Что такое самостоятельный разряд
Что такое самостоятельный разряд
Рассмотренный выше процесс возникновения и образования лавин за счет ударной ионизации не утрачивает характера несамостоятельного разряда, т.к. в случае прекращения действия внешнего ионизатора разряд быстро исчезает.
Однако возникновение и образование лавины зарядов не ограничивается процессом ударной ионизации. При дальнейшем, сравнительно небольшом увеличении напряжения, на электродах газоразрядного промежутка, положительные ионы приобретают большую энергию и, ударяясь о катод, выбивают из него электроны, происходит вторичная электронная эмиссия. Возникшие свободные электроны на пути к аноду производят ударную ионизацию молекул газа. Положительные ионы на пути к катоду при электрических полях 
сами ионизируют молекулы газа.
Если каждый выбитый с катода электрон способен ускоряться и производить ударную ионизацию молекул газа, то разряд будет поддерживаться и после прекращения воздействия внешнего ионизатора. Напряжение, при котором развивается самостоятельный разряд, называется напряжением замыкания.
На основании сказанного, 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. 8.4). 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.
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:
Электрический самостоятельный и несамостоятельный разряд возникает в различных газовых средах при наличии определенных условий. Человеком используется, как правило, самостоятельный разряд. В статье дается характеристика указанным явлениям.
Что такое разряд электрический в газах?
Прежде чем рассматривать газовый разряд самостоятельный и несамостоятельный, дадим определение этому явлению. Под разрядом понимают возникновение электрического тока в газе. Поскольку газовые среды по своей природе являются изоляторами, то это означает, что ток обусловлен наличием в них свободных носителей электрического заряда. Помимо них также должно существовать электрическое поле, чтобы заряды приобретали направленное движение.
Вам будет интересно: Что такое бумазея? Свойства ткани, виды, особенности, достоинства и недостатки
Электрическое поле может быть создано путем приложения к объему газа внешней разности потенциалов (наличие электродов: отрицательный катод и положительный анод).
Источниками носителей заряда могут быть следующие процессы:
Вам будет интересно: Касимовские татары: история возникновения, описание повседневной жизни, падение ханства
Названные процессы лежат в основе классификации типов разрядов (самостоятельный и несамостоятельный).
Понятие о самостоятельности разряда
Рассмотрим случай с катодной трубкой. Она представляет собой запаянную емкость, в которой имеется некоторый газ под определенным давлением. На концах этой трубки находятся электроды. Если к ним приложить небольшую разность потенциалов, то практически никакого тока не возникнет. Связано это с отсутствием достаточного количества носителей заряда.
Если же нагреть газ или подвергнуть его облучению ультрафиолетом, то вольтметр сразу зафиксирует появление тока. Это яркий пример несамостоятельного разряда. Он так называется, потому что для его существования необходимым внешний источник ионизации (излучение, температура). Стоит убрать этот источник, как показания вольтметра снова станут равными нулю.
Если же при отсутствии внешних источников ионизации увеличивать напряжение между электродами трубки, то начнет появляться ток, который пройдет несколько стадий (насыщение, возрастание, убывание). В этом случае говорят о самостоятельном электрическом разряде. Он уже не требует внешних источников, необходимые носители заряда порождаются внутри самой системы. Процессы их образования остаются теми же, что и для несамостоятельного разряда. При высоких напряжениях и больших плотностях тока добавляется еще и термоэмиссия электронов катода.
Вольтамперная характеристика разряда
Газовый самостоятельный и несамостоятельный разряд удобно изучать, если использовать зависимость напряжения от силы тока (или наоборот), которую принято называть вольтамперной характеристикой. Она позволяет судить не только о величине напряжения и тока в системе, но и о происходящих в ней электрических процессах.
Ниже приведена вольтамперная характеристика, на которой отражены все основные фазы развития разряда.
Как видно их три: темный, тлеющий и дуговой. Далее в статье опишем подробнее эти фазы.
