Электрический ток в газах

 П. и. и э. связана  с коэффициентом диффузии (См. Диффузия) D формулой Эйнштейна: D/μ = kT/e, где Т — абсолютная температура заряженных частиц в предположении, что они подчиняются Максвелла распределению (См. Максвелла распределение) (в смеси разных заряженных и нейтральных частиц их средние энергии и, следовательно, температуры могут быть различны — свойство «неизотермичности» такой смеси); k — Больцмана постоянная; е — заряд электрона.

5. Закон Ома для тока в газе.

 

Предположим, что ионизированный газ  находится между двумя плоскими параллельными электродами, к которым  приложено электрическое напряжение. Ионы под влиянием напряжения перемещаются, и в цепи возникает ток. Часть  ионов нейтрализуется на электродах, часть исчезает за счет рекомбинации.

На рис. 4.3 показана зависимость  тока от напряжения для газа. Начальный  участок кривой до напряжения  соответствует выполнению закона Ома, когда число положительных и отрицательных ионов  можно считать не зависящим от напряжения. В газовом промежутке ток пропорционален напряжению, плотность тока пропорциональна напряженности поля.

Рис. 4. Зависимость тока от напряжения для газа

По мере возрастания приложенного напряжения ионы уносятся к электродам, не успевая рекомбинировать, и при некотором напряжении все ионы, создаваемые в газовом промежутке, разряжаются на электродах. Дальнейшее увеличение напряжения уже не вызовет возрастания тока, что соответствует горизонтальному участку кривой рис. 4. (ток насыщения при напряжениях от ). Ток насыщения для воздуха в нормальных условиях и расстояния между электродами  наблюдаются при напряженностях поля около .

Плотность тока насыщения в воздухе  весьма мала и составляет около  . Поэтому воздух можно рассматривать как совершенный диэлектрик, до тех пор, пока не создадутся условия для появления ударной ионизации. Ток при увеличении напряжения остается постоянным, пока ионизация осуществляется под действием внешних факторов. При возникновении ударной ионизации (выше  на рис. 4.3) ток начинает быстро увеличиваться с возрастанием напряжения.

 

I I. Несамостоятельный газовый разряд.

1. Вольт-амперная характеристика и её описание.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) — график зависимости тока через двухполюсник от напряжения на этом двухполюснике. Вольт-амперная характеристика описывает поведение двухполюсника на постоянном токе. Чаще всего рассматривают ВАХ нелинейных элементов (степень нелинейности определяется коэффициентом нелинейности ), поскольку для линейных элементов ВАХ представляет собой прямую линию и не представляет особого интереса.

Характерные примеры элементов, обладающих существенно нелинейной ВАХ: диод, динистор, стабилитрон.

Для трехполюсных элементов (таких, как транзистор, тиристор или ламповый триод) часто строят семейства кривых, являющимися ВАХ для двухполюсника при так или иначе заданных параметрах на третьем выводе элемента.

Необходимо отметить, что в реальной схеме, особенно работающей с относительно высокими частотами (близкими к границам рабочего частотного диапазона) для  данного устройства реальная зависимость  напряжения от времени может пробегать  по траекториям, весьма далеким от «идеальной»  ВАХ. Чаще всего это связано с  емкостью или другими инертными  свойствами элемента.

Пример ВАХ для диода.

 

 

Преобразования ВАХ

Полезно отметить некоторые свойства вольтамперных характеристик составных  элементов (схем, состоящих из нескольких двухполюсников)

Параллельное соединение — при  параллельном соединении двух двухполюсников, при каждом значении напряжения складываются токи, текущие через них, а при  последовательном — для каждого  значения тока складываются напряжения на элементах.

Процесс прохождения электрического тока через газ называется газовым  разрядом. Если электропроводность газа создается внешними ионизаторами, то электрический ток, возникающий  в нем, называется несамостоятельным газовым разрядом. С прекращением действия внешних ионизаторов несамостоятельный разряд прекращается. Несамостоятельный газовый разряд не сопровождается свечением газа.

I I I . Самостоятельный газовый разряд.

1. Процессы,играющие в разряде заметную роль:зависимость U от pd

Самостоятельным разрядом будем называть такой газовый разряд, в котором носители тока возникают в результате тех процессов в газе, которые обусловлены приложенным к газу напряжением. Т.е. данный разряд продолжается и после прекращения действия ионизатора.      

Когда межэлектродный промежуток перекрывается  полностью проводящей газоразрядной  плазмой, наступает его пробой. Напряжение, при котором происходит пробой межэлектродного промежутка, называется пробивным напряжением. А соответствующая напряженность электрического поля носит название пробивная напряженность.       

Рассмотрим условия возникновения  и поддержания самостоятельного разряда.      

При больших напряжениях между  электродами газового промежутка ток  сильно возрастает. Это происходит вследствие того, что возникающие  под действием внешнего ионизатора электроны, сильно ускоренные электрическим  полем, сталкиваются с нейтральными молекулами газа и ионизируют их. В  результате этого образуются вторичные электроны и положительные ионы (процесс 1, рис. 5). Положительные ионы движутся к катоду, а электроны – к аноду. Вторичные электроны вновь ионизируют молекулы газа, и, следовательно, общее количество электронов и ионов будет возрастать по мере продвижения электронов к аноду лавинообразно. Это и является причиной увеличения электрического тока. Описанный процесс называется ударной ионизацией.

Рис. 5.      

Однако ударная ионизация под  действием электронов недостаточна для поддержания разряда при  удалении внешнего ионизатора. Для  этого необходимо, чтобы электронные  лавины «воспроизводились», т.е. чтобы  в газе под действием каких-то процессов возникали новые электроны. Это следующие процессы:    

1. ускоренные электрическим полем положительные ионы, ударяясь о катод, выбивают из него электроны (процесс 2);    
2. положительные ионы, сталкиваясь с молекулами газа, переводят их в возбужденное состояние; переход таких молекул в основное состояние сопровождается испусканием фотонов (процесс 3);    
3. фотон, поглощенный нейтральной молекулой, ионизирует ее, происходит процесс фотонной ионизации молекул (процесс 4);   
4. выбивание электронов из катода под действием фотонов (процесс 5);    
5. наконец, при значительных напряжениях между электродами газового промежутка наступает момент, когда положительные ионы, обладающие меньшей длиной свободного пробега, чем электроны, приобретают энергию, достаточную для ионизации молекул газа (процесс 6), и к отрицательной пластине устремляются ионные лавины. Когда возникают, кроме электронных лавин, еще и ионные, сила тока растет уже практически без увеличения напряжения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Тлеющий разряд.

 

Тле́ющий разря́д — 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.

 

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.

 

 

 

 

 

 

 

5. Самостоятельный разряд.

 

В зависимости от свойств и состояния  газа, характера и расположения электродов, а также от приложенного к электродам напряжения возникают различные  виды самостоятельного разряда. Рассмотрим несколько из них.

 

1. Коронный разряд.

Коро́нный разря́д − 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.

Применение

Коронный разряд применяется для  очистки газов от пыли и сопутствующих  загрязнений (электростатический фильтр), для диагностики состояния конструкций (позволяет обнаруживать трещины  в изделиях).

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.