Виды разрядов в газах

Тлеющий разряд

Тлеющим разрядом обычно называют самостоятельный разряд, в котором катод испускает электроны вследствие бомбардировки его положительными ионами и фотонами, образующимися в газе.

В отличие от таунсендновского разряда, где плотности электрического тока невелики, а влияние пространственного заряда несущественно, в тлеющем разряде плотности тока значительно больше, а пространственные заряды, возникающие из-за большого различия в массах электронов и положительных ионов, делают электрическое поле в газе неоднородным. Для тлеющего разряда характерна большая напряженность электрического поля и соответствующее ей большое падение потенциала вблизи катода (катодное падение).

Уменьшение давления до 0,1÷0,01 мм рт. ст. приводит к появлению в различных частях объема газа характерных областей, хотя и не всегда отчетливо выраженных. Основными и наиболее заметными из них в порядке следования со стороны катода (рис. 7.8) являются:

1) катодный слой – это тонкая светящаяся пленка, где происходит возбуждение атомов и молекул ударами электронов, но еще нет ионизации. Возвращаясь в нормальное состояние, возбужденные атомы излучают кванты света, чем и объясняется свечение;

2) темное катодное пространство (темное круксовое или темное гитторфовое пространство). На самом деле оно не совсем темное, но кажется таковым лишь на фоне примыкающих к нему более светлых областей разряда. В этой части пространства начинается ионизация атомов и молекул и нарастание электронных лавин. Из-за возможности ионизации уменьшается вероятность возбуждения атомов и молекул, с чем связано ослабление свечения газа. Область темного катодного пространства наиболее важна для поддержания разряда, так как созданные здесь положительные ионы обеспечивают необходимую эмиссию электронов с катода;

3) отрицательное тлеющее свечение (тлеющее свечение), в которое переходит темное катодное пространство. Это свечение резко ограничено только со стороны катода. Свечение возникает из-за рекомбинации электронов с положительными ионами, а также вследствие квантовых переходов возбужденных атомов на более низкие энергетические уровни;

4) при продвижении к аноду яркость тлеющего свечения ослабевает, и оно постепенно переходит в так называемое фарадеево темное пространство, в которое уже не долетают быстрые электроны электронных лавин (см. рис. 7.8);

5) остов разряда – это столб ионизованного светящегося газа в более или менее узких трубках. Иногда его называют положительным свечением или положительным столбом разряда. Обычно он простирается до самой поверхности анода. При некоторых условиях между положительным столбом и анодом видно темное анодное пространство, а на самой поверхности – анодное свечение, или анодная светящаяся пленка. Положительный столб иногда разделяется на отдельные чередующиеся светлые и темные полосы (страты). В этом случае разряд называют сложным. Наличие положительного столба несущественно для поддержания разряда, хотя он и имеет большое значение в применениях разряда.

Свечение в положительном столбе происходит в основном за счет рекомбинации электронов с положительными ионами. На последних нескольких свободных пробегах (в области так называемого анодного падения) электроны могут накопить достаточную кинетическую энергию, чтобы вызвать возбуждение атомов, в то время как положительные ионы оттягиваются от анода. Это приводит к анодному свечению.

Перечисленные первые четыре области называются катодными частями разряда. В них происходят все процессы, необходимые для поддержания разряда.

При больших внешних сопротивлениях, когда сила тока в разрядной трубке невелика, поверхность катода, покрытая свечением и принимающая участие в разряде, пропорциональна силе тока в трубке (закон Геля). При изменении тока плотность его остается приблизительно постоянной. Вместе с ней остается постоянным и катодное падение потенциала. В этом случае оно называется нормальным катодным падением. В большинстве случаев оно лежит в пределах 100 - 300 В. Температура катода не оказывает влияния на величину нормального катодного падения, пока не возрастет термоэлектронная эмиссия с поверхности катода. С хорошим приближением нормальное катодное падение пропорционально работе выхода электрона из катода. Это используется для устройства трубок с очень малым потенциалом зажигания. Такова, например, неоновая лампочка, в которой электродами служат два железных листочка, покрытых слоем бария для уменьшения работы выхода. Катодное падение составляет в этом случае всего 70 В, и тлеющий разряд зажигается в неоновой лампочке уже при включении в обычную осветительную сеть.

Когда с увеличением тока вся поверхность катода оказывается покрытой свечением, начинает возрастать и катодное падение. В этом случае оно называется аномальным катодным падением, а разряд – аномальным тлеющим разрядом.

Электроны, выбиваемые с поверхности катода положительными ионами, ускоряются в области катодного падения потенциала. При уменьшении давления газа увеличивается средняя длина свободного пробега электронов, а с ней – и темное катодное пространство. При давлении 0,01÷0,001 мм рт. ст. (в зависимости от размеров трубки) темное катодное пространство заполняет почти всю трубку, и электронный пучок движется в ней почти без столкновений. Такие электронные пучки получили название катодных лучей. Они были открыты Круксом еще до установления их физической природы (до открытия самого электрона). Если на пути катодных лучей поставить металлический экран, то за ним на противоположной стороне трубки наблюдается его тень. При поднесении магнита пучок лучей и образуемая им тень смещаются в сторону. Электроны катодных лучей, вышедшие с катода, ускоряются электрическим полем вблизи его поверхности и далее движутся перпендикулярно к ней по инерции. Попадая на стенки трубки, электроны сообщают им отрицательный заряд. Однако катод нейтрализуется положительными ионами, подтекающими из газа к стенкам трубки, а отрицательные ионы газа попадают на анод. Если поверхности катода придать вогнутую сферическую форму, то катодные лучи сфокусируются в центре этой сферы. Когда давление в трубке настолько мало, что область темного катодного пространства захватывает анод, тлеющий разряд в трубке прекращается. Вместе с ним прекращается также испускание катодных лучей и свечение стенок трубки.

Катодные лучи используются в так называемых ионных рентгеновских трубках для получения рентгеновских лучей. Ионные рентгеновские трубки обладают тем недостатком, что в результате различных процессов количество газа в трубке уменьшается с течением времени. Когда давление газа в трубке становится меньше 0,001 ¸ 0,0001 мм рт. ст., тлеющий разряд в них не зарождается и трубка перестает работать. В настоящее время применяются почти исключительно электронные рентгеновские трубки, обладающие большой устойчивостью в работе, чем ионные. В них тлеющий разряд не используется.

Если в катоде просверлить малые отверстия, то положительные ионы, бомбардирующие катод, пройдя через отверстия, попадут в за катодное пространство и там будут распространяться в виде прямолинейных лучей. Эти лучи были названы положительными, или каналовыми, лучами, поскольку они выходят из отверстий катода, как из каналов. Каналовые лучи заметны в трубке в виде слабо светящихся пучков.

Они, как и катодные лучи, вызывают свечение стекла трубки. Из-за наличия процессов перезарядки в пучке каналовых лучей имеются не только положительные, но и отрицательные ионы, а также быстрые, отчасти возбужденные нейтральные частицы. В магнитном поле такой пучок разделяется на три пучка: положительные ионы отклоняются в одну сторону, отрицательные в противоположную сторону, а нейтральные молекулы и атомы не испытывают никакого отклонения. При повторном прохождении пучков через магнитное поле каждый из них снова распадается на три пучка. Отсюда следует, что процессы перезарядки происходят не только перед катодом, но и продолжаются в закатодном пространстве.

Искровой разряд

Искровой разряд характеризуется прерывистой формой даже при использовании источников постоянного тока. Он возникает в газе обычно при давлениях порядка атмосферного. В естественных природных условиях искровой разряд наблюдается в виде молнии. По внешнему виду он представляет собой пучок ярких зигзагообразных разветвляющихся тонких полосок, мгновенно пронизывающих разрядный промежуток, быстро гаснущих и постепенно сменяющих друг друга (рис. 7.9). Эти полоски называются искровыми каналами. Они начинаются как на положительном электроде, так и на отрицательном электродах, а также в любой точке между ними. Каналы, развивающиеся от положительного электрода, имеют четкие нитевидные очертания, а развивающиеся от отрицательного электрода имеют диффузные края и более мелкое ветвление.

Так как искровой разряд возникает при больших давлениях газа, то потенциал зажигания очень высок. Однако после того как разрядный промежуток "пробит" искровым каналом, сопротивление этого промежутка становится очень малым, через канал проходит кратковременный импульс тока большой силы, в течение которого на разрядный промежуток приходится лишь незначительное напряжение. Если мощность источника не очень велика, то после такого импульса тока разряд прекращается. Напряжение между электродами начинает повышаться до прежнего значения, и пробой газа повторяется с образованием нового искрового канала. Время t нарастания напряжения тем больше, чем больше емкость C между электродами. Поэтому включение конденсатора параллельно разрядному промежутку увеличивает время между двумя последовательными искрами, а сами искры становятся более мощными. Через канал искры проходит большой электрический заряд, и поэтому увеличивается амплитуда и длительность импульса тока. При больших емкостях канал искры ярко светится и имеет вид широких полос. То же происходит при увеличении мощности источника тока. Тогда говорят о конденсированном искровом разряде, или конденсированной искре. Максимальная сила тока в импульсе при искровом разряде меняется в широких пределах в зависимости от параметров цепи разряда и условий в разрядном промежутке, достигая нескольких сотен килоампер. При дальнейшем увеличении мощности источника искровой разряд переходит в дуговой разряд.

В результате прохождения импульса тока через канал искры в канале выделяется большое количество энергии (порядка 0,1 - 1 Дж на каждый сантиметр длины канала). С выделением энергии связано скачкообразное увеличение давления в окружающем газе, образование цилиндрической ударной волны, температура, на фронте которой ~10 4 К. Происходит быстрое расширение канала искры со скоростью порядка тепловой скорости атомов газа. По мере продвижения ударной волны температура на ее фронте начинает падать, а сам фронт отходит от границы канала. Возникновением ударных волн объясняются звуковые эффекты, сопровождающие искровой разряд: характерное потрескивание в слабых разрядах и мощные раскаты грома в случае молнии.

В момент существования канала, особенно при высоких давлениях, наблюдается наиболее яркое свечение искрового разряда. Яркость свечения неоднородна по сечению канала и имеет максимум в его центре.

Механизм искрового разряда, с точки зрения современной, общепринятой теории, так называемой стримерной теории искрового пробоя, которая подтверждается экспериментально, заключается в том, что если вблизи катода зародилась электронная лавина, то на ее пути происходит ионизация и возбуждение молекул и атомов газа. Существенно, что световые кванты, испускаемые возбужденными атомами и молекулами, распространяясь к аноду со скоростью света, сами производят ионизацию газа и дают начало новым электронным лавинам. Таким путем во всем объеме газа проявляются слабо светящиеся скопления ионизованного газа, называемые стримерами. В процессе своего развития отдельные электронные лавины догоняют друг друга и, сливаясь вместе, образуют хорошо проводящий мостик из стримеров. По этому мостику в последующий момент времени и устремляется мощный поток электронов, образующий канал искрового разряда. Поскольку проводящий мостик образуется в результате слияния практически одновременно возникающих стримеров, время его образования много меньше времени, которое требуется отдельной электронной лавине для прохождения расстояния от катода к аноду. Развитие отрицательного стримера показано на рис. 7.10. Наряду с отрицательными стримерами, т.е. стримерами, распространяющимися от катода к аноду, существуют также положительные стримеры, которые распространяются в противоположном направлении.

Надо отметить, что это теория объясняет основные особенности искрового разряда, хотя в количественном отношении и не может считаться завершенной.

Коронный разряд

Коронный разряд возникает при сравнительно высоких давлениях газа (порядка атмосферного) в сильно неоднородном электрическом поле, которое можно получить между двумя электродами, поверхность одного из которых имеет большую кривизну (тонкая проволочка, острие). Схема получения коронного разряда показана на рис. 7.11. Надо отметить, что наличие второго электрода необязательно, его роль могут играть окружающие заземленные электроды. При достижении напряженности электрического поля вблизи электрода с большой кривизной значения порядка 3×10 4 В/м вокруг этого электрода возникает свечение, имеющее вид оболочки или короны, откуда и произошло название разряда. Если корона возникает вокруг отрицательного электрода, то она называется отрицательной. В противоположном случае корона называется положительной. Вид положительной короны показан на рис. 7.12 слева, вид отрицательной короны – справа. Механизм возникновения разряда в этих двух случаях – разный.

