Тлеющий разряд. Общее описание тлеющего разряда.

Специфической особенностью тлеющего разряда, по сравнению с таунсендовским разрядом (разряд с холодными электродами и очень малой плотностью тока), является значительная роль электрического поля объемных зарядов. Это приводит к неравномерному распределению потенциала в разрядном промежутке и к существенному отличию напряжения зажигания от напряжения горения разряда.

Место тлеющего разряда среди других типов разряда можно представить с помощью рис. 1.

Рис. 1. Общий вид вольтамперной характеристики газового разряда и основные виды газового разряда

Таким образом, в нормальном тлеющем разряде напряжение между электродами не зависит от силы тока. В нормальном тлеющем разряде только часть поверхности катода покрыта разрядом. С увеличением силы тока часть поверхности, занимаемая разрядом, возрастает так, что плотность тока остается постоянной. Природа сил, вызывающих расширение поверхности катода, принимающей участие в разряде, остается пока не выясненной. Постоянство напряжения горения нормального тлеющего разряда при изменении в широких пределах разрядного тока используется в газоразрядных стабилизаторах напряжения — приборах, поддерживающих постоянной величину входного напряжения при изменении потребляемого схемой тока.

Характерная структура нормального тлеющего разряда показана на рис. 2. К катоду примыкают катодные части разряда, затем следует положительный столб, вблизи анода расположена сравнительно короткая анодная область.

Рис. 2. Структура тлеющего разряда:

Основные процессы, обеспечивающие самостоятельный разряд, осуществляются в катодных частях разряда и на самом катоде. Тлеющий разряд не может существовать без этих явлений. При изменении положения катода в пространстве катодные части перемещаются вместе с ним, не изменяя своей структуры. Положительный столб, напротив, не является существенной частью разряда. Если при существующем разряде приближать анод к катоду, то сокращается именно эта область разряда. Анодные части также не являются необходимыми для существования разряда, они представляют собой переходную область между положительным столбом и металлическим анодом.

В катодных частях разряда преобладающим является направленное движение заряженных частиц (электронов и положительных ионов), тогда как положительный столб представляет собой типичный пример газоразрядной неизотермической низкотемпературной плазмы, в которой доминирует хаотическое движение зарядов. В соответствии с этим роль стенок, ограничивающих ионизованный газ в катодных частях, незначительна, а в положительном столбе она является существенной.

Характерная структура нормального тлеющего разряда показана на рис. 2. К катоду примыкают катодные части разряда, затем следует положительный столб, вблизи анода расположена сравнительно короткая анодная область.

Основные процессы, обеспечивающие самостоятельный разряд, происходят в катодных частях разряда и на самом катоде. Тлеющий разряд не может существовать без этих процессов. При изменении положения катода в пространстве катодные части перемещаются вместе с ним, не изменяя своей структуры. Положительный столб, напротив, не является существенной частью разряда. Если при существующем разряде приближать анод к катоду, то сокращается именно эта область разряда. Анодные части также не являются необходимыми для существования разряда, они представляют собой переходную область между положительным столбом и металлическим анодом.

В катодных частях разряда преобладающим является направленное движение заряженных частиц (электронов и положительных ионов), тогда как положительный столб представляет собой типичный пример газоразрядной плазмы, в которой доминирует хаотическое движение зарядов. В соответствии с этим роль стенок, ограничивающих ионизованный газ в катодных частях, незначительна, а в положительном столбе она является существенной.

Прежде чем переходить к описанию явлений, происходящих в различных областях тлеющего разряда, остановимся коротко на общей характеристике процессов, обеспечивающих существование самостоятельного разряда.

Из катода эмитируются электроны вследствие бомбардировки его поверхности ионами, ускоренными сильным полем вблизи катода, и быстрыми атомами, а также вследствие фотоэффекта, возникающего благодаря рекомбинационному излучению компонентов плазмы. Эти электроны, ускоряясь в направлении анода, приобретают энергию, достаточную для ионизации атомов. Новые электроны, возникшие при ионизации газа, снова ускоряются полем, а положительные ионы летят к катоду и, бомбардируя его поверхность, вызывают эмиссию новых электронов.