Темный разряд
Он описывается промежутком AC. При увеличении напряжения U, ток I растет за счет увеличения скорости движения ионов. Однако эти скорости невелики, поэтому имеет место несамостоятельный разряд. В области BC он выходит на насыщение и становится самостоятельным, поскольку скорость ионов становится достаточной, чтобы при бомбардировке катода выбивать из него электроны. Эти электроны приводят к дополнительной ионизации газа.
Темный заряд получил такое название потому, что его свечение практически равно нулю: низкая концентрация плазмы, малые токи (10-8 А), отсутствие рекомбинации ионов и электронов.
Тлеющий разряд
На вольтамперной характеристике ему соответствует зона между точками C и F. Из рисунка видно, что напряжение изменяется (падает и растет), ток же постоянно увеличивается. Интерес представляют две подзоны:
В нормальной области тлеющего разряда работают все неоновые и люминесцентные лампы.
Искровой и дуговой разряды
Эти виды самостоятельных разрядов охватывают зону FG на рисунке. Здесь происходят самые сложные процессы.
Разряд происходит по узким каналам, которые называют стримерами. Они представляют собой узкие ломаные линии высокоионизированной плазмы, которые соединяют катодную поверхность с анодной. Сила тока достигает в них десятков тысяч ампер.
Таким образом, существование самостоятельного и несамостоятельного разрядов в газах обусловлено механизмами его ионизации и формирования плазмы при увеличении напряжения и силы тока в системе.
Электрический ток в газах. Типы самостоятельного разряда. Плазма.
Электрический ток в газах
1. Газы в обычных условиях—диэлектрики. Воздух используют в технике как изолятор: а) в линиях электропередач; б) между обкладками воздушных конденсаторов; в) в контактах выключателей.
2. При определенных условиях газы — проводники: молния, электрическая искра, дуга при сварке. Процесс протекания тока через газ называетсягазовым разрядом. Свободные заряды (ионы обоих знаков и электроны) возникают в газах только в процессе ионизации.
Ионизация газов Ионизацию вызывают:
Ионизация осуществляется при условии: еЕλ > W ионизации, где λ — длина свободного пробега заряженных частиц.
Рекомбинация. Вследствие рекомбинации для поддержания длительного тока необходима постоянная ионизация.
Несамостоятельный и самостоятельный разряды
ОА — только часть заряженных частиц доходит до электродов, частьрекомбинирует;
АВ—ток почти не увеличивается (ток насыщения);
ВС — самостоятельный разряд.
Типы самостоятельного разряда. Техническое применение
1. Тлеющий разряд. Применяется в газосветных трубках, неоновых лампах, цифровых индикаторах, лампах дневного света, ртутных лампах низкого давления.
При определенных давлениях анодный столб распадается на отдельные слои, разделенные темными промежутками (страты).
Причиной ионизации газа в тлеющем разряде является ударная ионизация и выбивание электронов из катода положительными ионами.
2. Дуговой разряд. Применяется в ртутных лампах высокого давления, источниках света, при сварке металлов, в электроплавильных печах, при электролизе расплавов, в электропечах.
3. Коронный разряд Высокая напряженность. Используют в электрофильтрах для очистки газов от примесей твердых частиц. Применяется в счетчиках заряженных частиц Гейгера-Мюллера. Громоотвод. Отрицательное явление: вызывает утечку энергии на высоковольтных линиях.
4. Искровой разряд Высокое напряжение. Применяется при обработке металлов.
Плазма
Частично или полностью ионизованный газ называется плазмой. Наиболее распространенное состояние вещества в природе:
Можно наблюдать: пламя костра, рекламные газовые трубки, медицинские кварцевые лампы. Большое значение: получение термоядерной реакции.
Учебники
Журнал «Квант»
Общие
В обычных условиях газы являются диэлектриками, т.к. состоят из нейтральных атомов и молекул, и в них нет достаточного количества свободных зарядов.
Содержание
Ионизация и рекомбинация
Газы становятся проводниками лишь тогда, когда они каким-то образом ионизированы. Процесс ионизации газов заключается в том, что под действием каких-либо причин от атома отрывается один или несколько электронов. В результате этого вместо нейтрального атома возникают положительный ион и электрон.