В случае отрицательной короны положительные ионы, образуемые электронными лавинами, ускоряются в сильно неоднородном электрическом поле вблизи катода. Попадая на катод, они выбивают из него электроны (вторичная электронная эмиссия). Выбитые электроны, провзаимодействовав с катодом, на своем пути порождают новые электронные лавины. Так как электрическое поле убывает при удалении от электрода, то на некотором расстоянии электронные лавины обрываются, электроны попадают в "темную" область и там прилипают к нейтральным молекулам газа. Образовавшиеся отрицательные ионы и являются основными носителями тока в "темной" области. Пространственный отрицательный заряд этих ионов вблизи анода ограничивает общий разрядный ток. В случае чистых электроположительных газов отрицательные ионы не образуются, а носителями зарядов в "темной" области являются сами электроны. В "темной" области разряд носит несамостоятельный характер.

В положительной короне, когда катодом служит электрод с большим радиусом кривизны, электрическое поле у катода слабое. Поэтому электронные лавины не могут порождаться электронами, выбиваемыми из катода вследствие вторичной эмиссии. Электронные лавины порождаются электронами, возникающими вблизи анода при объемной ионизации газа фотонами, излучаемыми коронирующим слоем. Они зарождаются на внешней границе коронирующего слоя и распространяются к положительному электроду (обладающему большей кривизной). Положительные ионы, двигаясь через "темную" область к катоду, образуют пространственный заряд, который снова ограничивает силу разрядного тока.

При увеличении напряжения между электродами "темная" область коронного разряда исчезает, и возникает искровой разряд с полным пробоем разрядного промежутка.

Корона иногда возникает в естественных условиях под влиянием атмосферного электричества на верхушках деревьев, корабельных мачт и пр.

С возникновением коронного разряда приходится считаться в технике высоких напряжений. Образуясь вокруг проводов высоковольтных линий передач электроэнергии, корона ионизует окружающий воздух, вследствие чего возникают вредные токи утечки. Для уменьшения этих токов утечки провода высоковольтных линий, а также подводящие провода к высоковольтным установкам должны быть достаточно толстыми. Коронные разряды, поскольку они носят прерывистый характер, являются источниками значительных радиопомех.

Коронный разряд используется в электрофильтрах, предназначенных для очистки промышленных газов от примесей твердых и жидких частиц (дыма в производстве серной кислоты, в литейных цехах заводов и т.д.).

Дуговой разряд

Если после получения искрового разряда от мощного источника постепенно уменьшать расстояние между электродами (или сопротивление внешней цепи), то разряд из прерывистого становится непрерывным. Возникает новая форма газового разряда, называемая дуговым разрядом. При этом ток резко увеличивается, достигая десятков и сотен ампер, а напряжение на разрядном промежутке падает до нескольких десятков вольт.

Дуговой разряд можно получить от источников низкого напряжения, минуя стадию искры. Для этого электроды сближают до соприкосновения, в результате они сильно нагреваются (раскаляются) электрическим током, после чего их разводят, получая при этом яркую электрическую дугу. Именно таким путем электрическая дуга была впервые получена в 1802 г. русским физиком В.В. Петровым.

В настоящее время электрическая дуга, горящая при атмосферном давлении, чаще всего получается между специальными угольными электродами, изготовленными из прессованного графита со связывающими веществами (рис. 7.13).

Согласно В.Ф. Миткевичу, дуговой разряд поддерживается главным образом за счет термоэлектронной эмиссии с поверхности катода. Подтверждением этой точки зрения может служить установленный на опыте факт, что во многих случаях устойчивая дуга получается только при условии, что температура катода достаточно высока. При охлаждении катода дуга горит неустойчиво, периодически гаснет и снова зажигается. Охлаждение же анода не вызывает нарушения устойчивого режима горения дуги.

С возрастанием разрядного тока сопротивление дуги R сильно уменьшается из-за увеличения термоэлектронной эмиссии с катода и ионизации газа в разрядном промежутке. При этом сопротивление убывает сильнее, чем возрастает ток. Вследствие этого с увеличением тока напряжение на разрядном промежутке не возрастает, а убывает. Говорят, что дуга имеет падающую вольтамперную характеристику, т.е. такую характеристику, когда напряжение на разрядном промежутке уменьшается с возрастанием тока. Поэтому для поддержания устойчивого горения дуги при случайных изменениях тока, например вследствие охлаждения катода, напряжение на электродах дуги должно быть повышено. С этой целью в цепь дуги включают последовательно балластное сопротивление. При случайном уменьшении тока напряжение на балластном сопротивлении уменьшается. Поэтому при неизменном подводимом общем напряжении напряжение на газоразрядном промежутке должно увеличиваться, чем и обеспечивается стабильное горение дуги.

Наряду с дуговыми разрядами, обусловленными термоэлектронной эмиссией, существуют и разряды другого типа. Примером могут служить дуговые разряды в ртутных лампах. Ртутная лампа представляет собой предварительно откачанный кварцевый или стеклянный баллон, пропускающий ультрафиолетовые лучи, наполненный парами ртути (рис.7.14). Дуговой разряд зажигается электрической искрой между двумя столбиками ртути, служащими электродами лампы. Ртутная дуга является мощным источником ультрафиолетовых лучей. Поэтому такие лампы применяют в медицине и в научных исследованиях.

Исследования показали, что источником мощной эмиссии электронов в ртутной лампе является небольшое, ярко светящееся пятно, возникающее на катоде и непрерывно бегающее по его поверхности (так называемое катодное пятно). Плотность тока в катодном пятне огромна и может достигать 10 6 ¸10 7 А/см 2 . Катодное пятно может возникнуть не только у поверхности ртутного, но и любого другого металлического электрода.

Ртутные дуги и аналогичные дуги с металлическими электродами получили название электрических дуг с холодным катодом. Дело в том, что раньше считалось, что катод действительно является холодным по всей его поверхности. Поэтому термоэлектронная эмиссия с катода не происходит или практически не играет никакой роли. Ленгмюр высказал предположение, что в случае холодного катода дуговой разряд поддерживается автоэлектронной эмиссией с катода. Действительно, катодное падение потенциала (~10 В) происходит на протяжении порядка длины свободного пробега электрона. Поэтому вблизи катода возникает сильное электрическое поле, достаточное, чтобы вызвать заметную автоэлектронную эмиссию. Несомненно, автоэлектронная эмиссия в дугах с "холодным" катодом играет существенную роль. Позднее появились указания на возможность нагрева таких катодов в отдельных точках до температур, при которых происходит большая термоэлектронная эмиссия, которая вместе с автоэлектронной эмиссией и поддерживает дуговой разряд. Хотя данный вопрос еще недостаточно исследован.

7.4. Понятие о плазме. Плазменная частота.
Дебаевская длина. Электропроводность плазмы

Плазмой называется ионизованный квазинейтральный газ, занимающий настолько большой объем, что в нем не происходит сколько-нибудь заметного нарушения квазинейтральности из-за тепловых флуктуаций. Квазинейтральность плазмы означает, что количества положительных и отрицательных зарядов в нем почти одинаковы. Нейтральным является каждый физически бесконечно малый элемент объема (объем малый макроскопический, но содержащий еще большое количество электронов и ионов). Заряды положительных и отрицательных ионов одинаковы и равны заряду электрона.

Достаточно сильное воздействие на плазму может привести к разделению зарядов в некоторой ее области. Такое воздействие может оказать на плазму, например, быстрая заряженная частица из числа электронов или ионов самой плазмы (при достаточно высокой температуре – тепловые флуктуации) или пришедшая извне.

Разделение положительных и отрицательных зарядов в плазме аналогично процессу поляризации диэлектрика. Однако в диэлектриках заряженные частицы не могут двигаться на большие расстояния (~10 -10 м), а в плазме возможны любые перемещения частиц.

Если из-за тепловых флуктуаций отрицательные заряды сместились на расстояние x, то на границах плазмы возникнут макроскопические заряды противоположных знаков с поверхностной плотностью

где n – концентрация частиц одного знака заряда.

С учетом того что , то в рассматриваемом случае

, (7.31)

где P – электрический дипольный момент единицы объема плазмы.

Если плазма бесконечна и в ней отсутствуют свободные электрические заряды, являющиеся источниками вектора D, имеем

. (7.32)

Из формулы (7.32) для напряженности электрического поля, возникшего в плазме, получим

Для плотности энергии электрического поля

. (7.34)

Сила, действующая на каждый электрон,

. (7.35)

Из выражения (7.35) видно, что сила пропорциональна смещению и направлена в сторону, противоположную смещению, т.е. она подобна квазиупругой силе. Следовательно, сила, действующая на электроны в плазме, вызывает гармонические колебания с частотой

где m – масса электрона.

Эта частота называется плазменной частотой.

Колебания электронов, возникшие в определенном месте плазмы, создадут волну той же частоты, распространяющуюся через плазму.

Поскольку энергия электрического поля черпается из кинетической энергии теплового движения частиц газа, величина w 0 не может превосходить 3nkT. На долю отрицательных частиц единицы объема приходится в среднем кинетическая энергия (и такая же энергия – на долю положительных). Следовательно, если опустить численный коэффициент 3, то должно выполняться соотношение

(nxe) 2 <(nkT)×2e 0 ,

. (7.37)

Величина D называется дебаевской длиной или дебаевским радиусом. Таким образом, чтобы плазма сохраняла квазинейтральность, ее линейные размеры должны намного превосходить дебаевский радиус.

В зависимости от степени ионизации a различают: слабо ионизованную плазму (при a порядка долей процента), умеренно ионизованную плазму (a нескольких процентов) и полностью ионизованную плазму. В земных природных условиях плазма встречается довольно редко (например, в канале молнии). В верхних слоях атмосферы, которые в большей степени подвержены воздействию ионизующих факторов (ультрафиолетовые и космические лучи), постоянно присутствует слабо ионизованная плазма (ионосфера). Ионосфера отражает радиоволны и делает возможной радиосвязь на больших расстояниях (порядка расстояния между диаметрально противоположными точками земного шара). В космическом пространстве плазма представляет собой наиболее распространенное состояние вещества. Солнце и горячие звезды, имеющие высокие температуры, состоят из полностью ионизованной плазмы. Поэтому многие проблемы астрофизики связаны с изучением физических свойств плазмы. На почве астрофизики возникла магнитная гидродинамика, в которой плазма, движущаяся в магнитных полях, рассматривается как сплошная жидкая среда, обладающая высокой проводимостью. Плазма образуется в различных формах газового разряда, например в положительном столбе тлеющего разряда, а также в главном канале искрового разряда. Физика плазмы – сравнительно новый, быстро развивающийся раздел физики, которому посвящены специальные курсы.

Оценим удельную проводимость g полностью ионизованной плазмы, состоящей из электронов и положительно заряженных ионов, каждый из которых обладает зарядом Ze. Движение ионов, ввиду их больших масс, можно не учитывать и считать, что весь ток создается движением легких электронов. Величина g определяется столкновением электронов с ионами. Столкновение электронов между собой на величину тока не влияют, поскольку при таких столкновениях полный импульс электронов не изменяется. От этих столкновений можно отвлечься. Между ионами и электронами плазмы действуют кулоновские силы притяжения – это дальнодействующие силы. Электрон сравнительно редко подходит к иону на такие малые расстояния, чтобы направление его движения изменилось резко и имело характер скачка. Гораздо большее значение имеют взаимодействия электрона сразу с очень большим количеством ионов, при которых направление траектории электрона меняется плавно и непрерывно. Отклонение электрона на большие углы от первоначального направления движения происходит в результате накопления малых отклонений при взаимодействии его с "далекими" ионами. Поэтому о столкновениях, длине и времени свободного пробега можно говорить лишь в условном смысле. Промежуток времени t , в течение которого направление движения электрона меняется на угол порядка 90 о, принято считать временем свободного пробега.

