Условия зажигания тлеющего разряда

Тлеющий разряд, процессы на катоде и аноде.

Тлеющим разрядом называется самостоятельный разряд в газах с холодными электродами (катод-анод) при токах 10^–1А, падением напряжения вблизи катода не менее 100 В и диапазоне давлений 1-10⁴ Па [5]. Визуально он представляется как чередование темных и светлых участков различного цвета и интенсивности свечения между электродами.

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.

Типичная вольт-амперная характеристика (ВАХ) различных видов разрядов в газах (неоне) при давлении 133 Па приведена на рис. 7.1.

Рис. 7.1. Вольтамперные характеристики различных видов разрядов
в неоне (Р =138 Па, L =500 мм):

1 – темный» или таунсендовский, самостоятельный разряд; 2 – переход к тлеющему разряду; 3 – нормальный тлеющий разряд; 4 – аномальный тлеющий разряд;
5 – переход к дуге; 6 – дуга

В диапазоне токов 10^-1 – 1А существует нормальный тлеющий разряд, ВАХ которого есть прямая, параллельная оси тока, то есть напряжение между электродами не зависит от силы тока. Это объясняется тем, что разрядом покрывается лишь часть поверхности катода и с увеличением силы тока возрастает ее площадь так, что плотность тока остается постоянной [5].

Его отличительный признак – существование вблизи катода слоя с большим положительным объемным зарядом, сильным полем у поверхности и значительным падением потенциала U = 100÷400 В (и более). Оно называется катодным падением напряжения. Толщина слоя катодного падения обратно пропорциональна плотности (давлению) газа. Если межэлектродное расстояние достаточно велико, между катодным слоем и анодом образуется электронейтральная плазменная область, где Е относительно невелико. Серединную, однородную ее часть называют положительным столбом. От анода он отделяется анодным слоем. Положительный столб тлеющего разряда постоянного тока – это наиболее ярко выраженный и распространенный пример слабоионизированной неравновесной плазмы. В отличие от катодного слоя, без которого тлеющий разряд не существует, положительный столб не является его неотъемлемой частью[20].

При токах более 10^–1А образуется аномальный тлеющий разряд с возрастающей ВАХ. Здесь уже вся поверхность катода покрыта свечением и при увеличении силы тока плотность его также растет. При еще больших токах тлеющий разряд переходит в дуговой, ВАХ которого падающая [5].

На основании общего закона подобия газовых разрядов Пашеном установлена закономерность: потенциал, зажигания электрических разрядов зависит не отдельно от давления Р и расстояния между электродами d, а от их произведения

(7.1)

Качественно эту зависимость можно объяснить следующим образом.

Если сохранять размеры разрядного промежутка d, то с повышением давления Р, когда длина свободного пробега сокращается, должно возрастать число ионизирующих столкновений, но одновременно уменьшается и средняя скорость, приобретаемая электроном по длине свободного пробега, а это значит, что вероятность ионизации уменьшается. Поэтому должен существовать оптимум, который соответствует минимальному значению потенциала зажигания на кривой Пашена.

Если поддерживать неизменным давление, сближая электроды, то напряженность поля будет расти, что приведет к повышению интенсивности ионизации в объеме. Но при этом сокращается пространство, где рождаются лавины электронов. Значит, в этом случае имеется определенное оптимальное значение d при заданном давлении Р.

При низких значениях катодного падения потенциала U _к ионизация газа происходит в основном при соударении электронов с атомами. При высоких U _к и низких давлениях газа заметнее проявляется ионизация газе положительными ионами и быстрыми нейтральными атомами.

U,B
											P × L к,
											Па×мм

Рис. 7.2. Типичный ход кривых Пашена

1 – воздух, 2 – водород, 3 – аргон

Величина U _к в нормальном тлеющем разряде зависит от рода газа и материала катода, причем определяющим является степень чистоты газа и материала и отсутствие неоднородностей на его поверхности [20].

Поскольку форма разряда существенно определяется длиной свободного пробега зарядов (давлением) и межэлектродным расстоянием d, то при переходе к малым Р участок нормального разряда исчезает и остаются лишь горизонтальная и резко возрастающая части характеристик. При токах в несколько ампер разряд переходит в дугу.

Для каждого газа пробивное напряжение U понижается с уменьшением pd, достигает минимума при значении pd ~ 1÷10 мм рт.ст., а затем возрастает. Кривые пробоя для различных газов отличаются друг от друга.

Дата добавления: 2017-02-01