Часть образовавшихся электронов может быть при этом захвачена другими нейтральными атомами, и тогда появляются отрицательно заряженные ионы.
Таким образом, в ионизованном газе имеются носители зарядов трех сортов: электроны, положительные ионы и отрицательные.
Отрыв электрона от атома требует затрат определенной энергии — энергии ионизации Wi. Энергия ионизации зависит от химической природы газа и энергетического состояния электрона в атоме. Так, для отрыва первого электрона от атома азота затрачивается энергия 14,5 эВ, а для отрыва второго электрона — 29,5 эВ, для отрыва третьего — 47,4 эВ.
Факторы, вызывающие ионизацию газа называются ионизаторами.
Различают три вида ионизации: термоионизацию, фотоионизацию и ударную ионизацию.
Процесс ионизации газа всегда сопровождается противоположным процессом восстановления нейтральных молекул из разноименно заряженных ионов вследствие их электрического притяжения. Это явление называется рекомбинацией. При рекомбинации выделяется энергия, равная энергии, затраченной на ионизацию. Это может вызвать, например, свечение газа.
Если действие ионизатора неизменно, то в ионизованном газе устанавливается динамическое равновесие, при котором в единицу времени восстанавливается столько же молекул, сколько их распадается на ионы. При этом концентрация заряженных частиц в ионизованном газе остается неизменной. Если же прекратить действие ионизатора, то рекомбинация начнет преобладать над ионизацией и число ионов быстро уменьшится почти до нуля. Следовательно, наличие заряженных частиц в газе — явление временное (пока действует ионизатор).
При отсутствии внешнего поля заряженные частицы движутся хаотически.
Газовый разряд
При помещении ионизированного газа в электрическое поле на свободные заряды начинают действовать электрические силы, и они дрейфуют параллельно линиям напряженности: электроны и отрицательные ионы — к аноду, положительные ионы — к катоду (рис. 1). На электродах ионы превращаются в нейтральные атомы, отдавая или принимая электроны, тем самым замыкая цепь. В газе возникает электрический ток.
Электрический ток в газах называется газовым разрядом.
Полный ток в газе складывается из двух потоков заряженных частиц: потока, идущего к катоду, и потока, направленного к аноду.
В газах сочетается электронная проводимость, подобная проводимости металлов, с ионной проводимостью, подобной проводимости водных растворов или расплавов электролитов.
Таким образом, проводимость газов имеет ионно-электронный характер.
Несамостоятельный разряд
Рассмотренный выше механизм прохождения электрического тока через газы при постоянном воздействии на газ внешнего ионизатора представляет собой несамостоятельный разряд, так как при прекращении действия ионизатора прекращается и ток в газе.
Исследуем зависимость силы тока от напряжения при несамостоятельном разряде в газе. Для этой цели удобно использовать стеклянную трубку с двумя впаянными в стекло металлическими электродами. Соберем цепь по схеме, изображенной на рисунке 2.
Пусть с помощью какого-нибудь ионизатора, например за счет воздействия рентгеновских лучей, в газе образуется ежесекундно определенное число пар заряженных частиц: электронов и положительных ионов.
При отсутствии напряжения на электродах (U = 0) гальванометр, включенный в цепь (см. рис. 2), покажет нуль (I = 0). При небольшой разности потенциалов между электродами трубки положительно заряженные ионы начнут перемещаться к отрицательному электроду (катоду), а электроны и отрицательно заряженные ионы — к аноду, т. е. возникнет газовый разряд.
Однако вследствие рекомбинации не все образующиеся под действием ионизатора ионы доходят до электродов. Часть их, рекомбинируя, образует нейтральные молекулы. По мере увеличения разности потенциалов между электродами трубки доля заряженных частиц, достигающих электродов, увеличивается, т. е. сила тока в цепи возрастает (рис. 3). Объясняется это тем, что при большем напряжении между электродами ионы движутся с большей скоростью, поэтому им остается все меньше времени для воссоединения в нейтральные молекулы.