Для оценки величины i предположим, что электрон движется в поле положительного иона с зарядом Ze. Если v – скорость электрона на бесконечности, а r п - прицельный параметр, то при прохождении мимо иона траектория электрона отклоняется на угол Q, определяемый формулой

, (7.38)

где m – масса электрона.

Прицельный параметр r п, для которого Q = 90 о, определяется выражением

Ему соответствует "эффективное поперечное сечение":

. (7.40)

Учет далеких взаимодействий приводит к тому же результату, но увеличенному в L раз:

. (7.41)

Коэффициент L называется кулоновским логарифмом. Он почти не зависит от температуры и плотности плазмы. Для плазмы, состоящей из полностью ионизованного дейтерия, при kT ~ 10 кэВ и концентрации электронов n ~ 10 12 ¸10 15 см -3 , L » 15. Так как каждый положительный ион содержит Z элементарных зарядов, то концентрация таких ионов будет , а средняя длина и время "свободного пробега"

; . (7.42)

Подставив в формулу (7.42) m×() 2 » 3kT, получим

. (7.43)

Для удельной проводимости плазмы находим

. (7.44)

Приведенный результат надо рассматривать только как грубую оценку.

Проводимость плазмы растет пропорционально абсолютной температуре в степени . В горячей плазме проводимость становится очень высокой. Так, при энергетической температуре ~10 кэВ для дейтериевой плазмы g » 10 19 см -1 , т.е. больше, чем у меди (5×10 17 см -1). Еще быстрее растет с температурой теплопроводность плазмы, а именно пропорционально температуре в степени , так как для плазмы, очевидно, должен быть справедлив закон Видемана-Франца.

Большое различие в массах электронов и ионов плазмы делает возможным в плазме существование таких квазиравновесных состояний, которые в известном приближении могут быть характеризованы двумя температурами. Действительно, предположим, что начальное распределение скоростей электронов и ионов плазмы изотропное, но не максвелловское. При столкновении электрона с другим электроном они обмениваются энергией, величина которой соответствует порядку начальной энергии самих электронов. Поэтому время установления распределения электронов по энергиям (т.е. максвелловского распределения) из-за столкновений между ними можно оценить по формуле (7.41), если в ней массу электрона m заменить приведенной массой . Это время, называемое электронным временем релаксации , пропорционально квадратному корню из массы электрона .

Точно так же определяется ионное время релаксации, за которое успевает устанавливаться распределение по энергиям между ионами из-за столкновений между ними: .

При столкновении электронов с ионами быстрая частица передает медленной лишь незначительную долю своей энергии, которая в среднем соответствует доле порядка от первоначальной энергии быстрой частицы. Для выравнивания энергий потребуется релаксационное время большее, чем . Таким образом,

. (7.45)

Из (7.45) следует:

.

Если плазму предоставить самой себе, то сначала установится максвелловское распределение скоростей электронов, затем ионов. Возникает квазиравновесное состояние, в котором электроны будут иметь температуру T e , а ионы – температуру T i . При этом T e ¹ T i . В этом случае плазму называют неизотермической или двухтемпературной. Затем в результате обмена энергиями между электронами и ионами установится максвелловское распределение для всей плазмы, характеризующейся общей температурой электронов и ионов (изотермическая плазма).

Когда плазма находится в электрическом поле, то в ней начинает существовать электрический ток и выделяться джоулево тепло. При этом энергию от поля получают почти исключительно электроны как наиболее подвижные частицы. Ионы нагреваются главным образом за счет энергии, которую они получают от "горячих" электронов при кулоновских взаимодействиях с ними. Так как последний процесс происходит сравнительно медленно, то температура электронов в плазме оказывается выше температуры ионов. Различие между ними может быть весьма значительным. Так, в положительном столбе тлеющего разряда при давлениях порядка 0,1 мм рт.ст. температура электронов может достигать 50 000 о С и выше, тогда как температура ионов не превышает нескольких сотен градусов.

Основной практический интерес, который представляет физика плазмы, связан с решением проблемы управляемого термоядерного синтеза. Для того чтобы в веществе начались достаточно интенсивные термоядерные реакции, его необходимо нагреть до температуры в несколько кэВ или десятков кэВ, а при таких температурах всякое вещество находится в состоянии плазмы. Наиболее перспективными "рабочими веществами" для термоядерного реактора являются изотопы водорода: дейтерий и тритий. Термоядерную реакцию синтеза легче получить не в чистом дейтерии, а в его смеси с тритием. Полное количество дейтерия в океанах ~ 4×10 13 т, что эквивалентно энергии ~ 10 20 кВт×лет (полная потребляемая на всем земном шаре мощность составляет ~ 10 10 кВт). Тритий как сильно радиоактивный элемент в природных условиях не встречается, а получается искусственно. В будущих термоядерных реакторах расход трития должен с избытком пополняться воспроизводством (регенерацией) его в результате облучения Li 6 нейтронами, получающимися в самих термоядерных реакторах.

Так как термоядерные реакции должны происходить сравнительно плавно и медленно, то возникает необходимость достаточно длительного удержания горячей плазмы в ограниченном объеме рабочей камеры и изоляции ее от стенок этой камеры. Для этого предлагается использовать магнитную термоизоляцию, т.е. помещать плазму в сильное магнитное поле, препятствующее ионам и электронам перемещаться в поперечном направлении и уходить на стенки камеры.

Необходимое требование, которому должен удовлетворять всякий термоядерный реактор, состоит в том, чтобы энергия, выделяющаяся в ядерных реакциях, с избытком компенсировала затраты энергии от внешних источников. Основными источниками потерь энергии является тормозное излучение электронов при кулоновских столкновениях последних, а также магнитотормозное (циклотронное или бетатронное) излучение, возникающее вследствие ускоренного движения электронов в магнитном поле. Для самоподдерживающихся термоядерных реакций требуется нагреть плазму до некоторой "критической" температуры (~50 кэВ). При этом должен выполняться так называемый критерий Лоусона (nt>10 16 с/см 3), где n – концентрация ионов плазмы (одного знака), а t – среднее время удержания плазмы.

Основная трудность, стоящая на пути создания управляемого термоядерного синтеза, связана с получением спокойной, или устойчивой, плазмы. Дело в том, что из-за дальнодействующего характера кулоновских сил в плазме происходят разные коллективные процессы, например самопроизвольно возникающие шумы и колебания, делающие плазму неустойчивой. Основные усилия при решении проблемы управляемого термоядерного синтеза направлены на подавление этих неустойчивостей.

1. При небольших давлениях и напряжениях порядка U=200 – 1000 В возникает тлеющий разряд.

Опыт 12.2. Прохождение электрического тока через воздух при постепенном его разрежении

Оборудование:

1. Двухэлектродная трубка для демонстрации электрического разряда.

2. Вакуум - насос ротационный или Комовского.

3. Выпрямитель высоковольтный.

4. Гальванометр демонстрационный от амперметра.

5. Резиновый шланг толстостенный.

6. Сопротивление ограничительное порядка 2–3 МОм.

7. Провода соединительные.

Если рассмотреть газоразрядную трубку во время протекания разряда, то можно заметить, что разряд не однороден. Выделяют (рис. 12.2):

· Астоново темное пространство;

· катодную пленку;

· катодное темное пространство;

· тлеющее свечение;

· Фарадево темное пространство;

· положительный столб.

Основными для протекания и поддержки заряда является катодное темное пространство, в котором электроны разгоняются, и тлеющее свечение, где происходит рекомбинация. Если постепенно сближать анод и катод, уменьшая длину разряда, то в конце концов останется только два этих участка.

Этот разряд применяется в основном для целей освещения, рекламы и так далее. Однако на основе тлеющего разряда, например, в парах ртути, созданы выпрямительные лампы, способные давать ток порядка тысяч и десятков тысяч ампер. Применяются разряды также в устройствах, которые работают в режиме ключей, например, тиратроны холодного накала, газотроны.

Также с помощью этого типа разряда происходит напыление тонких слоев различных металлов.

Опыт 12.3. Тлеющий разряд.

Цель работы:

Получить тлеющий разряд.

Оборудование:

1. Катушка Румкорфа

2. Стеклянная колба

3. Вакуумный насос

Ход работы.

1. К концам стеклянной колбы длиной порядка 1 м подведено напряжение от катушки Румкорфа, и один из концов колбы подсоединен к вакуумному насосу. Включим откачку и подадим напряжение. При давлении порядка атмосферного разряда не возникает.

2. Давление упало до нескольких десятков мм рт. ст. Наблюдается светящийся столб газа внутри колбы. Вблизи катода катодное свечение, отделенное от электрода темным прикатодным пространством, далее темный промежуток и практически равномерно светящийся по всей длине колбы анодный столб.

3. С уменьшением давления в колбе уменьшается длина анодного свечения, изменяется цвет свечения. От красной части спектра он переходит практически на весь видимый диапазон. При очень внимательном наблюдении можно заменить начало зеленоватого свечения стенок трубки, которое образуется за счет электронной бомбардировки стенок вылетающих с катода частиц. Вблизи катода видны волновые структуры свечения газа, так называемые страты, связанные с волнами ионизации в положительном анодном столбе.

Вывод:

С помощью катушки Румкорфа, стеклянной колбы и вакуумного насоса мы получили тлеющий разряд.

2. Искровой разряд происходит при нормальном давлении, но при огромных потенциалах. Примером искрового разряда может служить молния. Перед разрядом возникает слабо светящийся канал в газах, сопротивление которого меньше, чем остальных участков газа. Этот канал называют стримером, именно по нему и проходит разряд.

При протекании разряда на электродах появляются кратеры, они разрушаются. Именно на этом принципе основана электроискровая обработка металлов.

Опыт 12.2. Электроискровая обработка металлов.

Оборудование:

1. Электрофорная машина или высоковольтный выпрямитель.

2. Прибор для демонстрации электроискровой обработки металла.

3. Батарея конденсаторов демонстрационная.

4. Реостат на 200 Ом.

5. Провода соединительные.

При электрическом разряде (искре) между двумя контактами происходит разрушение металла. Это явление советские ученые используют для искровой обработки металлов. Электроискровой способ позволяет обрабатывать твердые сплавы, делать в изделиях отверстия различной формы и глубины.

Ход работы:

1.Собирают установку рис.12.4.

2.Обрабатываемое изделие прочно устанавливают в ванне с керосином. Стержень-электрод может совершать вертикальные движения вверх-вниз, Электрод соединен проводником с отрицательным полюсом источника постоянного тока, а изделие - с положительным полюсом.

3.Электрический ток идет от отрицательного полюса к электроду, от него через зазор в керосине к изделию и от последнего к положительному полюсу источника тока. Таким образом, в полученной электрической цепи роль анода выполняет изделие, а электрод является катодом.

4.Когда электрод приблизится к изделию и зазор будет очень маленьким, проскочит искра, при этом на аноде произойдет разрушение (эрозия), мельчайшая частичка изделия будет вырвана. По мере опускания электрода глубина образуемого отверстия возрастет.

5.Включенный в цепь конденсатор препятствует образованию дуги, а реостат дает возможность подобрать нужное напряжение и ток в цепи.

6.В электроискровых установках электрод совершает все время колебания. Это достигается с помощью соленоида. Верхний конец электрода в этом случае снабжается сердечником.

7.Соленоид присоединяется с разных сторон реостата так, чтобы концы проводов находились под разными напряжениями.

Когда проскакивает искра и по основной цепи идет ток, соленоид втягивает сердечник вверх, поднимая одновременно и электрод. Это вызывает увеличение зазора, и основная электрическая цепь оказывается разорванной. 8.В результате соленоид тоже выключится, сердечник упадет вниз, и, следовательно, опустит и электрод - искра проскочит снова. Затем весь процесс повторяется. Таким образом, воленоидный регулятор не только периодически выключает электрическую цепь и делает электрод вибрирующим, но и постепенно опускает электрод.

