Jonizacja gazów. Niesamodzielne i samowystarczalne wyładowanie gazu

LABORATORIUM #2.5

„Badanie wyładowania gazu za pomocą tyratronu”

Cel: badanie procesów zachodzących w gazach podczas samopodtrzymującego i samopodtrzymującego się wyładowania w gazach, badanie zasady działania tyratronu, budowanie charakterystyk prądowo-napięciowych i rozruchowych tyratronu.

CZĘŚĆ TEORETYCZNA

Jonizacja gazów. Niesamodzielne i samowystarczalne wyładowanie gazu

Atomy i cząsteczki gazów w normalnych warunkach życia codziennego są elektrycznie obojętne, tj. nie zawierają nośników wolnych ładunków, co oznacza, że ​​podobnie jak szczelina próżniowa nie powinny przewodzić prądu. W rzeczywistości gazy zawsze zawierają pewną ilość wolnych elektronów, jonów dodatnich i ujemnych, dlatego chociaż słabo przewodzą prąd. obecny.

Nośniki ładunków swobodnych w gazie powstają zwykle w wyniku wyrzucania elektronów z powłoki elektronowej atomów gazu, tj. w rezultacie jonizacja gaz. Jonizacja gazu jest wynikiem oddziaływania energii zewnętrznej: ogrzewania, bombardowania cząstkami (elektrony, jony itp.), promieniowania elektromagnetycznego (ultrafioletowego, rentgenowskiego, radioaktywnego itp.). W tym przypadku gaz znajdujący się między elektrodami przewodzi prąd elektryczny, który nazywa się wyładowanie gazu. Moc czynnik jonizujący ( jonizator) to liczba par przeciwnie naładowanych nośników ładunku wynikających z jonizacji na jednostkę objętości gazu na jednostkę czasu. Wraz z procesem jonizacji zachodzi również proces odwrotny - rekombinacja: oddziaływanie przeciwnie naładowanych cząstek, w wyniku którego pojawiają się elektrycznie obojętne atomy lub cząsteczki i emitowane są fale elektromagnetyczne. Jeśli przewodność elektryczna gazu wymaga obecności zewnętrznego jonizatora, wówczas nazywa się takie wyładowanie zależny. Jeżeli przyłożone pole elektryczne (EF) jest wystarczająco duże, to liczba nośników swobodnych ładunków powstałych w wyniku jonizacji uderzeniowej pod wpływem pola zewnętrznego jest wystarczająca do utrzymania wyładowania elektrycznego. Takie wyładowanie nie wymaga zewnętrznego jonizatora i nazywa się niezależny.

Rozważmy charakterystykę prądowo-napięciową (CVC) wyładowania gazowego w gazie znajdującym się między elektrodami (rys. 1).

W przypadku niesamodzielnego wyładowania gazowego w obszarze słabych pól elektrycznych (I) liczba ładunków powstałych w wyniku jonizacji jest równa liczbie ładunków rekombinujących ze sobą. Dzięki tej dynamicznej równowadze koncentracja nośników ładunków swobodnych w gazie pozostaje praktycznie stała i w efekcie Prawo Ohma (1):

gdzie mi jest natężeniem pola elektrycznego; n– koncentracja; J to aktualna gęstość.

oraz ( ) to odpowiednio ruchliwość dodatnich i ujemnych nośników ładunku;<υ > to prędkość dryfu skierowanego ruchu ładunku.

W obszarze wysokiego EC (II) obserwuje się nasycenie prądem w gazie (I), ponieważ wszystkie nośniki wytworzone przez jonizator uczestniczą w dryfie ukierunkowanym, w tworzeniu prądu.

Wraz z dalszym wzrostem pola (III), nośniki ładunku (elektrony i jony), poruszające się w przyspieszonym tempie, jonizują neutralne atomy i cząsteczki gazu ( jonizacja uderzeniowa), co skutkuje powstaniem dodatkowych nośników ładunku i powstaniem lawina elektroniczna(elektrony są lżejsze od jonów i znacznie przyspieszane w EP) – gęstość prądu wzrasta ( wzmocnienie gazowe). Gdy zewnętrzny jonizator zostanie wyłączony, wyładowanie gazu zostanie zatrzymane z powodu procesów rekombinacji.

W wyniku tych procesów powstają przepływy elektronów, jonów i fotonów, lawinowo rośnie liczba cząstek, następuje gwałtowny wzrost prądu przy praktycznie zerowym wzmocnieniu pola elektrycznego między elektrodami. Powstaje niezależne wyładowanie gazu. Nazywa się przejście od niespójnego wyładowania gazu do niezależnego e-mail awaria, a napięcie między elektrodami , gdzie D- odległość między elektrodami nazywa się napięcie przebicia.

