над молнией, искровой заряд характеризуется следующими примерными числами:
- напряжение (U) между облаком и Землей 0,1 ГВ (гигавольт);
- сила тока (I) в молнии 0,1 МА (мегаампер);
- продолжительность молнии (t) 1 мкс (микросекунда);
- диаметр светящегося канала 10-20 см.
Гром, возникающий после молнии, имеет такое же происхождение, как и треск при проскакивании лабораторной искры. Именно, воздух внутри канала молнии сильно разогревается и расширяется, отчего и возникают звуковые волны. Эти волны, отражаясь от облаков, гор, и т.п., часто создают длительное эхо - громовые раскаты. Очень часто молния представляет собой ряд искровых разрядов, следующих друг за другом по одному пути (кратные молнии). Число разрядов молнии может достигать нескольких десятков, а общая длительность молнии - 1 секунду.
Особенно интересные результаты получаются при фотографировании молнии камерой с вращающимся объективом. Подобные фотографии позволяют проследить за последовательными стадиями развития молнии. Они показывают, что молнии предшествует развитие слабо светящегося канала - лидера, распространяющегося обычно от облака к земле и аналогично стримеру в коротких лабораторных искрах. Когда лидер достигает земли, по пути, пробитому лидером, устремляются большие заряды и развивается ярко светящийся главный канал молнии, распространяющийся с огромной скоростью 107 - 108 м/с от земли к облаку. При этом происходит сильное разогревание воздуха в главном канале и возникает ударная звуковая волна - гром.
Хотя основные процессы в молнии, по-видимому, такие же, как в лабораторных искрах, особенности развития обоих типов разрядов все же несколько различны. Это видно, например, из следующего факта. Искровой разряд (короткий) в воздухе при нормальных условиях возникает при напряженности поля Ек?3000 кВ/м. Многочисленные же измерения напряжённости поля в атмосфере показывают, что даже во время грозы она значительно меньше и не превышает 200-400 кВ/м. Такое снижение пробойной напряженности поля наблюдается и в очень длинных лабораторных искрах (длиной до 10 м). Оно объясняется, по-видимому, тем, что в очень длинных разрядных промежутках могут возникать случайные большие местные усиления электрического поля, в которых и зарождаются стримеры искрового разряда. Кроме обычных молний, наблюдаются, хотя и редко, так называемые шаровые молнии. Они имеют вид светящихся шаров диаметром 10-20 см, которые либо медленно движутся, либо прикрепляются к неподвижным предметам. Шаровые молнии зарождаются обычно при ударе очень сильных молний и через несколько секунд, а иногда и минут, исчезают с сильным взрывом.
3.3 Коронный разряд и его применение
Разряд, получивший такое название, наблюдается при сравнительно высоких давлениях газов (например, при атмосферном давлении) в сильно неоднородном поле вблизи электродов с большой кривизной поверхности (например, около остриев или проводов линий высокого напряжения). Для получения значительной неоднородности поля электроды должны иметь очень неодинаковую поверхность, то есть один электрод - очень большую поверхность, а другой - очень малую. Так, например, коронный разряд легко получить, располагая тонкую проволоку внутри металлического цилиндра, радиус которого значительно больше радиуса проволоки (рис. 3.3.1); следует отметить, что наличие внешнего цилиндра не обязательно и его роль могут играть окружающие заземленные предметы.
Рис. 3.3.1
Силовые линии электрического поля сгущаются по мере приближения к проволоке, а следовательно, напряженность поля возле проволоки имеет наибольшее значение. Когда она достигает приблизительно 3*106 В/м (при атмосферном давлении и нормальной температуре), между проволокой и цилиндром зажигается разряд и в цепи появляется ток. При этом возле проволоки возникает свечение, имеющее вид оболочки или короны, окружающей проволоку, откуда и произошло название разряда. Коронный разряд возникает как при отрицательном потенциале на проволоке (отрицательная корона), так и при положительном (положительная корона), а также при переменном напряжении между проволокой и цилиндром. При увеличении напряжения между проволокой и цилиндром растет и ток в коронном разряде. При этом увеличивается толщина светящегося слоя короны.
Процессы внутри короны сводятся к следующему. Если проволока заряжена отрицательно, то по достижении напряженности пробоя у поверхности проволоки зарождаются электронные лавины, которые распространяются от проволоки к цилиндру. Так как напряженность поля уменьшается по мере удаления от проволоки, то на некотором расстоянии от проволоки электронные лавины обрываются. Расстояние, на которое распространяются электронные лавины, и есть толщина короны. Следовательно, в коронно разряде электронные лавины не пронизывают целиком слой газа, т. е. мы имеем неполный пробой газового промежутка. В случае отрицательной короны рождение электронов, вызывающих ударную ионизацию молекул газа, происходит за счёт эмиссии их из катода под действием положительных ионов. В случае положительной короны электронные лавины зарождаются на внешней поверхности короны и движутся по направлению к проволоке. В случае положительной короны рождение электронов, вызывающих ударную ионизацию молекул газа, происходит вследствие ионизации газа вблизи анода.
Таким образом, внутри короны мы имеем и положительные и отрицательные ионы. Отрицательные ионы (при отрицательной короне) движутся к аноду и выходят за пределы короны. Положительные ионы движутся к проволоке. Электроны, вышедшие за пределы короны, присоединяются к нейтральным атомам газа, отчего возникают отрицательные ионы. За пределами короны мы имеем только ионы одного знака (отрицательные при отрицательной короне и положительные при положительной короне). В этой области разряд имеет несамостоятельный характер.
Подобные документы
Механизмы возникновения электрического разряда в газах, условия их электропроводности. Ионная электропроводимость газов. Различные типы самостоятельного разряда и их техническое применение. Искровой, коронный и дуговой разряды. "Огни святого Эльма".
презентация [2,9 M], добавлен 07.02.2011Условия 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 21.05.2008Изучение 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 13.04.2015Электрический 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 17.05.2006Тлеющий газовый разряд как один из видов стационарного самостоятельного электрического разряда в газах. Применение его как источника света в неоновых лампах, газосветных трубках и плазменных экранах. Создание квантовых источника света, газовых лазеров.
презентация [437,2 K], добавлен 13.01.2015Явление ионизации и рекомбинации в газах, его физическое обоснование и значение. Самостоятельный и несамостоятельный газовый разряд, их сравнительное описание, применение и основные влияющие факторы. Понятие о плазме, ее характеристика и свойства.
презентация [3,7 M], добавлен 13.02.2016Самостоятельный 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 14.09.2012Электрический 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 15.10.2010Характеристики 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 03.02.2016Понятие электрического тока и условия его возникновения. Сверхпроводимость металлов при низких температурах. Понятия электролиза и электролитической диссоциации. Электрический ток в жидкостях. Закон Фарадея. Свойства электрического тока в газах, вакууме.
презентация [2,9 M], добавлен 27.01.2014