3. Дуговой разряд – разряд, который возникает при резком повышении температуры, и вследствие этого испарения вещества электрода. Именно поэтому плотность тока при дуговом разряде велика. Напряжение, при котором он происходит, обычно не превышает 40-50В, а токи достигают сотен ампер. Дугу открыл и исследовал В.В. Петров. Дуговой разряд используется для сварочных работ, в электроклавишных панелях.

4.Коронный разряд возникает на проводниках, имеющих большой потенциал, а также малый радиус кривизны. Наблюдается в виде слабого свечения газа вокруг проводников, остриев, там, где велика напряженность поля (рис. 12.5). Происходит вследствие неполного пробоя диэлектрика (то есть воздуха).

В высоковольтных устройствах, в частности в линях высоковольтных передач, коронный разряд приводит к вредным утечкам тока. Поэтому приходится принимать меры для его предотвращения. С этой целью, например, провода высоковольтных линий берут большого диаметра, тем большего, чем выше напряжение линии.

Полезное применение в технике коронный разряд нашел в электрофильтрах (рис. 12.6). Очищаемый газ движется в трубе, по оси которой расположен отрицательный коронирующий электрод. Отрицательные ионы, имеющиеся в большом количестве во внешней области оседают на загрязняющих газ частицах или капельках и увлекаются вместе с ними к внешнему некоронирующему электроду. Достигнув этого электрода, частицы нейтрализуются и оседают на нем. Впоследствии при ударах по трубе осадок, образованный уловленными частицами, осыпается в сборник.

Газовый разряд получил применение:

1. Дуговой разряд для сварки и освещения

2. Тлеющий разряд как источник света в люминесцентных лампах и плазменных экранах

3. Искровой разряд для зажигания рабочей смеси в двигателях внутреннего сгорания

4. Коронный разряд для очистки газов от пыли и других загрязнений, для диагностики состояния конструкций

5. Плазмотроны для резки и сварки

6. Разряды для накачки лазеров, например гелий-неонового лазера, азотного лазера, эксимерных лазеров и т.д.

1. В счётчике Гейгера

2. В ионизационных вакуумметрах

3. В тиратронах

4. В крайтронах

5. В гейслеровой трубке

Дуговой разряд. Электрическая дуга.

В 1802 году русский физик В.В. Петров (1761-1834) установил, что если присоединить к полюсам большой электрической батареи два кусочка древесного угля и, приведя угли в соприкосновение, слегка их раздвинуть, то между концами углей образуется яркое пламя, а сами концы углей раскалятся добела, испуская ослепительный свет.

Простейший прибор получения электрической дуги состоит из двух электродов, в качестве которых лучше брать не древесный уголь, а специально изготавливаемые стержни, получаемые прессованием смеси графита, сажи и связующих веществ. Источником тока может служить осветительная сеть, в которую для безопасности включается реостат.

Заставляя гореть дугу при постоянном токе в сжатом газе (20 атм), удалось довести температуру конца положительного электрода до 5900°С, т.е. до температуры поверхности солнца. Еще более высокой температурой обладает столб газов и паров, обладающий хорошей электрической проводимостью, через который идет электрический заряд. Энергичная бомбардировка этих газов и паров электронами и ионами, подгоняемыми электрическим полем дуги, доводит температуру газов в столбе до 6000-7000°С. Такая сильная ионизация газа возможна только благодаря тому, что катод дуги испускает очень много электронов, которые своими ударами ионизирую газ в разрядном пространстве. Сильная электронная эмиссия с катода обеспечивается тем, что катод дуги сам накален до очень высокой температуры (от 2200 до 3500°С). Когда для зажигания дуги угли приводятся в соприкосновение, то в месте контакта, обладавшем очень большим сопротивлением, выделяется почти все джоулево тепло проходящего через угли тока. Поэтому концы углей сильно разогреваются, и этого достаточно для того, чтобы при их раздвижении между ними вспыхнула дуга. В дальнейшем катод дуги поддерживается в накаленном состоянии самим током, проходящим через дугу. Главную роль в этом играет бомбардировка катода падающими на него положительными ионами.

Рис12.9. Электрическая дуга

При эксплуатации высоковольтных электроустановок, в которых неизбежно появление электрической дуги, борьба с электрической дугой осуществляется при помощи электромагнитных катушек, совмещённых с дугогасительными камерами. Среди других способов известны использование вакуумных и масляных выключателей, а также методы отвода тока на временную нагрузку, самостоятельно разрывающую электрическую цепь.

Электрическая дуга используется при электросварке металлов, для выплавки стали (Дуговая сталеплавильная печь) и в освещении (в дуговых лампах).

Дуговая сварка.

Электросварка - один из способов сварки, использующий для нагрева и расплавления металла электрической дугой.

Температура электрической дуги превосходит температуры плавления всех существующих металлов. Электросварка не изменяет химического состава материала.

К электроду и свариваемому изделию для образования и поддержания электрической дуги от сварочного трансформатора подводится электроэнергия. Под действием теплоты электрической дуги кромки свариваемых деталей и электродный металл расплавляются, образуя сварочную ванну, которая некоторое время находится в расплавленном состоянии. В сварочной ванне металл электрода смешивается с расплавленным металлом изделия (основным металлом), а расплавленный шлак всплывает на поверхность, образуя защитную плёнку. При затвердевании металла образуется сварное соединение. Энергия, необходимая для образования и поддержания электрической дуги, получается от специальных источников питания постоянного или переменного тока.

В процессе электросварки могут быть использованы плавящиеся и неплавящиеся электроды. В первом случае формирование сварного шва происходит при расплавлении самого электрода, во втором случае - при расплавлении присадочной проволоки (прутков и т. п.), которую вводят непосредственно в сварочную ванну.

Для защиты от окисления металла сварного шва применяются защитные газы (аргон, гелий, углекислый газ и их смеси), подающиеся из сварочной головки в процессе электросварки.

Различают электросварку переменным током и электросварку постоянным током. При сварке постоянным током шов получается с меньшим количеством брызг металла, поскольку нет перехода через нуль и смены полярности тока.

В аппаратах для электросварки постоянным током применяются выпрямители.

Выплавка стали.

Дуговая сталеплавильная печь - электрическая печь, в которой используется тепловой эффект электрической дуги для плавки металлов и др. материалов.

Плавка в ДСП, после осмотра печи и ремонта пострадавших участков футеровки (заправка), начинается с завалки шихты. В современные печи шихту загружают сверху при помощи загрузочной бадьи (корзины). Для предохранения подины от ударов крупными кусками шихты на дно бадьи загружают мелкий лом. Для раннего шлакообразования в завалку вводят известь 2-3 % от массы металлической шихты. После окончания завалки в печь опускают электроды, включают высоковольтный выключатель и начинают период плавления. На данном этапе возможна поломка электродов (при плохой проводимости между электродом и шихтой исчезает электрическая дуга и электрод упирается в непроводящий кусок шихты). Регулирование отдаваемой мощности осуществляется изменением положения электродов (длины электрической дуги) либо напряжения на электродах. После периода расплавления в печи образуется слой металла и шлака. Шлак скачивают через шлаковую летку (рабочее окно), постоянно присаживая шлакообразующие, в течение всего периода плавления, с целью удаления фосфора из расплава. Шлак вспенивают углеродсодержащими материалами для закрытия дуг, для лучшей его скачиваемости и уменьшения угара металла.

Выпуск готовой стали и шлака в стальковш осуществляется через сталевыпускное отверстие и жёлоб путём наклона рабочего пространства (или, если печь оборудована вместо жёлоба донным выпуском, то через него). Рабочее окно, закрываемое заслонкой, предназначено для контроля за ходом плавки (замер температуры металла и отбор пробы химического состава металла). Также рабочее окно может использоваться для подачи шлакообразующих и легирующих материалов (на малых печах). На современных сверхмощных печах подача шлакообразующих во время плавки осуществляется через специальное отверстие в своде конвеерной подачей. Углеродистые материалы для вспенивания шлака подаются в печь либо порционно через свод, либо вводятся инжекционными горелками струей сжатого воздуха. Перед выпуском и во время выпуска в стальковш добавляются легирующие и раскислители, а при отсекании печного шлака еще и шлакообразующие материалы.

Рис. 12.10. Дуговая сталеплавильная печь постоянного тока

Использование электрической энергии (электрического тока), возможность расплавить шихту (металлолом) практически любого состава, точное регулирование температуры металла и его химического состава подтолкнуло промышленность к использованию ДСП в ходе второй мировой войны для производства легированной стали, качественного литья и, как следствие, деталей оружия и боеприпасов. Сегодня дуговые сталеплавильные печи производят различные сорта сталей и чугунов, а также могут являться источником сырья (полупродукта) для АКП и МНЛЗ.

Дуговой разряд в освещении.

Дуговая лампа - общий термин для обозначения класса ламп, в которых источником света является электрическая дуга. Дуга горит между двумя электродами из тугоплавкого металла, как правило из вольфрама. Пространство вокруг промежутка обычно заполняется инертным газом (ксеноном, аргоном), парами металлов или их солей (ртути, натрия и др.). В зависимости от состава, температуры и давления газа, в котором происходит разряд, лампа может излучать свет различного спектра. Если в спектре излучения много ультрафиолетового света, а необходимо получить видимый, используется люминофор.

Рис.12.11. Ксеноновая дуговая лампа

В дуговой лампе газ между электродами ионизируется под воздействием высокой температуры и электрического поля, в результате чего переходит в состояние плазмы. Плазма хорошо проводит ток. За счёт рекомбинации электронов излучается свет.

Сопротивление разрядного канала зависит от температуры: чем она выше, тем больше проводимость. В результате чего дифференциальное сопротивление лампы в рабочем режиме нередко отрицательное, поэтому дуговые лампы требуют для питания источника, имеющего большое внутреннее сопротивление, а значит не подходят для подключения в обычные электрические сети. Для согласования сопротивления лампы и питающей сети используется балласт. Чаще всего, при питании лампы переменным током, он представляет собой дроссель, обладающий согласованным с параметрами лампы реактивным сопротивлением.

Для того, чтобы дуга зажглась, должен произойти электрический пробой газа. Для этого требуется предварительный подогрев и большая напряжённость электрического поля. Для этой цели применяются различные схемы: может кратковременно замыкаться цепь в обход лампы (в результате чего импульс образуется за счёт самоиндукции дросселя при размыкании), или подаваться высокое напряжение от отдельного импульсного зажигающего устройства, могут использоваться дополнительные поджигающие электроды или рабочие электроды могут механически сближаться.

Цвет излучаемого света, как и электрические характеристики лампы меняются со временем и изменением температуры. Температура дуги в лампе может достигать нескольких тысяч градусов Цельсия, стеклянной колбы - до 500 градусов.

Тлеющий разряд.

Тлеющий разряд - один из видов стационарного самостоятельного электрического разряда в газах. Формируется, как правило, при низком давлении газа и малом токе. При увеличении проходящего тока превращается в дуговой разряд.

В отличие от нестационарных (импульсных) электрических разрядов в газах, основные характеристики тлеющего разряда остаются относительно стабильными во времени.

Типичным примером тлеющего разряда, знакомым большинству людей, является свечение неоновой лампы.

Присоединим электроды к источнику постоянного тока с напряжением несколько тысяч вольт (годится электрическая машина) и будем постепенно откачивать из трубки воздух. При атмосферном давлении газ внутри трубки остаётся тёмным, так как приложенное напряжение в несколько тысяч вольт недостаточно для того, чтобы пробить длинный газовый промежуток. Однако когда давление газа достаточно понизится, в трубке вспыхивает светящийся разряд. Он имеет вид тонкого шнура (в воздухе - малинового цвета, в других газах - других цветов), соединяющего оба электрода. В этом состоянии газовый столб хорошо проводит электричество.

