Типичные разряды в постоянном электрическом поле

Что изучает физика газового разряда.

Исследование состояния различных плазм, включая их компонентный состав и распределение по состояниям, при заданных внешних условиях есть одна из основных задач физики низкотемпературной плазмы.

Термин “газовый разряд” происходит от обозначения процесса разряда конденсатора через цепь, включающую в себя газовый промежуток между электродами. При достаточно высоком напряжении в газе происходит пробой и возникает ионизованное состояние. Со временем разрядом стали называть всякий процесс протекания электрического тока через ионизованный газ, а также любой процесс возникновения ионизации под действием приложенного электрического поля.

Итак, современная физика газового разряда изучает процессы, связанные с протеканием электрического тока в газах, с возникновением и поддержанием под действием поля самой способности газа проводить электричество и поглощать электромагнитное излучение.

Если на электроды подать небольшое напряжение, десятки вольт, никаких видимых эффектов не произойдет, но можно зафиксировать протекание чрезвычайно слабого тока, который может быть ~10^-15 А. Под действием космического излучения и естественной радиоактивности в газе образуются заряды. Поле вытягивает их к электродам противоположного знака, что дает ток. Можно получить ток до 10^-6 А, если специально облучать газ радиоактивным или рентгеновским источниками. Но все равно соответствующая ионизация мала, чтобы газ светился. Разряд и электрический ток, которые возникают только благодаря действию постороннего ионизирующего агента или в результате эмиссии электронов или ионов с электродов под действием посторонних причин (например, вследствие накаливания катода), называются несамостоятельными. При увеличении напряжения несамостоятельный ток вначале возрастает, так как все большую часть зарядов удается вытянуть на электроды до того, как они прорекомбинируют. Но когда поле успевает вытянуть все образующиеся заряды, ток перестает расти и достигает насыщения, ибо он лимитируется скоростью образования ионов.

Далее, если увеличивать напряжение, при некотором его значении ток резко возрастает и появляется свечение. Это происходит пробой – один из важнейших разрядных процессов. Пробой начинается с некоторого числа случайных или искусственно впрыснутых электронов, когда хотят стимулировать процесс. Разряд немедленно приобретает самостоятельность и не нуждается больше в посторонней поддержке. В поле электрон ускоряется и набирает энергию. Достигнув потенциала ионизации атомов, он вырывает другой электрон, затрачивая на это приобретенную энергию. В результате такого акта ионизации появляются два медленных электрона. Они повторяют тот же цикл, и т.д. Так развивается электронная лавина и происходит размножение электронов. За время 10^-7-10^-8 с газ ионизуется заметным образом, и электрический ток вырастает на несколько порядков.

Дальнейший ход процесса зависит от ряда условий. При небольших давлениях ~ 1-10 Торр и большом сопротивлении внешней цепи, которое не позволяет течь большому току, в результате пробоя зажигается тлеющий разряд – один из наиболее распространенных типов разряда.

Практически повсюду, за исключением приэлектродных областей, ионизованный газ электронейтрален, т.е. представляет собой плазму. Это – так называемый положительный столб тлеющего разряда. Плазма в нем ионизована очень слабо, до степени ионизации ~ 10^-8 – 10^-6, и в двух отношениях неравновесна. Электроны, непосредственно приобретающие энергию от поля, обладают средней энергией ~ 1 эВ и температурой Т_е ~ 10⁴ К. Между тем температура газа, в том числе и ионов Т_g, не на много превышает температуру окружающей среды ~ 300 К. Такое неравновесное состояние с сильным отрывом электронной и газовой температуры поддерживается из-за малой скорости выделения джоулева тепла при относительно большой теплоемкости газа и скорости его естественного охлаждения. Неравновесна и степень ионизации. Она на несколько порядков ниже термодинамически равновесной величины, соответствующей температуре электронов. Это происходит из-за большой скорости гибели зарядов в холодном газе.

Если давление газа велико, порядка атмосферного, а сопротивление внешней цепи мало, так что цепь может пропустить большой ток, вскоре после пробоя обычно зажигается дуговой разряд. Для дуги характерны сильный ток (I > 1А), низкое напряжение (десятки вольт) и ярко светящийся столб. В дуге выделяется большая мощность, поэтому, зажигая дуговой разряд в замкнутом сосуде, нужно позаботиться об интенсивном отводе тепла от его стенок. В дуге атмосферного давления обычно образуется термодинамически равновесная, так называемая низкотемпературная плазма с Т_e ~ T_g ~ 10⁴ K и соответствующей таким температурам равновесной степенью ионизации 10^-3 – 10^-1. Дуговой разряд существенно отличается от тлеющего разряда механизмом электронной эмиссии с катода. В тлеющем разряде электроны вырываются с поверхности холодного металла под действием вытягиваемых на катод положительных ионов. В дуговом разряде из-за сильного тока катод разогревается либо по всей поверхности, либо локально, и происходит термоэлектронная эмиссия.

При давлениях Р ~ 1 атм, расстояниях между электродами L > 10 см и достаточно высоких напряжениях происходит искровой разряд. Пробой при этом осуществляется путем быстрого прорастания плазменного канала от одного электрода к другому. Потом происходит как бы короткое замыкание электродов сильноионизованным искровым каналом. Грандиозной формой искрового разряда является молния. В сильно неоднородных полях, недостаточных для пробоя всего промежутка, может возникать коронный разряд. Светящаяся корона появляется около острий, где концентрируется поле проводов, находящихся под напряжением, около линий электропередач.

Место тлеющего разряда среди других типов разряда можно представить с помощью рис. 1.2, на котором приведена типичная вольтамперная характеристика разряда в неоне при давлении 1 Торр.

Дата добавления: 2014-01-04