Самостоятельный газовый разряд и его типы

Электропроводность газов. Основные типы газового разряда. Плазменное состояние вещества.

Газы при обычных условиях состоят из нейтральных атомов и молекул и не содержат свободных зарядов (электронов и ионов). Газ становится проводником электричества, когда некоторая часть его молекул ионизируется, т. е. произойдет расщепление нейтральных атомов и молекул на ионы и свободные электроны. Для этого газ надо подвергнуть действию какого-нибудь ионизатора. Прохождение электрического тока через газы называется газовым разрядом.

Ионизация газов может происходить под действием различных ионизаторов: сильный нагрев, короткое электромагнитное излучение, корпускулярное излучение и т. д. Для того, чтобы выбить из молекулы (атома) один электрон, необходимо затратить определённую энергию, называемую энергией ионизации.

Одновременно с процессом ионизации газа идёт и обратный процесс – процесс рекомбинации: положительные и отрицательные ионы, положительные ионы и электроны, встречаясь, воссоединяются между собой с образование нейтральных атомов и молекул.

Характер газового разряда определяется составом газа, его температурой и давлением, размерами, конфигурацией и материалом электродов, приложенным напряжением, плотностью тока.

Разряд в газе, сохраняющийся после действия внешнего ионизатора, называется самостоятельным.

1. Тлеющий разряд возникает при низких давлениях. Если к электродам, впаянным в стеклянную трубку длиной 30-50 см, приложить постоянное напряжение в несколько сотен вольт, постепенно откачивая из трубки воздух, то при давлении 5,36,7 кПа возникает разряд в виде святящегося извилистогошнура. При дальнейшемпонижении давления шнур утолщается, и при давлении 13 Па разряд имеет вид, схематически

изображённый на рис. 5:

2. Искровой разряд возникает при больших напряжённостях электрического поля в газе, находящемся под давлением порядка атмосферного. Искра имеет вид ярко светящегося тонкого канала, сложным образом разветвлённого и изогнутого.

Объяснение искрового разряда даётся на основе стримерной теории, согласно которой возникновению ярко светящегося канала искры предшествует появление слабосветящихся скоплений ионизированного газа – стримеров. Стримеры возникают в результате образования электронных лавин посредством ударной ионизации и в результате фотонной ионизации газа. Лавины, догоняя друг друга, образуют проводящие мостики из стримеров, по которым в следующие моменты времени устремляются мощные потоки электронов, образующие каналы искрового разряда.

3. Дуговой разряд. Если после зажигания искрового разряда от мощного источника постепенно уменьшать расстояние между электродами, то разряд становится непрерывным – возникает дуговой разряд. При этом сила тока резко возрастает, достигая сотен ампер, а напряжение на разрядном промежутке падает до нескольких десятков вольт. Дуговой разряд можно получить от источника низкого напряжения минуя стадию искры.

По современным представлениям, дуговой разряд поддерживается за счёт высокой температуры катода из-за интенсивной термоэлектронной эмиссии, а также термической ионизацией молекул, обусловленной высокой температурой газа.

4. Коронный разряд – высоковольтный электрический разряд при высоком (например, атмосферном) давлении в резко неоднородном поле вблизи электродов с большой кривизной поверхности. Когда напряжённость поля вблизи острия достигает 30 кВ/см, то вокруг него возникает свечение, имеющее вид короны, чем и вызвано название этого вида разряда.

В зависимости от знака коронирующего разряда различают отрицательную или положительную корону. В случае отрицательной короны рождение электронов, вызывающих ударную ионизацию молекул газа, происходит за счёт эмиссии их из катода под действием положительных ионов, в случае положительной – в следствие ионизации газа вблизи анода.

Плазма и её типы

Плазмой называется сильно ионизированный газ, в котором концентрации положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы. Различают высокотемпературную плазму, возникающую при сверхвысоких температурах, и газоразрядную плазму, возникающую при газовом разряде. Плазма характеризуется степенью ионизации - отношением числа ионизированных частиц к полному их числу в единице объёма плазмы. В зависимости от величины говорят о слабо (составляет доли процента), умеренно (- несколько процентов) и полностью (близко к 100%) ионизированной плазме.

Заряжённые частицы (электроны, ионы) газоразрядной плазмы, находясь в ускоряющем электрическом поле, обладают различной средней кинетической энергией. Это и означает, что температура электронного газа одна, а ионного - другая, причём >.

Несоответствие этих температур указывает на то, что газоразрядная плазма является неравновесной, поэтому она называется также неизотермической. Убыль числа заряжённых частиц в процессе рекомбинации в газоразрядной плазме восполняется ударной ионизацией электронами, ускоренными электрическим полем. Прекращение действия электрического поля приводит к исчезновению газоразрядной плазмы.

Высокотемпературная плазма является равновесной, или изотермической, т. е. при определённой температуре убыль числа заряжённых частиц восполняется в результате термической ионизации. В такой плазме соблюдается равенство средних кинетических энергий составляющих плазму различных частиц. В состоянии подобной плазмы находятся звёзды, звездные атмосферы, Солнце.

Условием существования плазмы является некоторая минимальная плотность заряжённых частиц, начиная с которой можно говорить о плазме, как о таковой. Эта плотность определяется в физике плазмы из неравенства ‡, где - линейный размер системы заряжённых частиц, - так называемый дебаевский радиус экранирования, представляющий собой то расстояние, на котором происходит экранирование кулоновского поля любого заряда плазмы.

Плазма обладает следующими свойствами: высокой степенью ионизации газа, в пределе – полной ионизацией; равенством нулю результирующего пространственного заряда; большой электропроводностью, причём ток в плазме создаётся в основном электронами, как наиболее подвижными частицами; свечением; сильным взаимодействием с электрическим и магнитным полями; колебанием ионов в плазме с большой частотой (Гц), вызывающими общее вибрационное состояние плазмы; “коллективным” – одновременным взаимодействием громадного числа частиц. Эти свойства определяют качественное состояние плазмы, позволяющее считать её особым, четвёртым состоянием вещества.

Дата добавления: 2014-01-04