При дальнейшей откачке светящийся шнур размывается и расширяется, и свечение заполняет почти всю трубку. При давлении газа в несколько десятых миллиметра ртутного столба разряд заполняет почти весь объем трубки. Различают следующие две главные части разряда: 1) несветящуюся часть, прилегающую к катоду, получившую название тёмного катодного пространства; 2) светящийся столб газа, заполняющий всю остальную часть трубки, вплоть до самого анода. Эта часть разряда носит название положительного столба. При подходящем давлении положительный столб может распадаться на отдельные слои, разделённые тёмными промежутками, так называемые страты.

Описанная форма разряда называется тлеющим разрядом. Почти весь свет исходит от его положительного столба. При этом цвет свечения зависит от рода газа. При тлеющем разряде газ хорошо проводит электричество, а значит, в газе всё время поддерживается сильная ионизация. Причинами ионизации газа в тлеющем разряде являются электронная эмиссия с катода под действием высоких температур или сильного электрического поля, последующая ионизация молекул газа электронным ударом свободными электронами, вырванными с катода и летящих по направлению к аноду, а также вторичная электронная эмиссия электронов с катода, вызванная бомбардировкой катода положительно заряженными ионами газа.

В настоящее время трубки с тлеющим разрядом находят практическое применение как источник света – газоразрядные лампы. Для целей освещения часто применяются люминесцентные лампы, в которых разряд происходит в парах ртути, причём вредное для зрения ультрафиолетовое излучение поглощается слоем флюоресцирующего вещества - люминофора, покрывающего изнутри стенки лампы. Люминофор начинает светиться видимым светом, давая в результате свет, близкий по характеристикам к дневному свету (люминесцентные лампы дневного света). Такие лампы дают близкое к “естественному” освещение (но не полный спектр, как у ламп накаливания). Спектр испускаемого люминесцентными лампами света дискретный - красная, зелёная и синяя составляющая в определённой пропорции, плюс незначительные спектральные пики других цветов от примесей люминофора. Энергия освещения распределяется по этим узким полосам спектра, поэтому эти лампы значительно (в 3-4 раза) экономичнее ламп накаливания (у последних до 95% энергии занимает инфракрасная область спектра, невидимая человеческим глазом).

Люминесцентные лампы в быту приходят на смену лампам накаливания, а на производстве и в служебных помещениях почти полностью их вытеснили. Однако люминесцентные лампы не лишены недостатков. Так, например, на производстве использование люминесцентных ламп сопряжено с вредным стробоскопическим эффектом, заключающемся в том, что мерцание люминесцентной лампы с частотой питающего напряжения может совпасть по частоте вращения обрабатывающего механизма, при этом сам механизм в свете такой лампы для человека будет казаться неподвижным, "выключенным", что может привести к травме. Поэтому применяют дополнительную подсветку операционной зоны простой лампой накаливания, лишённой такого недостатка в силу инерции световой отдачи нити накаливания.

Рис.12.12. Тлеющий разряд в неоне

Газоразрядные лампы применяются также для декоративных целей. В этих случаях им придают очертания букв, различных фигур и т. д. и наполняют газом с красивым цветом свечения (неоном, дающим оранжево–красное свечение, или аргоном с синевато–зелёным свечением).

Важнейшее применение тлеющий разряд получил в сравнительно недавно созданных квантовых источниках света – газовых лазерах.

Искровой разряд.

Искровой разряд (искра электрическая) - нестационарная форма электрического разряда, происходящая в газах. Такой разряд возникает обычно при давлениях порядка атмосферного и сопровождается характерным звуковым эффектом - «треском» искры. Температура в главном канале искрового разряда может достигать 10 000 К. В природе искровые разряды часто возникают в виде молний.

Искровой разряд представляет собой пучок ярких, быстро исчезающих или сменяющих друг друга нитевидных, часто сильно разветвленных полосок - искровых каналов. Эти каналы заполнены плазмой, в состав которой в мощном искровом разряде входят не только ионы исходного газа, но и ионы вещества электродов, интенсивно испаряющегося под действием разряда. Механизм формирования искровых каналов (и, следовательно, возникновения искрового разряда) объясняется стримерной теорией электрического пробоя газов. Согласно этой теории, из электронных лавин, возникающих в электрическом поле разрядного промежутка, при определенных условиях образуются стримеры - тускло светящиеся тонкие разветвленные каналы, которые содержат ионизированные атомы газа и отщепленные от них свободные электроны. Среди них можно выделить т. н. лидер - слабо светящийся разряд, «прокладывающий» путь для основного разряда. Он, двигаясь от одного электрода к другому, перекрывает разрядный промежуток и соединяет электроды непрерывным проводящим каналом. Затем в обратном направлении по проложенному пути проходит главный разряд, сопровождаемый резким возрастанием силы тока и количества энергии, выделяющегося в них. Каждый канал быстро расширяется, в результате чего на его границах возникает ударная волна. Совокупность ударных волн от расширяющихся искровых каналов порождает звук, воспринимаемый как «треск» искры (в случае молнии - гром).

Рис.12.13. Искровой разряд

Особый вид искрового разряда - скользящий искровой разряд, возникающий вдоль поверхности раздела газа и твёрдого диэлектрика, помещенного между электродами, при условии превышения напряженностью поля пробивной прочности воздуха. Области скользящего искрового разряда, в которых преобладают заряды какого-либо одного знака, индуцируют на поверхности диэлектрика заряды другого знака, вследствие чего искровые каналы стелются по поверхности диэлектрика, образуя при этом так называемые фигуры Лихтенберга. Процессы, близкие к происходящим при искровом разряде, свойственны также кистевому разряду, который является переходной стадией между коронным и искровым.

Искровой разряд нашёл разнообразные применения в технике. С его помощью инициируют взрывы и процессы горения, измеряют высокие напряжения; его используют в спектроскопическом анализе, в переключателях электрических цепей, для высокоточной обработки металлов.

Коронный разряд.

Коронный разряд− это характерная форма самостоятельного газового разряда, возникающего в резко неоднородных полях. Главной особенностью этого разряда является то, что ионизационные процессы электронами происходят не по всей длине промежутка, а только в небольшой его части вблизи электрода с малым радиусом кривизны (так называемого коронирующего электрода). Эта зона характеризуется значительно более высокими значениями напряженности поля по сравнению со средними значениями для всего промежутка.

Возникает при сравнительно высоких давлениях (порядка атмосферного) в сильно неоднородном электрическом поле. Подобные поля формируются у электродов с очень большой кривизной поверхности (острия, тонкие провода). Когда напряжённость поля достигает предельного значения для воздуха (около 30 кВ/см), вокруг электрода возникает свечение, имеющее вид оболочки или короны (отсюда название).

На линиях электропередачи возникновение коронного разряда нежелательно, так как вызывает значительные потери передаваемой энергии. С целью уменьшения относительной кривизны электродов применяются многопроводные линии (3, 5 или более определённым образом расположенных проводов).

В естественных условиях коронный разряд может возникать на верхушках деревьев, мачтах - т.н. огни святого Эльма.

Огни святого Э́льма или Огни святого Э́лмо (англ. Saint Elmo"s fire, Saint Elmo"s light) - разряд в форме светящихся пучков или кисточек (или коронный разряд), возникающий на острых концах высоких предметов (башни, мачты, одиноко стоящие деревья, острые вершины скал и т. п.) при большой напряжённости электрического поля в атмосфере. Они образуются в моменты, когда напряжённость электрического поля в атмосфере у острия достигает величины порядка 500 В/м и выше, что чаще всего бывает во время грозы или при её приближении, и зимой во время метелей. По физической природе представляют собой особую форму коронного разряда. Название явление получило от имени святого Эльма (Эразма) - покровителя моряков в католической религии.

Морякам их появление сулило надежду на успех, а во время опасности - и на спасение.

В настоящее время разработаны методы, позволяющие получать подобный разряд искусственным путем.

Рис. 12.14 Коронный разряд на обмотке высоковольтной катушки

Коронный разряд применяется для очистки газов от пыли и сопутствующих загрязнений (электростатический фильтр). Сосуд, наполненный дымом, внезапно делается совершенно прозрачным, если внести в него острые металлические электроды, соединенные с электрической машиной, а все твердые и жидкие частицы будут осаждаться на электродах. Объяснение опыта заключается в следующем: как только и проволоки зажигается корона, воздух внутри трубки сильно ионизируется. Газовые ионы прилипают к частицам пыли и заряжают их. Так как внутри трубки действует сильное электрическое поле, заряженные частицы пыли движутся под действием поля к электродам, где и оседают.

Коронный разряд также применяется в счётчиках элементарных частиц. Счетчик элементарных частиц Гейгера – Мюллера состоит из небольшого металлического цилиндра, снабженного окошком, закрытым фольгой, и тонкой металлической проволоки, натянутой по оси цилиндра и изолированной от него. Счетчик включают в цепь, содержащую источник тока, напряжение которого равно нескольким тысячам вольт. Напряжение выбирают необходимым для появления коронного разряда внутри счетчика.

При попадании в счетчик быстро движущегося электрона последний ионизирует молекулы газа внутри счетчика, отчего напряжение, необходимое для зажигания короны, несколько понижается. В счетчике возникает разряд, а в цепи появляется слабый кратковременный ток. Чтобы обнаружить его, в цепь вводят очень большое сопротивление (несколько мегаом) и подключают параллельно с ним чувствительный электрометр. При каждом попадании быстрого электрона внутрь счетчика листка электрометра будут откланяться.

Подобные счетчики позволяют регистрировать не только быстрые электроны, но и вообще любые заряженные, быстро движущиеся частицы, способные производить ионизацию путем соударений. Современные счетчики легко обнаруживают попадание в них даже одной частицы и позволяют поэтому с полной достоверностью и очень большой наглядностью убедиться, что в природе действительно существуют элементарные заряженные частицы.

Коронный разряд применяется в копировальных аппаратах (ксероксах) и лазерных принтерах для заряда светочувствительного барабана, переноса порошка с барабана на бумагу и для снятия остаточного заряда с барабана.

Коронный разряд применяется для определения давления внутри лампы накаливания. Величина разряда зависит от острия и давления газа вокруг него. Острие у всех ламп одного типа - это нить накала. Значит, коронный разряд будет зависеть только от давления. А значит, о давлении газа в лампе можно судить по величине коронного разряда.

Тесты к лекции №12.

Тест 12.1. При нормальных условиях газы являются...

£ ферромагнетиками

£ диэлектриками

£ парамагнетиками

£ полупроводниками

Тест 12.2. Под действием каких физических факторов газы могут проводить электрический ток?

£ нагревание

£ воздействие излучения

£ охлаждение

£ наличие магнитного поля

£ наличие электрического поля

£ наличие поблизости проводников с током

£ наличие замкнутого проводящего контура

Тест 12.3. Типы разрядов в газах:

£самостоятельные и несамостоятельные

£ постоянные и переменные

£ положительные и отрицательные

£ прямые и косвенные

Тест 12.4. Основными для протекания и поддержки тлеющего разряда являются следующие области

£ Астоново темное пространство

£ катодную пленку

£ катодное темное пространство

£ тлеющее свечение

£ Фарадеево темное пространство

£ положительный столб

Тест 12.5. Виды разрядов:

£ тлеющий

£ дуговой

£ быстрый

£ искровый

£ ломанный

£ коронный

£ затухающий

£ переменный

Понятие о плазме. Катодные и каналовые лучи. Термоэлектронная эмиссия. Электронные лампы и их применение.

13.1. Понятие о плазме. Катодные и каналовые лучи

13.2. Термоэлектронная эмиссия

13.3. Электронные лампы и их применение

Понятие о плазме

Такое состояние вещества, при котором вещество полностью или частично ионизировано, но число положительных и отрицательных ионов в единице объема одинаково, то есть суммарный заряд единицы объема равен нулю, называется плазмой.

Квазинейтральность – основное свойство плазмы.

Различают несколько разновидностей плазмы.

1. Низкотемпературная плазма . Характеризуется тем, что нет полной ионизации, энергии образующих ее частиц сравнительно низки.

2. Среднетемпературная плазма . Вещество находится в полностью ионизированном состоянии.

3. Высокотемпературная плазма . Вещество, из которого состоят звезды. В земных условиях высокотемпературная плазма может получиться при термоядерном взрыве.