Na e-mail rozpadu, konieczne jest, aby elektrony na swojej drodze miały czas na uzyskanie energii kinetycznej przekraczającej potencjał jonizacji cząsteczek gazu, a z drugiej strony, aby jony dodatnie na swojej drodze miały czas na uzyskanie energii kinetycznej większej niż funkcja pracy materiału katody. Ponieważ średnia droga swobodna zależy od konfiguracji elektrod, odległości między nimi d i liczby cząstek na jednostkę objętości (a w konsekwencji od ciśnienia), zapłon samopodtrzymującego się wyładowania można kontrolować poprzez zmianę odległość między elektrodami D przy niezmienionej konfiguracji i zmianie ciśnienia P. Jeśli praca Pd okazuje się być taki sam, inne rzeczy są takie same, to charakter obserwowanego rozpadu powinien być taki sam. Ten wniosek znalazł odzwierciedlenie w eksperymentalnym prawo e (1889) niemiecki. fizyka F. Paszen(1865–1947):

Napięcie zapłonu wyładowania gazowego dla danej wartości iloczynu ciśnienia gazu i odległości między elektrodami Pd jest wartością stałą charakterystyczną dla danego gazu .

Istnieje kilka rodzajów samorozładowania.

wyładowanie jarzeniowe występuje przy niskim ciśnieniu. Jeżeli do elektrod przylutowanych do szklanej rurki o długości 30–50 cm przyłoży się stałe napięcie kilkuset woltów, stopniowo wypompowując powietrze z rurki, to przy ciśnieniu 5,3–6,7 kPa następuje wyładowanie w postaci świecącego kręty czerwonawy przewód biegnący od katody do anody. Przy dalszym spadku ciśnienia włókno gęstnieje, a przy ciśnieniu » 13 Pa wyładowanie ma postać pokazaną schematycznie na ryc. 2.

Cienka warstwa świecąca jest przymocowana bezpośrednio do katody 1 - film katodowy , a następnie 2 - katoda ciemna przestrzeń , przechodząc dalej w warstwę świetlną 3 – tlący się blask , który ma ostrą granicę po stronie katody, stopniowo zanikając po stronie anody. Warstwy 1-3 tworzą katodową część wyładowania jarzeniowego. Podąża za tlącym się blaskiem ciemna przestrzeń Faradaya 4. Pozostała część tuby wypełniona jest gazem świetlnym - pozytywny post - 5.

Potencjał zmienia się nierównomiernie wzdłuż rurki (patrz rys. 2). Prawie cały spadek napięcia występuje w pierwszych odcinkach wyładowania, łącznie z ciemną przestrzenią katodową.

Główne procesy niezbędne do utrzymania wyładowania zachodzą w jego części katodowej:

1) jony dodatnie, przyspieszane spadkiem potencjału katodowego, bombardują katodę i wybijają z niej elektrony;

2) elektrony są przyspieszane w części katodowej i uzyskują wystarczającą energię oraz jonizują cząsteczki gazu. Powstaje wiele elektronów i jonów dodatnich. W obszarze tlącym się zachodzi intensywna rekombinacja elektronów i jonów, uwalniana jest energia, której część trafia do dodatkowej jonizacji. Elektrony, które wniknęły w ciemną przestrzeń Faradaya, stopniowo akumulują energię, dzięki czemu powstają warunki niezbędne do istnienia plazmy (wysoki stopień jonizacji gazu). Kolumna dodatnia to plazma wyładowcza. Działa jako przewodnik łączący anodę z katodą. Świecenie kolumny dodatniej jest spowodowane głównie przejściami wzbudzonych cząsteczek do stanu podstawowego. Podczas takich przejść cząsteczki różnych gazów emitują promieniowanie o różnych długościach fal. Dlatego blask kolumny ma kolor charakterystyczny dla każdego gazu. Służy do robienia świetlówek. Rurki neonowe dają czerwoną poświatę, rurki argonowe niebieskawo-zielone.