Наконец, при некотором определенном напряжении наступает такой момент, при котором все заряженные частицы, образующиеся в газе ионизатором за секунду, достигают за это же время электродов. Дальнейшее увеличение напряжения уже не может привести к увеличению числа переносимых ионов. Ток, как говорят, достигает насыщения (см. рис. 3, горизонтальный участок графика).
Таким образом, вольт-амперная характеристика при несамостоятельном разряде в газах является нелинейной, т. е. закон Ома для газов выполняется только при малых напряжениях.
Самостоятельный разряд
Если после достижения насыщения продолжать увеличивать разность потенциалов между электродами, то сила тока при достаточно большом напряжении станет резко возрастать (рис. 4). Это означает, что в газе появляются дополнительные ионы сверх тех, которые образуются за счет действия ионизатора. Сила тока может возрасти в сотни и тысячи раз, а число заряженных частиц, возникающих в процессе разряда, может стать таким большим, что внешний ионизатор будет уже не нужен для поддержания разряда. Поэтому ионизатор можно теперь убрать. Поскольку разряд не нуждается для своего поддержания во внешнем ионизаторе, его называют самостоятельным разрядом.
Напряжение U = Uпр, при котором несамостоятельный электрический разряд переходит в самостоятельный, называют напряжением пробоя газа, а сам процесс такого перехода — электрическим пробоем газа.
Электрон, ускоряясь электрическим полем, на своем пути к аноду сталкивается с ионами и нейтральными молекулами. В промежутках между двумя последовательными столкновениями энергия электрона увеличивается за счет работы сил электрического поля. Чем больше разность потенциалов между электродами, тем больше напряженность электрического поля.
Если кинетическая энергия электрона превосходит работу Wi, которую нужно совершить, чтобы ионизовать нейтральный атом (или молекулу), то при столкновении электрона с атомом (или молекулой) происходит его (ее) ионизация, называемая ионизацией электронным ударом.
В результате столкновения электрона с атомом образуется еще один электрон и положительный ион. Таким образом, вместо одной заряженной частицы появляются три — ион и два электрона. Эти электроны, в свою очередь, получают энергию в поле и ионизуют новые атомы и т. д. Вследствие этого число заряженных частиц очень быстро возрастает. Описанный процесс имеет сходство с образованием снежной лавины в горах и поэтому получил название электронной (или ионной) лавины.
Лавинообразное нарастание числа заряженных частиц в газе может начаться под действием сильного электрического поля, если в газе окажется хотя бы один электрон. Ионизатор в этом случае не нужен. Так, например, в окружающем нас воздухе всегда имеется некоторое число ионов и электронов, возникающих под действием радиоактивных излучений земной коры, ультрафиолетового и рентгеновского излучений Солнца, а также других излучений, проникающих в земную атмосферу из космического пространства.
Обратим внимание на то, что роль электронов и ионов в образовании лавинного разряда в газах неодинакова. Основную роль в ударной ионизации играют свободные электроны.
Но ионизация только электронным ударом не может обеспечить длительный самостоятельный разряд. Действительно, ведь все возникающие таким образом электроны движутся по направлению к аноду и по достижении анода «выбывают из игры». Для поддержания разряда необходима эмиссия электронов с катода («эмиссия» означает «испускание»). Эмиссия электронов может быть обусловлена несколькими причинами.
Положительные ионы, образовавшиеся при столкновении электронов с нейтральными атомами, при своем движении к катоду приобретают под действием поля большую кинетическую энергию. При ударах таких быстрых ионов о катод с поверхности катода выбиваются электроны.
Катод может испускать электроны при нагревании до высокой температуры. Этот процесс называется термоэлектронной эмиссией. Его можно рассматривать как испарение электронов из металла. Во многих твердых веществах термоэлектронная эмиссия происходит при температурах, при которых испарение самого вещества еще мало. Такие вещества и используют для изготовления катодов.
При самостоятельном разряде нагрев катода может происходить за счет бомбардировки его положительными ионами. Если энергия ионов не слишком велика, то выбивания электронов с катода не происходит и электроны испускаются вследствие термоэлектронной эмиссии.
В газах при больших напряженностях электрических полей электроны достигают таких больших энергий, что начинается ионизация электронным ударом. Разряд становится самостоятельным и продолжается без внешнего ионизатора.