Наряду с температурой основными характеристиками являются концентрация частиц плазмы n и время жизни плазмы .

Основная проблема с получением плазмы, состоит в увеличении ее жизни. Для этого используют магнитные ловушки.

Область физики, которая занимается изучением плазмы в магнитных полях называется магнитогидродинамикой (МГД). Известны два вида магнитных ловушек:

· Стелларатор. Имеет форму звезды. Разработан и используется за рубежом (ЦЕРН).

· Токамак. Имеет форму тора. Разработан и используется в нашей стране (ФИАН).

Если постепенно понижать давление в трубке тлеющего разряда (рис. 12.2), катодная часть разряда распространяется на все большую часть межэлектродного пространства, и в конце концов катодное темное пространство распространяется почти на весь сосуд. Свечение газа в этом случае перестает быть заметным, зато стенки трубки начинают светиться зеленоватым свечением. Большинство электронов, выбитых из катода и ускоренных катодным падение потенциала, долетает без столкновений с молекулами газа до стенок трубки и, ударяясь о них, вызывает свечение. По историческим причинам поток Электронов, испускаемый катодом газоразрядной трубки при очень низких давлениях, получил название катодных лучей . Свечение, вызываемое бомбардировкой быстрыми электронами, называется катодолюминесценцией .

Если в катоде газоразрядной трубки сделать узкий канал, часть положительных ионов проникает в пространство за катодом и образует резко ограниченный пучок ионов, называемый каналовыми (или положительными ) лучами . Именно таким способом были впервые получены пучки положительных ионов.

Применение плазмы

1. Низкотемпературная плазма- газовые разряды, электрическая дуга. Существует область химической технологии – плазмохимия, которая использует возможность протекания некоторых химических реакций в струе низкотемпературной плазмы, причём в других условиях эти реакции осуществить невозможно. Приведём примеры указанных реакций:

Плазмохимический пиролиз углеводородов. В струю водородной плазмы подеется метан, который под действием высокой температуры разлагается на этилен, ацетилен и другие непредельные углеводороды. Для остановки реакции в плазмотрон тангенсально подаётся вода, в результате чего температура резко падает. Этот метод называется закалкой. Смесь этилена с ацетиленом (синтез - газ) является исходным сырьём для получения многих важных веществ.

Получение окислов азота из воздуха. В плазменной струе кислород и азот воздуха разлагаются до атомарного состояния, а затем образуют соединения NO, NO 2 ,которые являются исходным сырьём для получения азотной кислоты.

2. Высокотемпературная плазма необходима для решения более глобального вопроса: создание управляемого термоядерного синтеза для разрешения энергетического кризиса.

3. Ионное движение – для создания ионных двигателей, которые используются для корректировки параметров орбит искусственных спутников Земли.

4. МГД - генератор, позволяющий создать упорядоченное движение заряженных частиц, т.е. являющийся источником электрического тока.

Термоэлектронная эмиссия

Электрический ток в вакууме может возникнуть, если в него внести заряженные частицы с помощью эмиссии (испускания).

Различают несколько видов эмиссии:

1. Автоэлектронная эмиссия – вырывание электронов с поверхности вещества под действием электрического поля.

2. Фотоэлектронная эмиссия (фотоэффект) – вырывание электронов с поверхности под действием излучения.

3. Термоэлектронная эмиссия – вырывание электронов с поверхности под действием тепла (при нагревании).

Дан стеклянный баллон, из которого выкачен газ

При нагревании средняя энергия электронов увеличивается и достигает такого значения, при котором электроны покидают поверхность металлов, при этом вблизи поверхности металлов создается электронное облако.

Между электронами, покидающими поверхность металла, и электронами возвращающимися устанавливается равновесие.

При подаче напряжения (причем электрод, около которого сформировано облако электронов, – катод) возникает направленное движение частиц от катода к аноду, называемое анодным током. Если поменять полюса электродов, то тока не будет, так как свободные электроны притянутся назад, а новые поступать не будут.

Величина плотности тока насыщения определяется по формуле Дешмана:

где – некоторая постоянная, Т- температура катода, А вых -работа выхода электрона из металла, k- постоянная Больцмана.

Опыт 13.1. Термоэлектронная эмиссия.

Цель работы:

Изучить образование термоэлектронной эмиссии.

Оборудование:

2. Электрометр

Ход работы.

1. На лампу подаем напряжение 60В. Нить накала нагревается.

2. Электрометр заряжаем отрицательно и соединяем его с колпачком. Их потенциалы выравниваются. Угол отклонения стрелки электрометра уменьшается, но не достигает нуля.

3. Повторяем опыт, зарядив электрометр положительно. При соединении его с колпачком заряд полностью нейтрализуется.

Вывод:

Результат опыта можно объяснить следующем образом. Колпачок находится в электрическом поле облака термоэлектронов. Вследствие электростатической индукции происходит разделение зарядов. На внутренней поверхности колпачка будет положительный заряд, а на внешней-отрицательный.

Тлеющий разряд - самостоятельный электрический разряд в газе с холодными электродами при токах -5 -1 А, имеющий характерную структуру в виде чередующихся светящихся участков различного цвета и различной интенсивности свечения. Характерной чертой тлеющего разряда является большая величина падения потенциала вблизи катода, составляющая 100 В и выше, в то время как в дуговом разряде она имеет порядок величины потенциала ионизации газа (около 10 В). В зарубежной литературе эта форма разряда называется glow discharge.

Специфической особенностью тлеющего разряда, по сравнению с таунсендовским разрядом (разряд с холодными электродами и очень малой плотностью тока), является значительная роль электрического поля объемных зарядов. Это приводит к неравномерному распределению потенциала в разрядном промежутке и к существенному отличию напряжения зажигания от напряжения горения разряда.

Место тлеющего разряда среди других типов разряда можно представить с помощью рис. 1.

Рис. 1.

При токах 10 -5 -10 -4 А существует переход от темного таунсендовского к нормальному тлеющему разряду, характеризующемуся падающим участком вольтамперной характеристики. В диапазоне токов 10 -4 -10 -2 А имеет место нормальный тлеющий разряд, вольтамперная характеристика которого представляет прямую, параллельную оси тока.

Таким образом, в нормальном тлеющем разряде напряжение между электродами не зависит от силы тока. В нормальном тлеющем разряде только часть поверхности катода покрыта разрядом. С увеличением силы тока часть поверхности, занимаемая разрядом, возрастает так, что плотность тока остается постоянной. Природа сил, вызывающих расширение поверхности катода, принимающей участие в разряде, остается пока не выясненной. Постоянство напряжения горения нормального тлеющего разряда при изменении в широких пределах разрядного тока используется в газоразрядных стабилизаторах напряжения - приборах, поддерживающих постоянной величину входного напряжения при изменении потребляемого схемой тока.

При токах 10 -2 -1А возникает аномальный тлеющий разряд с возрастающей вольтамперной характеристикой. При еще больших токах наблюдается переход от тлеющего разряда к дуге с падающей вольтамперной характеристикой. Аномальный тлеющий разряд занимает всю поверхность катода, и поэтому при увеличении силы тока плотность тока также возрастает.

Рис. 2. :

1,3,5,7 - темные пространства: 1 - астоново, 3 - катодное, 5 - фарадеево, 7 - анод­ное; 2, 4, 6 - светящиеся зоны: 2 - катодный слой, 4 - отрицательное свечение, 6 - положительный столб, 8 - анодное свечение

Основные процессы, обеспечивающие самостоятельный разряд, осуществляются в катодных частях разряда и на самом катоде. Тлеющий разряд не может существовать без этих явлений. При изменении положения катода в пространстве катодные части перемещаются вместе с ним, не изменяя своей структуры. Положительный столб, напротив, не является существенной частью разряда. Если при существующем разряде приближать анод к катоду, то сокращается именно эта область разряда. Анодные части также не являются необходимыми для существования разряда, они представляют собой переходную область между положительным столбом и металлическим анодом.

В катодных частях разряда преобладающим является направленное движение заряженных частиц (электронов и положительных ионов), тогда как положительный столб представляет собой типичный пример газоразрядной неизотермической низкотемпературной плазмы, в которой доминирует хаотическое движение зарядов. В соответствии с этим роль стенок, ограничивающих ионизованный газ в катодных частях, незначительна, а в положительном столбе она является существенной.

Тлеющий разряд - это самостоятельный электрический разряд в газе с холодными электродами при токах 10 -5 -1 А. Он имеет характерную структуру в виде чередующихся светящихся участков различного цвета и различной интенсивности свечения. Характерной чертой тлеющего разряда является большая величина падения напряжения вблизи катода, составляющая более ста вольт. В зарубежной литературе эта форма разряда называется glow discharge.

Характерная структура нормального тлеющего разряда показана на рис. 2. К катоду примыкают катодные части разряда, затем следует положительный столб, вблизи анода расположена сравнительно короткая анодная область.

Основные процессы, обеспечивающие самостоятельный разряд, происходят в катодных частях разряда и на самом катоде. Тлеющий разряд не может существовать без этих процессов. При изменении положения катода в пространстве катодные части перемещаются вместе с ним, не изменяя своей структуры. Положительный столб, напротив, не является существенной частью разряда. Если при существующем разряде приближать анод к катоду, то сокращается именно эта область разряда. Анодные части также не являются необходимыми для существования разряда, они представляют собой переходную область между положительным столбом и металлическим анодом.

В катодных частях разряда преобладающим является направленное движение заряженных частиц (электронов и положительных ионов), тогда как положительный столб представляет собой типичный пример газоразрядной плазмы, в которой доминирует хаотическое движение зарядов. В соответствии с этим роль стенок, ограничивающих ионизованный газ в катодных частях, незначительна, а в положительном столбе она является существенной.

Прежде чем переходить к описанию явлений, происходящих в различных областях тлеющего разряда, остановимся коротко на общей характеристике процессов, обеспечивающих существование самостоятельного разряда.

Из катода эмитируются электроны вследствие бомбардировки его поверхности ионами, ускоренными сильным полем вблизи катода, и быстрыми атомами, а также вследствие фотоэффекта, возникающего благодаря рекомбинационному излучению компонентов плазмы. Эти электроны, ускоряясь в направлении анода, приобретают энергию, достаточную для ионизации атомов. Новые электроны, возникшие при ионизации газа, снова ускоряются полем, а положительные ионы летят к катоду и, бомбардируя его поверхность, вызывают эмиссию новых электронов.

Если условия ионизации газа в катодных частях и инжекции электронов из катода таковы, что каждый эмитируемый катодом электрон производит столько актов ионизации и возбуждения атомов, что в результате фотоэффекта и бомбардировки катода ионами и атомами возникает новый электрон у катода, то имеет место динамическое равновесие вновь возникающих зарядов и уходящих на катод или в положительный столб. Таким образом происходит самоподдержание процесса, разряд не зависит от посторонних источников ионизации, т. е. является самостоятельным. Роль положительного столба заключается в том, чтобы обеспечить замкнутую цепь тока в разряде. Если анод придвинут к катоду так близко, что остаются только катодные части, то замкнутая цепь тока обеспечена без положительного столба, условия регенерации заряженных частиц выполнены, и тлеющий разряд может существовать. При дальнейшем приближении анода разряд либо прекращается (гаснет), так как условия восстановления зарядов не выполнены, либо требует для своего существования более высокого анодного напряжения, при котором идут более интенсивно процессы, необходимые для самоподдержания разряда (затрудненный разряд).

Как видно из рис. 2, в тлеющем разряде можно выделить несколько характерных областей. Непосредственно к катоду примыкает темное астоново пространство. Электроны, эмитируемые катодом, имеют малые скорости (порядка электрон-вольта), которые недостаточны для возбуждения атомов газа, и поэтому вблизи катода во всех газах имеется область, где свечение газа отсутствует. В сильном электрическом поле электроны ускоряются и, пройдя астоново темное пространство, приобретают энергию, достаточную для возбуждения атомов. Светящаяся область за астоновым темным пространством соответствует энергиям электронов, близким к максимуму функции возбуждения атомов данного газа. Ионизации газа в этой области еще нет, так как вероятность ионизации при этих энергиях еще мала. Эту область называют первым катодным слоем или катодной светящейся пленкой. Излучение имеет линейчатый спектр. За катодной светящейся пленкой следует катодное темное пространство, называемое также гитторфовым или круксовым темным пространством.