wyładowanie łukowe obserwowane przy normalnym i podwyższonym ciśnieniu. W tym przypadku prąd osiąga dziesiątki i setki amperów, a napięcie w szczelinie gazowej spada do kilkudziesięciu woltów. Takie wyładowanie można uzyskać ze źródła niskiego napięcia, jeśli elektrody są najpierw zbliżone do siebie, aż do zetknięcia. W miejscu styku elektrody są silnie nagrzewane przez ciepło Joule'a, a po ich oddzieleniu od siebie katoda staje się źródłem elektronów z powodu emisji termojonowej. Głównymi procesami wspomagającymi wyładowanie to emisja termojonowa z katody oraz termiczna jonizacja cząsteczek spowodowana wysoką temperaturą gazu w szczelinie międzyelektrodowej. Niemal cała przestrzeń międzyelektrodowa wypełniona jest plazmą wysokotemperaturową. Służy jako przewodnik, przez który elektrony emitowane przez katodę docierają do anody. Temperatura plazmy wynosi ~6000 K. Wysoka temperatura katody jest utrzymywana przez bombardowanie jej jonami dodatnimi. Z kolei anoda pod wpływem szybkich elektronów padających na nią ze szczeliny gazowej nagrzewa się mocniej i może nawet stopić, a na jej powierzchni tworzy się wgłębienie - krater - najjaśniejsze miejsce łuku. Łuk elektryczny został po raz pierwszy otrzymany w 1802. Rosyjski fizyk W. Pietrow (1761–1834), który jako elektrody użył dwóch kawałków węgla. Gorące elektrody węglowe dawały olśniewający blask, a między nimi pojawiła się jasna kolumna świetlistego gazu - łuk elektryczny. Wyładowanie łukowe jest wykorzystywane jako źródło jasnego światła w reflektorach projekcyjnych, a także do cięcia i spawania metali. Istnieje wyładowanie łukowe z zimną katodą. Elektrony pojawiają się w wyniku emisji pola z katody, temperatura gazu jest niska. Jonizacja cząsteczek następuje w wyniku uderzeń elektronów. Pomiędzy katodą a anodą pojawia się plazma wyładowcza.

wyładowanie iskrowe występuje między dwiema elektrodami przy dużym natężeniu pola elektrycznego między nimi . Między elektrodami przeskakuje iskra w postaci jasno świecącego kanału, łączącego obie elektrody. Gaz w pobliżu iskry nagrzewa się do wysokiej temperatury, pojawia się różnica ciśnień, co prowadzi do pojawienia się fal dźwiękowych, charakterystycznego pęknięcia.

Pojawienie się iskry poprzedza powstanie lawin elektronowych w gazie. Przodkiem każdej lawiny jest elektron przyspieszający w silnym polu elektrycznym i powodujący jonizację cząsteczek. Powstałe elektrony z kolei przyspieszają i wytwarzają kolejną jonizację, następuje lawinowy wzrost liczby elektronów - lawina.

Powstałe jony dodatnie nie odgrywają znaczącej roli, ponieważ są nieruchome. Lawiny elektronowe przecinają się i tworzą kanał przewodzący serpentyna, wzdłuż którego elektrony pędzą od katody do anody - jest awaria.

Błyskawica jest przykładem silnego wyładowania iskrowego. Różne części chmury burzowej niosą ładunki różnych znaków ("-" jest skierowane w stronę Ziemi). Dlatego też, jeśli chmury zbliżają się do siebie z przeciwnie naładowanymi częściami, następuje między nimi przebicie iskry. Różnica potencjałów między naładowaną chmurą a Ziemią wynosi ~10 8 V.

Wyładowanie iskier służy do inicjowania wybuchów i procesów spalania (świece w silnikach spalinowych), do rejestracji naładowanych cząstek w licznikach iskier, do obróbki powierzchni metalowych itp.

Wyładowanie koronowe (wieńcowe) występuje między elektrodami o różnej krzywiźnie (jedna z elektrod to cienki drut lub szpic). W wyładowaniu koronowym jonizacja i wzbudzenie cząsteczek zachodzi nie w całej przestrzeni międzyelektrodowej, ale w pobliżu końcówki, gdzie intensywność jest duża i przekracza mi awaria. W tej części gaz się świeci, poświata ma postać korony otaczającej elektrodę.

Plazma i jej właściwości

Osocze nazywany jest gazem silnie zjonizowanym, w którym koncentracja ładunków dodatnich i ujemnych jest prawie taka sama. Wyróżnić plazma wysokotemperaturowa , który występuje w ultrawysokich temperaturach, oraz plazma gazowo-wyładowcza wynikające z wyładowania gazu.

Plazma ma następujące właściwości:

Wysoki stopień jonizacji, w granicy - pełna jonizacja (wszystkie elektrony są oddzielone od jąder);

Stężenie cząstek dodatnich i ujemnych w plazmie jest praktycznie takie samo;

wysoka przewodność elektryczna;

blask;

Silne oddziaływanie z polami elektrycznymi i magnetycznymi;

Oscylacje elektronów w plazmie o wysokiej częstotliwości (>10 8 Hz), powodujące ogólne drgania plazmy;

Jednoczesne oddziaływanie ogromnej liczby cząstek.