Если условия ионизации газа в катодных частях и инжекции электронов из катода таковы, что каждый эмитируемый катодом электрон производит столько актов ионизации и возбуждения атомов, что в результате фотоэффекта и бомбардировки катода ионами и атомами возникает новый электрон у катода, то имеет место динамическое равновесие вновь возникающих зарядов и уходящих на катод или в положительный столб. Таким образом происходит самоподдержание процесса, разряд не зависит от посторонних источников ионизации, т. е. является самостоятельным. Роль положительного столба заключается в том, чтобы обеспечить замкнутую цепь тока в разряде. Если анод придвинут к катоду так близко, что остаются только катодные части, то замкнутая цепь тока обеспечена без положительного столба, условия регенерации заряженных частиц выполнены, и тлеющий разряд может существовать. При дальнейшем приближении анода разряд либо прекращается (гаснет), так как условия восстановления зарядов не выполнены, либо требует для своего существования более высокого анодного напряжения, при котором идут более интенсивно процессы, необходимые для самоподдержания разряда (затрудненный разряд).

Как видно из рис. 2, в тлеющем разряде можно выделить несколько характерных областей. Непосредственно к катоду примыкает темное астоново пространство. Электроны, эмитируемые катодом, имеют малые скорости (порядка электрон-вольта), которые недостаточны для возбуждения атомов газа, и поэтому вблизи катода во всех газах имеется область, где свечение газа отсутствует. В сильном электрическом поле электроны ускоряются и, пройдя астоново темное пространство, приобретают энергию, достаточную для возбуждения атомов. Светящаяся область за астоновым темным пространством соответствует энергиям электронов, близким к максимуму функции возбуждения атомов данного газа. Ионизации газа в этой области еще нет, так как вероятность ионизации при этих энергиях еще мала. Эту область называют первым катодным слоем или катодной светящейся пленкой. Излучение имеет линейчатый спектр. За катодной светящейся пленкой следует катодное темное пространство, называемое также гитторфовым или круксовым темным пространством.

Возникающие при ионизации атомов электроны ускоряются полем и движутся в стороны анода к границе отрицательного тлеющего свечения. Положительные ионы так же ускоряются полем и движутся к катоду. Поток ионов, направляющихся к катоду, можно наблюдать по вызываемому ими свечению газа за катодом, если в катоде сделать отверстие. В этом случае ионы пролетают в закатодное пространство, образуя закатодные или каналовые лучи. Если на их пути поставить цилиндр Фарадея и подавать на него положительный потенциал, тормозящий ионы, то получают данные об энергии ионов. Аналогичным образом, изучая поток электронов через отверстие в аноде, придвинутом к катодной границе катодных частей разряда, можно получить сведения о распределении электронов по энергиям.

При низких давлениях и высоких анодных напряжениях (аномальный разряд) поток электронов, движущихся к границе отрицательного свечения, почти моноэнергетический с энергией, равной еоик. Скорость движения ионов значительно меньше скорости движения электронов, благодаря чему в области катодного темного пространства возникает избыточный объемный заряд, образуемый положительными ионами. Этот заряд сильно искажает электрическое поле в этой области. Вопрос о распределении поля в тлеющем разряде, представляющего суперпозицию внешнего поля и поля объемного заряда, является важным вопросом для теории этого типа разряда.

В нормальном тлеющем разряде величина катодного падения потенциала ик зависит от степени чистоты газа и материала катода. Кроме катодного падения потенциала, нормальный тлеющий разряд характеризуется также нормальной плотностью тока i и шириной темного катодного пространства.

За областью катодного темного пространства следует отрицательное тлеющее свечение. Эта часть разряда имеет резкую границу со стороны катода и размытую со стороны анода. В ней электрическое поле мало. Ионизованный газ представляет собою почти квазинейтральную плазму, которая пронизывается потоком быстрых электронов из катодного темного пространства. На роль быстрых электронов в этой области указывает прямая связь между энергией электронов и длиной отрицательного тлеющего свечения. Кроме быстрых электронов, в отрицательном тлеющем свечении имеется значительное число медленных электронов, испытавших в катодном темном пространстве неупругие столкновения и потерявших при этом большую часть своей энергии. Эти электроны обладают энергиями, близкими к максимуму функции возбуждения, и вызывают свечение газа с линейчатым спектром, определяемым природой атомов. Кроме того, излучение отрицательного свечения может быть вызвано рекомбинацией зарядов, вероятность которой велика у медленных электронов.