Иногда катодным темным пространством называют всю область от катода до границы следующей части - отрицательного тлеющего свечения. На эту область приходится значительная доля напряжения, называемая катодным падением потенциала; напряженность поля здесь значительно выше, чем в других частях разряда. В этой области свечение газа слабее, так как энергия электронов значительно выше энергии максимума функции возбуждения. Этой энергии достаточно, чтобы вызвать ионизацию газа.

Возникающие при ионизации атомов электроны ускоряются полем и движутся в стороны анода к границе отрицательного тлеющего свечения. Положительные ионы так же ускоряются полем и движутся к катоду. Поток ионов, направляющихся к катоду, можно наблюдать по вызываемому ими свечению газа за катодом, если в катоде сделать отверстие. В этом случае ионы пролетают в закатодное пространство, образуя закатодные или каналовые лучи. Если на их пути поставить цилиндр Фарадея и подавать на него положительный потенциал, тормозящий ионы, то получают данные об энергии ионов. Аналогичным образом, изучая поток электронов через отверстие в аноде, придвинутом к катодной границе катодных частей разряда, можно получить сведения о распределении электронов по энергиям.

При низких давлениях и высоких анодных напряжениях (аномальный разряд) поток электронов, движущихся к границе отрицательного свечения, почти моноэнергетический с энергией, равной еоик. Скорость движения ионов значительно меньше скорости движения электронов, благодаря чему в области катодного темного пространства возникает избыточный объемный заряд, образуемый положительными ионами. Этот заряд сильно искажает электрическое поле в этой области. Вопрос о распределении поля в тлеющем разряде, представляющего суперпозицию внешнего поля и поля объемного заряда, является важным вопросом для теории этого типа разряда.

В нормальном тлеющем разряде величина катодного падения потенциала ик зависит от степени чистоты газа и материала катода. Кроме катодного падения потенциала, нормальный тлеющий разряд характеризуется также нормальной плотностью тока i и шириной темного катодного пространства.

За областью катодного темного пространства следует отрицательное тлеющее свечение. Эта часть разряда имеет резкую границу со стороны катода и размытую со стороны анода. В ней электрическое поле мало. Ионизованный газ представляет собою почти квазинейтральную плазму, которая пронизывается потоком быстрых электронов из катодного темного пространства. На роль быстрых электронов в этой области указывает прямая связь между энергией электронов и длиной отрицательного тлеющего свечения. Кроме быстрых электронов, в отрицательном тлеющем свечении имеется значительное число медленных электронов, испытавших в катодном темном пространстве неупругие столкновения и потерявших при этом большую часть своей энергии. Эти электроны обладают энергиями, близкими к максимуму функции возбуждения, и вызывают свечение газа с линейчатым спектром, определяемым природой атомов. Кроме того, излучение отрицательного свечения может быть вызвано рекомбинацией зарядов, вероятность которой велика у медленных электронов.

В сторону анода напряженность поля несколько возрастает, и интенсивность свечения этой области разряда постепенно падает вследствие уменьшения вероятности рекомбинации. Роль ионов, возникающих в отрицательном свечении и диффундирующих в катодное темное пространство, по-видимому, невелика для поддержания нормального разряда. Их значение возрастает в аномальных разрядах с большой плотностью тока.

Следующее за отрицательным тлеющим свечением фарадеево темное пространство является переходной областью от катодных частей к положительному столбу. Здесь электроны приобретают энергию в слабом электрическом поле, но эта энергия проявляется в их хаотическом движении. В начале положительного столба она возрастает настолько, что имеет место заметное возбуждение и ионизация атомов газа электронами. Существенное отличие фарадеева темного пространства от катодного темного пространства состоит в том, что в первом энергия электронов слишком мала для возникновения свечения газа, а в последнем слишком велика.

Положительный столб тлеющего разряда представляет собой плазму с малой (относительно катодного темного пространства) напряженностью поля. При стационарном токе величина напряженности поля устанавливается такой, чтобы компенсировать потери заряженных частиц. Эти потери обусловлены либо диффузией электронов и ионов на стенки трубки (если длина положительного столба значительно больше его диаметра) или на анод и в катодные области (в случае короткого положительного столба), либо рекомбинацией носителей зарядов в объеме. При очень низких давлениях газа, когда длина свободного пробега ионов больше радиуса трубки, частицы движутся к стенкам в режиме «свободного падения» и рекомбинируют на поверхности трубки. Таким образом, положительный столб можно рассматривать как самостоятельную область разряда, существующую в известной степени независимо от катодных частей.

Положительный столб бывает не только в тлеющем разряде, но и в дуге низкого давления с накаленным катодом. Плазма высокочастотного разряда также во многом напоминает положительный столб. Свойства положительного столба в различных видах разряда низкого давления в значительной степени идентичны. Во многих случаях (по мнению некоторых исследователей) положительный столб имеет слоистую структуру в виде неподвижных или движущихся вдоль оси трубки слоев, называемых стратами.

Вблизи анода имеется узкое темное пространство и анодное свечение. Появление этих частей связано с граничными условиями на аноде. Электроны притягиваются анодом, положительные ионы отталкиваются. Перед анодом образуется отрицательный объемный заряд, вызывающий изменение потенциала порядка потенциала ионизации газа. Если приблизить анод к катоду настолько, что он попадает в фарадеево темное пространство, то анодное падение потенциала исчезает.

Цвет различных частей разряда зависит от газа, в котором он происходит. Чаще всего разряд происходит с металлическими электродами. Но он может существовать также с покрытыми стеклом металлическими электродами или с неметаллическими электродами. Электропроводность неметаллических электродов или стекла связана с их нагреванием в разряде. Физические процессы на поверхности таких электродов недостаточно изучены.

В зависимости от свойств и состояния газа, характера и расположения электродов и приложенного к электродам напряжения возникают различные типы самостоятель-ных разрядов .

1. Тлеющий разряд возникает при низ-ких давлениях газа (десятые и сотые доли миллиметра ртутного столба). Почти вся труб-ка (кроме участка возле катода) светится однородным светом (рис. 7.24).

2. Электрическая дуга (дуговой разряд). При прикосно-вении двух проводников, присоединенных к мощному источнику тока, в месте контакта выделяется значительное количество теп-лоты, поскольку сопротивление контакта по сравнению с сопротивлением самих провод-ников большое (рис. 7.25).

Температура повышается настолько, что начинается термоэлектронная эмиссия — из проводников выделяется огромное количест-во свободных электронов. Если теперь про-водники (электроды) раздвинуть на неко-торое расстояние, то между ними возникнет газовый разряд, который называется элект-рической дугой. Сила тока в дуге может достигать сотен и тысяч ампер при срав-нительно невысоких напряжениях. Темпера-тура в дуге может достигать 3500—7000°С. Поэтому дуга становится мощным источ-ником света, в ней можно плавить разные вещества, сваривать металлы.

Значительный вклад в развитие дугового сваривания сделал отечественный изобрета-тель Н. Н. Бенардос. Исключительное значе-ние для развития электросварки имеют раз-работки, осуществленные в Институте элект-росварки имени Е. О. Патона, который соз-дан в 1934 г. в Киеве.

Бенардос Николай Николаевич (1 842 — 1905). Учился в 1862—1866 гг. в Киевском университете, в 1866—1867 гг.— в Петров-ской земледельческой и лесной академии (Москва). Изобрел способы дуговой сварки (1881), подводной сварки и резания, то-чечной и шовной контактной сварки.

3. Коронный разряд возникает при атмо-сферном давлении возле заостренных или тонких заряженных проводников, когда на-пряженность электрического поля возле них достигает около 3 . 10 6 В/м. Такое свечение напоминает форму короны, поэтому й полу-чило соответствующее название. Коронный разряд можно наблюдать вокруг провод-ников высоковольтных линий, заостренных предметов, над которыми проходят заря-женные тучи, и т.п. (рис. 7.26). Материал с сайта

4. Искровой разряд можно наблюдать да-же при обычных условиях, если кратковре-менно замыкают проводником и размыкают даже гальванический элемент или батарею таких элементов. Но грандиознейшим искро-вым разрядом является молния, которая воз-никает между заряженными тучами или за-ряженными тучами и Землей. Максимальная сила тока в молнии достигает десятков и сотен ампер, ее продолжительность порядка 10 -5 с, длина может составлять десятки кило-метров. Разность потенциалов между тучей и Землей может превышать 15 . 10 7 В (рис. 7.27).

Искровой разряд может вызвать при опре-деленных условиях разрушение анода, ко-торый используется в технике.

На этой странице материал по темам:

• Искровой разряд что такое кратко

• Дуговой и искровой разряды

• Типы самостоятельных разрядов тлеющий искровой дуговой катодные лучи

• Электромагнитные явления реферат

• Таблица по физики линии сравнения дуговой,тлеющей, коронной,искровой

Вопросы по этому материалу:

Электрический разряд - процесс протекания электрического тока связанный со значительным увеличением электропроводимости среды относительно его нормального состояния.
Увеличение электропроводности обеспечивается наличием дополнительных свободных носителей заряда. Электрические разряды бывают несамостоятельные, протекающие за счёт внешнего источника свободных носителей заряда, и самостоятельные, продолжающие гореть и после отключения внешнего источника свободных носителей заряда.
Различают следующие виды электрических разрядов: искровой, коронный, дуговой (электрическая дуга) и тлеющий.

Присоединим шаровые электроды к батарее конденсаторов и начнем заряжать конденсаторы при помощи электрической машины. По мере заряжения конденсаторов будет увеличиваться разность потенциалов между электродами, а следовательно, будет увеличиваться напряженность поля в газе. Пока напряженность поля невелика, в газе нельзя заметить никаких изменений. Однако при достаточной напряженности поля (около 30000 в/см) между электродами появляется электрическая искра, имеющая вид ярко светящегося извилистого канала, соединяющего оба электрода. Газ вблизи искры нагревается до высокой температуры и внезапно расширяется, отчего возникают звуковые волны, и мы слышим характерный треск. Конденсаторы в этой установке добавлены для того, чтобы сделать искру более мощной и, следовательно, более эффектной.
Описанная форма газового разряда носит название искрового разряда , или искрового пробоя газа. При наступлении искрового разряда газ внезапно, скачком, утрачивает свои изолирующие свойства и становится хорошим проводником. Напряженность поля, при которой наступает искровой пробой газа, имеет различное значение у разных газов и зависит от их состояния (давления, температуры). При заданном напряжении между электродами напряженность поля тем меньше, чем дальше электроды друг от друга. Поэтому, 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 количество ионов и электронов, возникающих от случайных причин. Обычно, однако, число их настолько мало, что газ практически не проводит электричества. При сравнительно небольших значениях напряженности поля, с какими мы встречаемся при изучении несамостоятельной проводимости газов , соударения ионов, движущихся в электрическом поле, с нейтральными молекулами газа происходят так же, как соударения упругих шаров. При каждом соударении движущаяся частица передает покоящейся часть своей кинетической энергии, и обе частицы после удара разлетаются, но никаких внутренних изменений в них не происходит. Однако при достаточной напряженности поля кинетическая энергия, накопленная ионом в промежутке между двумя столкновениями может сделаться достаточной, чтобы ионизировать нейтральную молекулу при столкновении. В результате образуется новый отрицательный электрон и положительно заряженный остаток – ион. Такой процесс ионизации называют ударной ионизацией, а ту работу, которую нужно затратить, чтобы произвести отрывание электрона от атома, - работой ионизации. Величина работы ионизации зависит от строения атома и поэтому различна для разных газов.
Образовавшиеся под влиянием ударной ионизации электроны и ионы увеличивают 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, этот процесс «усиливает сам себя», и ионизация в газе быстро достигает очень большой величины. Все явления вполне аналогично снежной лавине в горах, для зарождения которой бывает достаточно ничтожного комка снега. Поэтому и описанный 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. Мы видим, что при искровом пробое причина ионизации газа заключается в разрушении атомов и молекул при соударениях с ионами.
Одним из природных представителей искрового разряда является молния – красивая и не безопасная.