Omawiany powyżej proces powstawania i powstawania lawin na skutek jonizacji uderzeniowej nie traci charakteru wyładowania niesamodzielnego, ponieważ w przypadku wyłączenia zewnętrznego jonizatora wyładowanie szybko zanika.

Jednak pojawienie się i powstanie lawiny ładunków nie ogranicza się do procesu jonizacji uderzeniowej. Przy dalszym, stosunkowo niewielkim wzroście napięcia, na elektrodach szczeliny gaz-wyładowanie jony dodatnie nabierają większej energii i uderzając w katodę, wybijają z niej elektrony wtórna emisja elektronów . Powstające swobodne elektrony na drodze do anody powodują jonizację uderzeniową cząsteczek gazu. Jony dodatnie w drodze do katody w polach elektrycznych same jonizują cząsteczki gazu.

Jeżeli każdy elektron wyrzucany z katody może być przyspieszany i wytwarzać jonizację uderzeniową cząsteczek gazu, to wyładowanie będzie utrzymywane nawet po ustaniu działania jonizatora zewnętrznego. Nazywa się napięcie, przy którym rozwija się niezależne wyładowanie napięcie zamknięcia.

Na podstawie tego, co zostało powiedziane, niezależne wyładowanie nazwiemy takie wyładowanie gazowe, w którym nośniki prądu powstają w wyniku tych procesów w gazie, które są wynikiem napięcia przyłożonego do gazu. Tych. to wyładowanie trwa nawet po zakończeniu działania jonizatora.

Gdy szczelina międzyelektrodowa jest pokryta całkowicie przewodzącą plazmą gazowo-wyładowczą, to awaria . Nazywa się napięcie, przy którym następuje przebicie przerwy międzyelektrodowej napięcie przebicia. A odpowiednia siła pola elektrycznego nazywa się napięcie przebicia.

Rozważmy warunki pojawienia się i utrzymania niezależnego rozładowania.

Przy wysokich napięciach między elektrodami w szczelinie gazowej prąd znacznie wzrasta. Wynika to z faktu, że elektrony powstające pod działaniem zewnętrznego jonizatora, silnie przyspieszane przez pole elektryczne, zderzają się z cząsteczkami gazu obojętnego i jonizują je. W wyniku tego elektrony wtórne oraz jony dodatnie(proces 1, rysunek 8.4). Jony dodatnie poruszają się w kierunku katody, a elektrony w kierunku anody. Elektrony wtórne ponownie jonizują cząsteczki gazu, a w konsekwencji całkowita liczba elektronów i jonów wzrośnie, gdy elektrony będą przemieszczać się w kierunku anody jak lawina. To jest powód wzrostu prądu elektrycznego. Opisany proces nazywa się jonizacja uderzeniowa.

Jednak jonizacja uderzeniowa pod działaniem elektronów nie jest wystarczająca do utrzymania rozładowania po usunięciu zewnętrznego jonizatora. W tym celu konieczne jest, aby lawiny elektronowe były „odtwarzalne”, tj. aby nowe elektrony pojawiły się w gazie pod wpływem niektórych procesów. Są to następujące procesy:

• jony dodatnie przyspieszane przez pole elektryczne, uderzając w katodę, wybijają z niej elektrony (proces 2);
• jony dodatnie, zderzając się z cząsteczkami gazu, przenoszą je do stanu wzbudzonego; przejściu takich cząsteczek do stanu podstawowego towarzyszy emisja fotonów (proces 3);
• foton zaabsorbowany przez obojętną cząsteczkę jonizuje ją, zachodzi proces fotonowej jonizacji cząsteczek (proces 4);
• wybijanie elektronów z katody pod działaniem fotonów (proces 5);
• wreszcie przy znacznych napięciach między elektrodami w szczelinie gazowej następuje moment, w którym jony dodatnie, które mają krótszą średnią drogę swobodną niż elektrony, nabierają energii wystarczającej do jonizacji cząsteczek gazu (proces 6), a lawiny jonowe pędzą na ujemną płytę . Gdy oprócz lawin elektronowych występują również lawiny jonowe, prąd wzrasta prawie bez zwiększania napięcia.

Proces przekazywania wiadomości e-mail. prąd przez gaz tzw. wyładowanie gazu.

Istnieją 2 rodzaje zrzutów: niezależne i niezależne.

Jeśli powstaje przewodność elektryczna gazu. zewnętrzny jonizatory, a następnie el. prąd w nim się nazywa. najbardziej. wyładowanie gazu. V

Rozważać. e-mail schemat, komp. z kondensatora, galwanometru, woltomierza i źródła prądu.