В сторону анода напряженность поля несколько возрастает, и интенсивность свечения этой области разряда постепенно падает вследствие уменьшения вероятности рекомбинации. Роль ионов, возникающих в отрицательном свечении и диффундирующих в катодное темное пространство, по-видимому, невелика для поддержания нормального разряда. Их значение возрастает в аномальных разрядах с большой плотностью тока.

Следующее за отрицательным тлеющим свечением фарадеево темное пространство является переходной областью от катодных частей к положительному столбу. Здесь электроны приобретают энергию в слабом электрическом поле, но эта энергия проявляется в их хаотическом движении. В начале положительного столба она возрастает настолько, что имеет место заметное возбуждение и ионизация атомов газа электронами. Существенное отличие фарадеева темного пространства от катодного темного пространства состоит в том, что в первом энергия электронов слишком мала для возникновения свечения газа, а в последнем слишком велика.

Положительный столб тлеющего разряда представляет собой плазму с малой (относительно катодного темного пространства) напряженностью поля. При стационарном токе величина напряженности поля устанавливается такой, чтобы компенсировать потери заряженных частиц. Эти потери обусловлены либо диффузией электронов и ионов на стенки трубки (если длина положительного столба значительно больше его диаметра) или на анод и в катодные области (в случае короткого положительного столба), либо рекомбинацией носителей зарядов в объеме. При очень низких давлениях газа, когда длина свободного пробега ионов больше радиуса трубки, частицы движутся к стенкам в режиме «свободного падения» и рекомбинируют на поверхности трубки. Таким образом, положительный столб можно рассматривать как самостоятельную область разряда, существующую в известной степени независимо от катодных частей.

Положительный столб бывает не только в тлеющем разряде, но и в дуге низкого давления с накаленным катодом. Плазма высокочастотного разряда также во многом напоминает положительный столб. Свойства положительного столба в различных видах разряда низкого давления в значительной степени идентичны. Во многих случаях (по мнению некоторых исследователей) положительный столб имеет слоистую структуру в виде неподвижных или движущихся вдоль оси трубки слоев, называемых стратами.

Вблизи анода имеется узкое темное пространство и анодное свечение. Появление этих частей связано с граничными условиями на аноде. Электроны притягиваются анодом, положительные ионы отталкиваются. Перед анодом образуется отрицательный объемный заряд, вызывающий изменение потенциала порядка потенциала ионизации газа. Если приблизить анод к катоду настолько, что он попадает в фарадеево темное пространство, то анодное падение потенциала исчезает.

Цвет различных частей разряда зависит от газа, в котором он происходит. Чаще всего разряд происходит с металлическими электродами. Но он может существовать также с покрытыми стеклом металлическими электродами или с неметаллическими электродами. Электропроводность неметаллических электродов или стекла связана с их нагреванием в разряде. Физические процессы на поверхности таких электродов недостаточно изучены.

Источник

При каких условиях происходит тлеющий разряд

В зависимости от давления газа, конфигурации электродов и параметров внешней цепи существует четыре типа самостоятельных разрядов:

1. Тлеющий разряд возникает при низких давлениях. Его можно наблюдать в стеклянной трубке с впаянными у концов плоскими металлическими электродами (рис. 8.5). Вблизи катода располагается тонкий светящийся слой, называемый катодной светящейся пленкой 2.

Между катодом и пленкой находится астоново темное пространство 1. Справа от светящейся пленки помещается слабо светящийся слой, называемый катодным темным пространством 3. Этот слой переходит в светящуюся область, которую называют тлеющим свечением 4, с тлеющим пространством граничит тёмный промежуток – фарадеево тёмное пространство 5. Все перечисленные слои образуют катодную часть тлеющего разряда. Вся остальная часть трубки заполнена святящимся газом. Эту часть называют положительным столбом 6.

При понижении давления катодная часть разряда и фарадеево тёмное пространство увеличивается, а положительный столб укорачивается.

Измерения показали, что почти все падения потенциала приходятся на первые три участка разряда (астоново темное пространство, катодная святящаяся плёнка и катодное тёмное пятно). Эту часть напряжения, приложенного к трубке, называют катодным падением потенциала.