Возникновение ионной лавины не всегда приводит к искре, а может вызвать и разряд другого типа – коронный разряд.
Натянем на двух высоких изолирующих подставках металлическую проволоку AB диаметром в несколько десятых миллиметра и соединим ее с отрицательным полюсом генератора, дающего напряжение в несколько тысяч вольт, например, хорошей электрической машине. Второй полюс генератора отведем к Земле. Мы получим своеобразный конденсатор, обкладками которого являются наша проволока и стены комнаты, которые, конечно, сообщаются с Землей. Поле в этом конденсаторе весьма неоднородно, и напряженность его очень велика вблизи тонкой проволоки. Повышая постепенно напряжение и наблюдая за проволокой в темноте, можно заметить, что при известном напряжении возле проволоки появляется слабое свечение («корона»), охватывающее со всех сторон проволоку; оно сопровождается шипящим звуком и легким потрескиванием. Если между проволокой и источником включен чувствительный гальванометр, то с появлением свечения гальванометр показывает заметный ток, идущий от генератора по проводам к проволоке и от нее по воздуху комнаты к стенам, соединенным с другим полюсом генератора. Ток в воздухе между проволокой AB и стенами переносится ионами, образовавшимися в воздухе благодаря ударной ионизации. Таким образом, свечение воздуха и появление тока указывают на сильную ионизацию воздуха по действием электрического поля.
Коронный разряд может возникнуть не только у проволоки, но и у острия и вообще у всех электродов, возле которых образуется очень сильное неоднородное поле.

Применение коронного разряда.
1) Электрическая очистка газов (электрофильтры). Сосуд, наполненный дымом, внезапно делается совершенно прозрачным, если внести в него острые металлические электроды, соединенные с электрической машиной. Внутри стеклянной трубки содержатся два электрода: металлический цилиндр и висящая по его оси тонка металлическая проволока. Электроды присоединены к электрической машине. Если продувать через трубку струю дыма (или пыли) и привести в действие машину, то, как только напряжение сделается достаточным для образования короны, выходящая струя воздуха станет совершенно чистой и прозрачной, и все твердые и жидкие частицы, содержащиеся в газе, будут осаждаться на электродах. Объяснение опыта заключается в следующем. Как только у проволоки зажигается корона, воздух внутри трубки сильно ионизируется. Газовые ионы, соударяясь с частицами пыли, «прилипают» к последним и заряжают их. Так как внутри трубки действует сильное электрическое поле, то заряженные частицы движутся под действием поля к электродам, где и оседают. Описанное явление находит себе в настоящее время техническое применение для очистки промышленных газов в больших объемах от твердых и жидких примесей.
2) Счетчики элементарных частиц. Коронный разряд лежит в основе действия чрезвычайно важных физических приборов: так называемых счетчиков элементарных частиц (электронов, а также других элементарных частиц, которые образуются при радиоактивных превращениях) счетчик Гейгера – Мюллера. Он состоит из небольшого металлического цилиндра A, снабженного окошком, и тонкой металлической проволоки натянутой оп оси цилиндра и изолированной от него. Счетчик включают в цепь, содержащую источник напряжения В в несколько тысяч вольт. Напряжение выбирают таким, чтобы оно было только немного меньше «критического», т. е. Необходимого для зажигания коронного разряда внутри счетчика. При попадании в счетчик быстро движущегося электрона последний ионизует молекулы газа внутри счетчика, отчего напряжение, необходимое для зажигания короны, несколько понижается. В счетчике возникает разряд, а в цепи появляется слабый кратковременный ток.
Возникающий в счетчике ток настолько слаб, что обычным гальванометром его обнаружить трудно. Однако его можно сделать вполне заметным, если в цепь ввести очень большое сопротивление R и параллельно ему присоединить чувствительный электрометр E. При возникновении в цепи тока I на концах сопротивления создается напряжение U, равное по закону Ома U=IxR. Если выбрать величину сопротивления R очень большой (много миллионов ом), однако значительно меньшей, чем сопротивление самого электрометра, то даже очень слабый ток вызовет заметное напряжение. Поэтому при каждом попадании быстрого электрона внутрь счетчика листочек электрометра будет давать отброс.
Подобные счетчики позволяют регистрировать не только быстрые электроны, но и вообще любые заряженные, быстро движущиеся частички, способные производить ионизацию газа путем соударений. Современные счетчики легко обнаруживают попадание в них даже одной частицы и позволяют, поэтому с полной достоверностью и очень большой наглядностью убедиться, что в природе действительно существуют элементарные частички.

В 1802 г. В. В. Петров установил, что если присоединить к полюсам большой электролитической батареи два кусочка древесного угля и, приведя угли в соприкосновение, слегка их разделить, то между концами углей образуется яркое пламя, а сами концы углей раскаляются добела. Испуская ослепительный свет (электрическая дуга ). Это явление семь лет спустя независимо наблюдал английский химик Дэви, который предложил в честь Вольта назвать эту дугу «вольтовой».
Обычно осветительная сеть питается током переменного направления. Дуга, однако, горит устойчивее, если через нее пропускают ток постоянного направления, так что один из ее электродов является все время положительным (анод), а другой отрицательным (катод). Между электродами находится столб раскаленного газа, хорошо проводящего электричество. В обычных дугах этот столб испускает значительно меньше света, нежели раскаленные угли. Положительный уголь, имея более высокую температуру, сгорает быстрее отрицательного. Вследствие сильной возгонки угля на нем образуется углубление – положительный кратер, являющийся самой горячей частью электродов. Температура кратера в воздухе при атмосферном давлении доходит до 4000 °C. Дуга может гореть и между металлическими электродами (железо, медь и т. д.). При этом электроды плавятся и быстро испаряются, на что расходуется много тепла. Поэтому температура кратера металлического электрода обычно ниже, чем угольного (2000-2500 °C).
Заставляя гореть дугу между угольными электродами в сжатом газе (около 20 атм), удалось довести температуру положительного кратера до 5900 °C, т. е. до температуры поверхности Солнца. При этом условии наблюдалось плавление угля.
Еще более высокой температурой обладает столб газов и паров, чрез который идет электрический разряд. Энергичная бомбардировка этих газов и паров электронами и ионами, подгоняемыми электрическим полем дуги, доводит температуру газов в столбе до 6000-7000 °. Поэтому в столбе дуги почти все известные вещества плавятся и обращаются в пар, и делаются возможными многие химические реакции, которые не идут при более низких температурах. Нетрудно, например, расплавить в пламени дуги тугоплавкие фарфоровые палочки. Для поддержания дугового разряда нужно небольшое напряжение: дуга хорошо горит при напряжении на ее электродах 40-45 в. Ток в дуге довольно значителен. Так, например, даже в небольшой дуге, идет ток около 5 А, а в больших дугах, употребляющихся в промышленности, ток достигает сотен ампер. Это показывает, что сопротивление дуги невелико; следовательно, и светящийся газовый столб хорошо проводит электрический ток.
Такая сильная ионизация газа возможна только благодаря тому, что катод дуги испускает очень много электронов, которые своими ударами ионизуют газ в разрядном пространстве. Сильная электронная эмиссия с катода обеспечивается тем, что катод дуги сам накален до очень высокой температуры (от 2200° до 3500°C в зависимости от материала). Когда для зажигания дуги мы в начале приводим угли в соприкосновение, то в месте контакта, обладающем очень большим сопротивление, выделяется почти все джоулево тепло проходящего через угли тока. Поэтому концы углей сильно разогреваются, и этого достаточно для того, чтобы при их раздвижении между ними вспыхнула дуга. В дальнейшем катод дуги поддерживается в накаленном состоянии самим током, проходящие через дугу. Главную роль в этом играет бомбардировка катода падающими на него положительными ионами.

Применение дугового разряда.
Вследствие высокой температуры электроды дуги испускают ослепительный свет, и поэтому электрическая дуга является одним из лучших источников света. Она потребляет всего около 0,3 ватта на каждую свечу и является значительно более экономичной. Нежели наилучшие лампы накаливания. Электрическая дуга впервые была использована для освещения П. Н. Яблочковым в 1875 г. и получила название «русского света», или «северного света».
Электрическая дуга также применяется для сварки металлических деталей (дуговая электросварка). В настоящее время электрическую дугу очень широко применяют в промышленных электропечах. В мировой промышленности около 90% инструментальной стали и почти все специальные стали выплавляются в электрических печах.
Большой интерес представляет ртутная дуга, горящая в кварцевой трубке, так называемая кварцевая лампа. В этой лампе дуговой разряд происходит не в воздухе, а в атмосфере ртутного пара, для чего в лампу вводят небольшое количество ртути, а воздух выкачивают. Свет ртутной дуги чрезвычайно богат невидимыми ультрафиолетовыми лучами, обладающими сильным химическим и физиологическим действием. Ртутные лампы широко применяют при лечении разнообразных болезней («искусственное горное солнце»), а также при научных исследованиях как сильный источник ультрафиолетовых лучей.

Кроме искры, короны и дуги, существует еще одна форма самостоятельного разряда в газах – так называемый тлеющий разряд . Для получения этого типа разряда удобно использовать стеклянную трубку длинной около полуметра, содержащую два металлических электрода. Присоединим электроды к источнику постоянного тока с напряжение в несколько тысяч вольт (годится электрическая машина) и будем постепенно откачивать из трубки воздух. При атмосферном давлении газ внутри трубки остается темным, так как приложенное напряжение в несколько тысяч вольт недостаточно для того, чтобы пробить длинный газовый промежуток. Однако когда давление газа достаточно понизится, в трубке вспыхивает светящийся разряд. Он имеет вид тонкого шнура (в воздухе – малинового цвета, в других газах – других цветов), соединяющий оба электрода. В этом состоянии газовый столб хорошо проводит электричество.
При дальнейшей откачен светящийся шнур размывается и расширяется, и свечение заполняет почти всю трубке. Различают следующие две части разряда: 1) несветящуюся часть, прилегающую к катоду, получившую название темного катодного пространства; 2) светящийся столб газа, заполняющий всю остальную часть трубки, вплоть до самого анода. Эта часть разряда носит название положительного столба.
При тлеющем разряде газ хорошо проводит электричество, а значит, в газе все время поддерживается сильная ионизация. При этом в отличие от дугового разряда катод все время остается холодным. Почему же в этом случае происходит образование ионов?
Падение потенциала или напряжения на каждом сантиметре длины газового столба в тлеющем разряде очень различно в разных частях разряда. Получается, что почти все падение потенциала приходится на темное пространство. Разность потенциалов, существующая между катодом и ближайшей к нему границей пространства, называют катодным падением потенциала. Оно измеряется сотнями, а в некоторых случаях и тысячами вольт. Весь разряд оказывается существует за счет этого катодного падения. Значение катодного падения заключается в том, что положительные ионы, пробегая эту большую разность потенциалов, приобретают большую скорость. Так как катодное падение сосредоточено в тонком слое газа, то здесь почти не происходит соударений ионов с газовыми атомами, и по этому, проходя через область катодного падения, ионы приобретают очень большую кинетическую энергию. Вследствие этого при соударении с катодом они выбивают из него некоторое количество электронов, которые начинают двигаться к аноду. Проходя через темное пространство, электроны в свою очередь ускоряются катодным падением потенциала и при соударения с газовыми атомами в более удаленной части разряда производят ионизацию ударом. Возникающие при этом положительные ионы опять ускоряются катодным падением и выбивают из катода новые электроны и т. д. Таким образом все повторяется до тех пор пока на электродах есть напряжение.
Значит, что причинами ионизации газа в тлеющем разряде являются ударная ионизация и выбивание электронов с катода положительными ионами.

Применение тлеющего разряда.
Такой разряд используют в основном для освещения. Применяется в люминесцентных лампах.