Pomiędzy płytami płaskiego kondensatora znajduje się powietrze pod ciśnieniem atmosferycznym i pomieszczenie t. Jeśli do kondensatora zostanie przyłożone U równe kilkaset woltów, a jonizator nie działa, to galwanometr prądowy nie rejestruje się, gdy tylko zaczyna przenikać przestrzeń między płytami. przepływ promieni UV, galwanometr rozpocznie rejestrację. obecny. Jeśli źródło prądu zostanie wyłączone, przepływ prądu przez obwód zostanie zatrzymany, prąd ten jest niesamodzielnym wyładowaniem.

j = γ*E - Prawo Ohma dla el. prąd w gazach.

Z dostatecznie silnym e. pole w gazie rozpoczyna proces samojonizacji, dzięki któremu prąd może istnieć przy braku zewnętrznego jonizatora. Ten rodzaj prądu nazywany jest niezależnym wyładowaniem gazowym. Procesy samojonizacji w ujęciu ogólnym są następujące. W naturze. konw. Gaz zawsze zawiera niewielką ilość wolnych elektronów i jonów. Tworzą je takie natury. jonizatory, jak przestrzeń. promienie, promieniowanie substancji promieniotwórczych, soda w glebie i wodzie. Dość silny e-mail. pole może przyspieszać te cząstki do takich prędkości, przy których ich energia kinetyczna przekracza energię jonizacji, gdy elektrony i jony zderzają się na drodze do elektrod z neutronami. molekuły zjonizują te molekuły. przyb. po zderzeniu nowe wtórne elektrony i jony również przyspieszają. pola i z kolei jonizują nowe neutrony. molekuły. Opisana samojonizacja gazów nazywana jest polerowaniem udarowym. Swobodne elektrony powodują jonizację uderzeniową już przy E=10 3 V/m. Z drugiej strony jony mogą powodować jonizację uderzeniową tylko przy E=105 V/m. Różnica ta wynika z wielu przyczyn, w szczególności z faktu, że średnia droga swobodna elektronów jest znacznie dłuższa niż dla jonów. Dlatego jony uzyskują energię niezbędną do jonizacji uderzeniowej przy mniejszym natężeniu pola niż jony. Jednak nawet przy niezbyt silnych polach „+” jony odgrywają ważną rolę w autojonizacji. Faktem jest, że energia tych jonów wynosi około. wystarczy, aby wybić elektrony z metali. Dlatego jony rozproszone przez pole „+”, uderzając w metalową katodę źródła pola, wybijają elektrony z katody. Te wybite elektrony pola i wytwarzają jonizację uderzeniową cząsteczek. Jony i elektrony, których energia jest niewystarczająca do jonizacji uderzeniowej, mogą jednak doprowadzić je do wzbudzenia podczas zderzenia z cząsteczkami. stan, to znaczy spowodować pewne zmiany energii w e-mailu. muszle neutralne atomy i cząsteczki. Ekscytuj. atom lub cząsteczka po pewnym czasie przechodzi w stan normalny, podczas gdy emituje foton. Emisja fotonów przejawia się w blasku gazów. Dodatkowo foton, absorbuje. każda z cząsteczek gazu może go zjonizować, ten rodzaj jonizacji nazywa się fotojonizacja. Niektóre fotony uderzają w katodę, mogą wybijać z niej elektrony, co z kolei powoduje jonizację uderzeniową neutronu. molekuły.

W wyniku zderzenia i jonizacji fotonów oraz wybicia elektronów z kodu „+” przez jony przez fotony, liczba fotonów i elektronów w całej objętości gazu gwałtownie wzrasta (podobnie jak lawinowo), a jonizator zewnętrzny nie jest potrzebne do istnienia prądu w gazie, a wyładowanie staje się niezależny. CVC wyładowania gazu jest następujący.

Gazy, w przeciwieństwie do metali i elektrolitów, składają się z elektrycznie obojętnych atomów i cząsteczek i w normalnych warunkach nie zawierają wolnych nośników prądu (elektronów i jonów). Więc gazy w normalnych warunkach są dielektrykami.

Nośniki prądu elektrycznego w gazach mogą powstać tylko w procesie jonizacji gazów, tj. podczas tworzenia się jonów w gazie.

Proces jonizacji gazy powstają pod wpływem wpływów zewnętrznych (zewnętrznych jonizatorów): silnego ogrzewania, ultrafioletu i promieni rentgenowskich.