В области тлеющего свечения потенциал не изменяется – здесь напряженность поля равна нулю. Наконец, в фарадеевом тёмном пространстве и положительном столбе потенциал медленно растёт.

Такое распределение потенциала вызвано образованием в катодном темном пространстве положительного пространственного заряда, обусловленного повышенной концентрацией положительных ионов.

Положительные ионы, ускоренные катодным падением потенциала, бомбардируют катод и выбивают из него электроны. В астоновом темном пространстве эти электроны, пролетевшие без столкновений в область катодного тёмного пространства, имеют большую энергию, вследствие чего они чаще ионизируют молекулы, чем возбуждают. Т.е. интенсивность свечения газа уменьшается, но зато образуется много электронов и положительных ионов. Образовавшиеся ионы в начале имеют очень малую скорость и потому в катодном тёмном пространстве создаётся положительный пространственный заряд, что и приводит к перераспределению потенциала вдоль трубки и к возникновению катодного падения потенциала.

Электроны, возникшие в катодном тёмном пространстве, проникают в область тлеющего свечения, которая характеризуется высокой концентрацией электронов и положительных ионов коленарным пространственным зарядом, близким к нулю (плазма). Поэтому напряженность поля здесь очень мала. В области тлеющего свечения идёт интенсивный процесс рекомбинации, сопровождающийся излучением выделяющейся при этом энергии. Таким образом, тлеющее свечение есть, в основном, свечение рекомбинации.

Из области тлеющего свечения в фарадеево тёмное пространство электроны и ионы проникают за счёт диффузии. Вероятность рекомбинации здесь сильно падает, т.к. концентрация заряженных частиц невелика. Поэтому в фарадеевом тёмном пространстве имеется поле. Увлекаемые этим полем электроны накапливают энергию и часто в конце концов возникают условия, необходимые для существования плазмы. Положительный столб представляет собой газоразрядную плазму. Он выполняет роль проводника, соединяющего анод с катодными частями разряда. Свечение положительного столба вызвано, в основном, переходами возбужденных молекул в основное состояние.

2. Искровой разряд возникает в газе обычно при давлениях порядка атмосферного. Он характеризуется прерывистой формой. По внешнему виду искровой разряд представляет собой пучок ярких зигзагообразных разветвляющихся тонких полос, мгновенно пронизывающих разрядный промежуток, быстро гаснущих и постоянно сменяющих друг друга (рис. 8.6). Эти полоски называют искровыми каналами.

После того, как разрядный промежуток «пробит» искровым каналом, сопротивление его становится малым, через канал проходит кратковременный импульс тока большой силы, в течение которого на разрядный промежуток приходится лишь незначительное напряжение. Если мощность источника не очень велика, то после этого импульса тока разряд прекращается. Напряжение между электродами начинает повышаться до прежнего значения, и пробой газа повторяется с образованием нового искрового канала.

В естественных природных условиях искровой разряд наблюдается в виде молнии. На рисунке 8.7 изображен пример искрового разряда – молния, продолжительностью 0,2 ÷ 0,3 с силой тока 10 4 – 10 5 А, длиной 20 км (рис. 8.7).

3. Дуговой разряд. Если после получения искрового разряда от мощного источника постепенно уменьшать расстояние между электродами, то разряд из прерывистого становится непрерывным, возникает новая форма газового разряда, называемая дуговым разрядом (рис. 8.8).

При этом ток резко увеличивается, достигая десятков и сотен ампер, а напряжение на разрядном промежутке падает до нескольких десятков вольт. Согласно В.Ф. Литкевичу (1872 – 1951), дуговой разряд поддерживается, главным образом, за счет термоэлектронной эмиссии с поверхности катода. На практике – это сварка, мощные дуговые печи.

4. Коронный разряд (рис. 8.9).возникает в сильном неоднородном электрическом поле при сравнительно высоких давлениях газа (порядка атмосферного). Такое поле можно получить между двумя электродами, поверхность одного из которых обладает большой кривизной (тонкая проволочка, острие).

Наличие второго электрода необязательна, но его роль могут играть ближайшие, окружающие заземленные металлические предметы. Когда электрическое поле вблизи электрода с большой кривизной достигает примерно 3∙10 6 В/м, вокруг него возникает свечение, имеющее вид оболочки или короны, откуда и произошло название заряда.

