Самостоятельный газовый разряд

Газовый разряд называется самостоятельным, если онпродолжается и после прекращения действия внешнего ионизатора. Образование свободных зарядов в газе при самостоятельном разряде происходит за счет процессов, обусловленных действием электрического поля. В зависимости от вида разряда кроме ударной ионизации это могут быть выбивание электронов из катода положительными ионами, фотоионизация и термическая ионизация газа, термоэлектронная эмисcия, холодная электронная эмиссия. Напряжение, при кото ром происходит переход несамостоятельного разряда в самостоятельный, называется напряжением зажигания или напряжением пробоя. Его значение зависит от материала катода, химической природы газа, от наличия в газе примесей, давления газа, расстояния между электродами, их формы и размеров.

Оценим влияние электронных лавин на силу тока в газовом разряде (рис. 61.1). Пусть около катода каждую секунду образуется свободных электронов. На расстоянии х от катода их количество равно п. В слое dx в результате ударной ионизации возникло dn свободных электронов. Очевидно, dn ~ dx и dn ~ n. Тогда можно записать: dn ~ n dx. Переходя к равенству, получаем

,(61.1)

где α– коэффициент ударной ионизации.

Из формулы (61.1) получаем

.

Выполнив интегрирование, находим:

. (61.2)

Значение постоянной интегрирования С находим, подставив в формулу (61.2) и :

. (61.3)

Объединим формулы (61.2) и (61.3):

䀕ᘮ

Пос഻క(ӎтого̠䐒ѩп䐾лним потенцирование полученного выражения:

. (61.4)

Как следует из полученной формулы, с увеличением расстояния х от катода число свободных электронов возрастает по экспоненциальному закону.

Если бы не было ударной ионизации, каждую секунду анода достигло бы электронов и возник бы ток насыщения, сила которого (участок ВС на рисунке 60.2). В результате ударной ионизации анода достигает ежесекундно электронов и сила тока становится равной т. е. в раз большей (участок СD на рисунке 60.2).

Возникновение электронных лавин является условием, необходимым для зажигания самостоятельного разряда. Однако одного этого процесса недостаточно, так как требуется появление около катода первичных электронов, которые вызовут образование электронных лавин. Возникновение этих электронов может произойти вследствие термоэлектронной эмиссии, холодной электронной эмиссии, выбивания электронов из катода положительными ионами и других процессов, обусловленных действием электрического поля.

В зависимости от давления газа, конфигурации электродов и параметров внешней цепи существует четыре вида самостоятельного разряда:

- тлеющий;

- искровой;

- дуговой;

- коронный.

При их описании будем указывать, при каких условиях они возникают, за счет каких процессов образуются ионы и электроны, какими световыми и звуковыми эффектами сопровождаются и где находят практическое применение.

Тлеющий разряд возникает в разреженных газах при давлении в несколько миллиметров ртутного столба и напряжении порядка В. Свободные заряды образуются за счет ударной ионизации и выбивания электронов из катода положительными ионами. Сила тока в тлеющем разряде обычно небольшая. Разряд сопровождается не очень ярким свечением, возникающим при рекомбинации ионов и переходе возбужденных атомов в нормальное состояние. Применяется тлеющий разряд в сигнальных неоновых лампах, цифровых индикаторных лампах, стабилитронах.

Искровой разряд возникает при обычных и высоких давлениях, когда напряженность поля достигает значения электрической прочности данного газа. При атмосферном давлении для воздуха она составляет 30 кВ/см. После пробоя сопротивление канала мало и через него проходит большой импульс тока. Если мощность источника невелика, то разряд прекращается. Напряжение вновь повышается и снова проскакивает искра. Газ в канале разогревается, его давление резко возрастает и возникает ударная волна. Разряд сопровождается громким треском и ярким прерывистым свечением. Примером искрового разряда является молния, в которой искровой канал может достигать длины до 10 км при диаметре до 40 см. Сила тока при этом достигает А, температура - до К, давление - до Па.

При искровом разряде вблизи катода возникает электронная лавина, которая на своем пути производит ионизацию и возбуждение молекул газа. Фотоны, испускаемые возбужденными молекулами, производят фотоионизацию и дают начало новым электронным лавинам. Отдельные электронные лавины догоняют друг друга и, сливаясь вместе, образуют сильно ионизированный канал (стриммер), по которому протекает ток.

Высокая температура и давление в искровом разряде позволяют использовать его для электроискровой обработки металла, в системах зажигания двигателей внутреннего сгорания. Искровой разряд находит также применение в искровых вольтметрах, искровых разрядниках.

Дуговой разряд между двумя угольными электродами был открыт русским физиком В. В. Петровым в 1802 г. Он возникает при любом давлении при напряжении несколько десятков вольт. Сила тока в дуге может достигать десятков и сотен ампер. В дуговой разряд переходит искровой при достаточно большой мощности источника и малом расстоянии между электродами.

При дуговом разряде электроды (особенно анод) сильно нагреваются. С катода происходит термоэлектронная эмиссия. В самом разряде наблюдается термическая ионизация и фотоионизация газа. Дуга с холодным катодом (обычно в парах ртути) поддерживается за счет холодной эмиссии электронов с катода и ударной ионизации газа.

Дуговой разряд впервые был использован П. Н. Яблочковым, создавшим в 1876 г. дуговые лампы ("свеча Яблочкова"). В 1882 г. Н. Н. Бенардос осуществил использование дугового разряда с угольным электродом для резки и сварки металлов. В 1888 г.
Н. Г. Славянов усовершенствовал этот метод, заменив угольный электрод металлическим.

Дуговой разряд с холодным катодом является источником ультрафиолетового излучения, что объясняет его использование в кварцевых лампах и лампах дневного света. Он применяется также в тиратронах, газотронах, дуговых предохранителях.

Коронный разряд возникает при атмосферном давлении в сильно неоднородном электрическом поле, т. е. вблизи электродов с большой кривизной. Когда напряженность электрического поля около электрода достигает примерно 3∙ В/м, вокруг него возникает свечение, имеющее вид оболочки или короны, откуда и произошло название заряда. Наличие второго электрода необязательно, но его роль могут играть окружающие заземленные металлические предметы.

Отрицательный коронный разряд поддерживается за счет ударной ионизации и выбивания электронов из катода положительными ионами, положительный - за счет фотоионизации.

Коронный разряд, возникающий в высоковольтных линиях передач, приводит к потерям электроэнергии. Для уменьшения коронирования увеличивают радиус проводников, а поверхность их делают гладкой. Применяется коронный разряд в дымовых электрофильтрах, при печатании на бумаге и других материалах электронно-графическим способом.