Proces jonizacji gazu jest w tym, że pod działaniem jonizatorów jeden lub więcej elektronów zostaje oderwanych od atomów. W rezultacie zamiast obojętnego atomu powstaje jon dodatni i elektron. Niektóre z utworzonych elektronów mogą być następnie wychwycone przez inne neutralne atomy, a następnie pojawiają się jony naładowane ujemnie. Oderwanie elektronu od atomu wymaga wydatkowania pewnej energii - energii jonizacji Wi, którą mierzy się pracą przeciw sile przyciągania elektronu przez jądro atomowe: Wi = eUi, gdzie e jest ładunkiem elektronu , Ui to potencjał jonizacji danej substancji.

Energia jonizacji zależy od chemicznej natury gazu i stanu energetycznego elektronu w atomie

Elektrony i jony dodatnie, które powstały podczas działania jonizatora, przez długi czas nie mogą istnieć oddzielnie i w zderzeniach ponownie tworzą neutralne atomy lub cząsteczki.. Zjawisko to nazywa się rekombinacja(przeciwieństwo jonizacji). Dlatego po zakończeniu działania jonizatora prąd elektryczny w gazie znika.

Jeśli podczas jonizacji potrzebna jest energia do oderwania elektronu od atomu, to podczas rekombinacji energia ta uwalniana jest głównie w postaci promieniowania świetlnego. Przy wystarczającej intensywności rekombinacji prądowi elektrycznemu w gazach towarzyszy zauważalna poświata.

Przy ciągłym działaniu jonizatora i braku pola elektrycznego w gazie ustala się ruchoma równowaga między jonizacją cząsteczek a rekombinacją jonów, charakteryzujący się pewną koncentracją jonów.

Mechanizm przewodnictwa elektrycznego gazów.

Gdy zjonizowany gaz zostanie umieszczony w polu elektrycznym, siły elektryczne działają na swobodne ładunki i dryfują równolegle do linii napięcia: elektrony i jony ujemne - do anody, jony dodatnie - do katody. Na elektrodach jony zamieniają się w neutralne atomy, oddając lub przyjmując elektrony, uzupełniając w ten sposób obwód. W gazie generowany jest prąd elektryczny. Prąd elektryczny w gazach nazywany jest wyładowaniem gazowym. W ten sposób, przewodnictwo gazów ma jonowo-elektroniczny postać.

wyładowanie gazu jest dwojakiego rodzaju:

1. Niezależny wyładowanie gazu.

2. zależny wyładowanie gazu.

zależny jeśli powstaje pod wpływem jakichkolwiek czynników zewnętrznych.

Wyładowanie gazowe (przewodność gazu) nazywa się niezależny, jeśli powstaje w gazie pod wpływem samego pola elektrycznego, które istnieje między elektrodami (anodą i katodą).

Niesamodzielne wyładowanie gazu

Jeśli przewodnictwo elektryczne gazu tworzą zewnętrzne jonizatory, wówczas powstający w nim prąd elektryczny nazywa się niesamodzielnym wyładowaniem gazowym. Wraz z zakończeniem działania jonizatorów zewnętrznych, niesamodzielne wyładowanie ustaje. Niesamodzielnemu wyładowaniu gazu nie towarzyszy żarzenie gazu.

Na ryc. przedstawia wykres zależności natężenia prądu od napięcia dla niesamodzielnego wyładowania w gazie. Do wykreślenia wykresu użyto szklanej rurki z dwoma metalowymi elektrodami wlutowanymi w szkło. Łańcuch składa się tak, jak pokazano na zdjęciu.

1. Po przyłożeniu różnicy potencjałów w rurze powstaje prąd elektryczny.

2. Przy niewielkiej różnicy potencjałów nie wszystkie powstałe jony docierają do elektrod.

3. Wraz ze wzrostem różnicy potencjałów (napięcia) między elektrodami rury wzrasta proporcja naładowanych cząstek docierających do elektrod. Zwiększa to również prąd w obwodzie.

4. Przy określonym napięciu dochodzi do punktu, w którym wszystkie naładowane cząstki utworzone w gazie przez jonizator w ciągu sekundy docierają do elektrod w tym samym czasie. W takim przypadku nie ma dalszego wzrostu prądu. Ten maksymalny prąd nazywa się prąd nasycenia .

5. Jeśli działanie jonizatora zostanie zatrzymane, prąd w obwodzie również się zatrzyma, tj. wyładowanie gazowe, ponieważ nie ma innych źródeł jonów. Jeśli usuniesz zewnętrzny jonizator, nie tworzą się nowe jony, a te, które istnieją, dotrą do elektrody lub zrekombinują.