Источник

Электрический ток в газах

Электропроводность газов

Газы в обычных условиях – диэлектрики. Воздух используют в технике как изолятор:

– между обкладками конденсатора;

– в контактах выключателей.

При высокой температуре и под действием ультрафиолетового, рентгеновского и гамма-излучения (внешних ионизаторов) газы становятся проводниками.

В этом легко убедиться, если взять заряженный плоский воздушный конденсатор с подключенным к нему электрометром, и нагреть воздух между пластинами.

Природа газового разряда

При внесении пламени между пластинами воздушного конденсатора происходит ионизация газа и возникновение ионов и электронов. Под действием электрического поля они начнут упорядоченно двигаться между пластинами.

Протекание тока через газ называется газовым разрядом.

Газовый разряд, протекающий под действием ионизатора, называется несамостоятельным.

С увеличением разности потенциалов между пластинами кинетическая энергия электрона возрастает настолько, что при соударении его с нейтральной молекулой газа происходит выбивание электрона. Такой процесс называется ударной ионизацией молекул газа. Число электронов и ионов растет лавинообразно, что приводит к увеличению разрядного тока.

Газовый разряд, протекающий в отсутствии ионизатора, называется самостоятельным.

Интенсивность такого газового разряда зависит от напряженности электрического поля между пластинами и давления газа.

Вольтамперная характеристика газового разряда.

ОА – только часть заряженных частиц доходит до электродов, часть их рекомбинирует;

АВ – ток почти не увеличивается (ток насыщения);

ВС – самостоятельный разряд.

Виды газовых разрядов

Искровой разряд – это прерывистый самостоятельный лавинообразный разряд в газе, вызванный ударной ионизацией и сопровождающийся треском и ярким свечением. Искровой разряд возникает при условии, когда мощность источника недостаточна для поддержания непрерывного разряда.

Дуговой разряд впервые был получен в 1802 году российским академиком В. В. Петровым. При соприкосновении электродов в цепи возникает сильный ток короткого замыкания, что приводит к сильному нагреванию электродов. Затем электроды постепенно раздвигаются. Ток продолжает идти через межэлектродное пространство, заполненное высокотемпературной плазмой. Концы электродов раскаляются до 3000-4000 градусов и начинают испаряться.

Дуговой разряд является самостоятельным разрядом в газе и происходит за счет энергии термоэлектронной эмиссии с катода. Является источником сильного светового и ультрафиолетового излучения.

Тлеющий разряд возникает в разряженном газе при сравнительно невысоком напряжении в виде светящегося газового столба. Тлеющий разряд вызывается ударной ионизацией и выбиванием электронов из катода положительными ионами (вторичная ионизация).

Свечение при тлеющем разряде объясняется тем, что при рекомбинации молекул газа высвобождается энергия в виде светового излучения. Свечение будет иметь разные цвета в зависимости от вида газа.

Коронный разряд возникает в сильно неоднородных электрических полях. Например, вблизи острия напряженность электрического поля настолько велика, что ионизация электронным ударом возможна даже при атмосферном давлении. В этой области возникает характерное сферическое свечение в виде короны.

Применение газовых разрядов

Искровой разряд используется в технике в системе зажигания двигателей внутреннего сгорания. Катушка зажигания дает напряжение 12-15 тысяч вольт. Это достаточно, чтобы между электродами свечи возникла искра для зажигания горючей смеси.

Разновидностью искрового разряда является молния.

Дуговой разряд применяется в качестве мощных источников света (прожекторов), в электроплавильных печах, для электросварки, для ультрафиолетовых излучателей.

Тлеющий разряд используется в рекламных газоразрядных трубках, в лампах дневного света, цифровых индикаторах.

В природе свечение разряженных газов наблюдается в виде полярного сияния.

Коронный разряд используется в электрофильтрах для очистки газов от примесей твердых частиц, в работе молниеотвода. В ЛЭП приводит к утечке электроэнергии.

В природе «корона» возникает иногда под действием атмосферного электричества на ветках деревьев, верхушках молниеотводов, мачт кораблей (огни святого Эльма).

Источник