Виды самостоятельного разряда
В зависимости от давления газа, напряжения, приложенного к электродам, формы и характера расположения электродов различают следующие типы самостоятельного разряда: тлеющий, коронный, дуговой и искровой.
Понятие о плазме
Степень ионизации плазмы α определяется отношением числа ионизированных атомов к их общему числу\[
Существование плазмы связано либо с нагреванием газа, либо с излучением различного рода, либо с бомбардировкой газа быстрыми заряженными частицами.
Ряд свойств плазмы позволяет рассматривать ее как особое состояние вещества. Плазма — самое распространенное состояние вещества. Плазма существует не только в качестве вещества звезд и Солнца, она заполняет и космическое пространство между звездами и галактиками. Верхний слой атмосферы Земли также представляет собой слабо ионизированную плазму.
Управление движением плазмы в электрических и магнитных полях является основой ее использования как рабочего тела в различных двигателях для непосредственного превращения внутренней энергии в электрическую — плазменные источники электроэнергии, магнитогидродинамические генераторы. Для космических кораблей перспективно использование маломощных плазменных двигателей. Мощная струя плотной плазмы, получаемая в плазмотроне, широко используется для резки и сварки металлов, бурения скважин, ускорения многих химических реакций. Проводятся широкомасштабные исследования по применению высокотемпературной плазмы для создания управляемых термоядерных реакций.
самостоятельный разряд
Смотреть что такое «самостоятельный разряд» в других словарях:
САМОСТОЯТЕЛЬНЫЙ РАЗРЯД — электрич. ток в газе, не требующий для своего поддержания действия внеш. ионизатора. С. р. образуется при достаточно высоком напряжении на электродах, когда начавшийся разряд создаёт необходимые для его поддержания ионы и эл ны (см. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ … Физическая энциклопедия
самостоятельный разряд — Электрический разряд, продолжающийся после удаления внешнего ионизатора. [ГОСТ 13820 77] Тематики электровакуумные приборы … Справочник технического переводчика
самостоятельный разряд — savaiminis išlydis statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. independent discharge vok. selbständige Entladung, f rus. самостоятельный разряд, m pranc. décharge auto entretenue, f; décharge autonome, f … Fizikos terminų žodynas
самостоятельный электрический разряд в газе — самостоятельный электрический разряд в газе; самостоятельный разряд Электрический разряд в газе, не требующий для своего поддержания образования в разрядном промежутке заряженных частиц за счет действия внешних факторов … Политехнический терминологический толковый словарь
РАЗРЯД — (1) аккумулятора режим, обратный (см.) аккумуляторной батареи, определяемый её электроёмкостью и состоящий в длительной отдаче накопленной электрической энергии при включении полезной нагрузки (внешней цепи). Нельзя допускать Р. кислотного… … Большая политехническая энциклопедия
самостоятельный газовый разряд — — [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN self maintaining [self sustaining] gas discharge … Справочник технического переводчика
Электрический разряд — Электрический разряд процесс протекания электрического тока связанный со значительным увеличением электропроводимости среды относительно его нормального состояния. Увеличение электропроводности обеспечивается наличием дополнительных… … Википедия
тлеющий разряд — Самостоятельный разряд, при котором электрическое поле в разрядном промежутке определяется в основном величиной и расположением объемных зарядов и который характеризуется наличием катодного падения потенциала, значительно большего, чем… … Справочник технического переводчика
ТЛЕЮЩИЙ РАЗРЯД — самостоятельный электрич. разряд в газе, отличающийся сравнительно малой плотностью тока на катоде и большим катодным падением потенциала. Поддерживается электронной эмиссией с катода под действием ударов положит. ионов и фотоэлектронной эмиссией … Естествознание. Энциклопедический словарь
Дуговой разряд — один из типов стационарного электрического разряда в газах (См. Электрический разряд в газах). Впервые наблюдался между двумя угольными электродами в воздухе в 1802 В. В. Петровым и независимо в 1808 09 Г. Дэви. Светящийся токовый канал… … Большая советская энциклопедия