Niezależne wyładowanie gazu

Nazywa się wyładowanie elektryczne w gazie, które utrzymuje się po zakończeniu działania zewnętrznego jonizatora niezależne wyładowanie gazu. Do jego realizacji konieczne jest, aby w wyniku samego wyładowania w gazie stale tworzyły się bezpłatne ładunki. Głównym źródłem ich występowania jest uderzeniowa jonizacja cząsteczek gazu.

Jeśli po osiągnięciu nasycenia będziemy nadal zwiększać różnicę potencjałów między elektrodami, to siła prądu przy wystarczająco wysokim napięciu gwałtownie wzrośnie (patrz rys. i wykres 2).

W konsekwencji w gazie pojawia się dodatkowe źródło tworzenia jonów. Natężenie prądu może wzrosnąć setki i tysiące razy, a liczba naładowanych cząstek, które pojawiają się podczas wyładowania, może być tak duża, że ​​do podtrzymania wyładowania nie jest już potrzebny zewnętrzny jonizator. Dlatego jonizator można teraz usunąć.

Dominującą rolę zaczyna odgrywać potencjalna różnica między katodą a anodą. Im większa różnica potencjałów między elektrodami, tym większe natężenie pola elektrycznego. Energia kinetyczna elektronu przed kolejnym zderzeniem jest proporcjonalna do natężenia pola i średniej drogi swobodnej elektronu: meV2/2=eEl. Jeśli energia kinetyczna elektronu przekracza pracę Ai, którą należy wykonać, aby zjonizować neutralny atom (lub cząsteczkę), tj. meV2/2>Ai, to gdy elektron zderza się z atomem (lub cząsteczką), ulega jonizacji ( jonizacja uderzeniowa). W efekcie zamiast jednego elektronu pojawiają się dwa elektrony (atakujące atom i wyrwane z atomu). Elektrony oderwane od cząsteczek w wyniku jonizacji z kolei pod wpływem pola mogą uzyskać energię wystarczającą do jonizacji. W rezultacie znacznie wzrasta koncentracja jonów, a wraz z nią przewodnictwo elektryczne gazu. Jeśli usuniesz zewnętrzny jonizator, wyładowanie nie zatrzyma się. Ponieważ takie wyładowanie nie wymaga zewnętrznego jonizatora do jego utrzymania, nazywa się je niezależnym wyładowaniem gazowym.

Ale obecność samej jonizacji przez uderzenie elektronów nie prowadzi jeszcze do niezależnego wyładowania. Do istnienia samopodtrzymującego się wyładowania konieczne jest, aby w gazie zachodziły inne procesy, wytwarzające nowe elektrony zamiast tych, które trafiły do ​​anody.. Takie procesy mogą być wtórna emisja elektronów z katody(wybijanie elektronów z katody przez jony dodatnie rozproszone w polu elektrycznym), katoda może emitować elektrony po podgrzaniu do wysokiej temperatury. Ten proces nazywa się emisja termionowa itd.

Rodzaje samorozładowania:

1. wyładowanie iskrowe

Przykładami wyładowań iskrowych są iskry powstające podczas czesania włosów, gdy kondensator jest rozładowany.

wyładowanie iskrowe, często obserwowany w przyrodzie, to błyskawica. Błyskawica jest wyładowaniem między dwoma naładowanymi chmurami lub między chmurą a ziemią. Nośnikami ładunku w chmurach są naładowane krople wody lub płatki śniegu.

Wyładowaniu iskrowemu towarzyszy wydzielanie dużej ilości ciepła, jasny blask gazu, trzaski lub grzmoty.

1. wyładowanie łukowe.

wyładowanie łukowe można zaobserwować w następujących warunkach: jeżeli po zapłonie wyładowania iskry rezystancja obwodu jest stopniowo zmniejszana, to prąd w iskrze wzrośnie. Kiedy rezystancja obwodu stanie się wystarczająco mała, pojawi się nowa forma wyładowania gazowego, zwana łukiem. W tym przypadku natężenie prądu gwałtownie wzrasta, osiągając dziesiątki i setki amperów, a napięcie w szczelinie wyładowczej spada do kilkudziesięciu woltów. To pokazuje, że podczas wyładowania powstają nowe procesy, które nadają gazowi bardzo wysoką przewodność elektryczną.

Łuk elektryczny jest potężnym źródłem światła i jest szeroko stosowany w instalacjach projekcyjnych, reflektorowych i innych instalacjach oświetleniowych. Ze względu na wysoką temperaturę łuk jest szeroko stosowany do spawania i cięcia metali. Wysoka temperatura łuku jest również wykorzystywana do budowy elektrycznych pieców łukowych, które odgrywają ważną rolę we współczesnej elektrometalurgii.

1. wyładowanie jarzeniowe

wyładowanie jarzeniowe obserwowane przy niskim ciśnieniu gazu (około 0,1 mm Hg). Jeżeli na elektrody wlutowane w szklaną rurkę przyłożymy stałe napięcie kilkuset woltów, a następnie z rurki stopniowo wypompuje się powietrze, wówczas obserwuje się następujące zjawisko: gdy ciśnienie gazu spada, w pewnym momencie pojawia się wyładowanie w rura, która ma postać świecącego sznura łączącego lampy anodowe i katodowe (rys. 1). Wraz z dalszym spadkiem ciśnienia żarnik ten rozszerza się i wypełnia cały przekrój rury, a jarzenie w pobliżu katody słabnie. W pobliżu katody tworzy się pierwsza ciemna przestrzeń 1, do której przylega warstwa jonowa 2 (jarzenie żarowe), która ma ostrą granicę po stronie katody i stopniowo zanika po stronie anody. Za tlącym się blaskiem ponownie znajduje się ciemna przerwa 3, zwana faradaya lub drugą ciemną przestrzenią. Za nim znajduje się świecący obszar 4 rozciągający się do anody, czyli dodatnia kolumna.

Szczególne znaczenie w wyładowaniu jarzeniowym mają tylko dwie jego części - ciemna przestrzeń katodowa 1 i żarzenie jarzeniowe 2, w których zachodzą główne procesy podtrzymujące wyładowanie. Elektrony, które jonizują gaz, powstają w wyniku fotoemisji z katody i zderzeń jonów dodatnich z katodą rury.

Obecnie świetlówki jarzeniowe znajdują praktyczne zastosowanie jako źródło światła - lampy wyładowcze..

1. wyładowanie koronowe

wyładowanie koronowe obserwowane przy stosunkowo wysokich ciśnieniach gazu (na przykład pod ciśnieniem atmosferycznym) w silnie niejednorodnym polu elektrycznym. Aby uzyskać znaczną niejednorodność pola, elektrody muszą mieć ostro różne powierzchnie, tj. jedna elektroda - bardzo duża powierzchnia, a druga - bardzo mała. Na przykład wyładowanie koronowe można łatwo uzyskać, umieszczając cienki drut w metalowym cylindrze, którego promień jest znacznie większy niż promień drutu.

Wyładowania koronowe są wykorzystywane w inżynierii do budowy elektrofiltrów przeznaczonych do oczyszczania gazów przemysłowych z zanieczyszczeń stałych i ciekłych.

Wyładowanie koronowe może wystąpić na cienkich przewodach pod napięciem. Pojawienie się wyładowania koronowego na końcówkach przewodników wyjaśnia działanie piorunochronu, który chroni budynki i linie przesyłowe przed uderzeniami piorunów.

Wykorzystywana jest emisja światła świetlówek, lamp wyładowczych oświetlenia ulicznego; łuk elektryczny jest używany w aparacie do projekcji filmu; Lampa rtęciowo-kwarcowa znalazła zastosowanie w klinikach i szpitalach.

1. Osocze.

Osocze jest częściowo lub całkowicie zjonizowanym gazem, w którym gęstość ładunków dodatnich i ujemnych jest prawie taka sama. Zatem plazma jako całość jest układem elektrycznie obojętnym.

Ilościową cechą osocza jest stopień jonizacji. Stopień jonizacji plazma nazywana jest stosunkiem stężenia objętościowego naładowanych cząstek do całkowitego stężenia objętościowego cząstek. W zależności od stopnia jonizacji osocze dzieli się na słabo zjonizowane(to ułamek procenta), częściowo zjonizowany(rzędu kilku procent) i w pełni zjonizowany(blisko 100%). Słabo zjonizowana plazma w warunkach naturalnych to górne warstwy atmosfery - jonosfera. Słońce, gorące gwiazdy i niektóre obłoki międzygwiazdowe to w pełni zjonizowana plazma, która powstaje w wysokich temperaturach.

Plazmy nie można scharakteryzować jedną wartością temperatury T; wyróżnić temperatura elektroniczna Tych, temperatura jonów Ti (lub temperatury jonów, jeśli w plazmie jest kilka rodzajów jonów) i temperatura neutralnych atomów T (składnik neutralny). Taka plazma nazywa się nieizotermiczny, W odróżnieniu plazma izotermiczna gdzie temperatury wszystkich składników są takie same.

Plazma również rozpada się na wysoką temperaturę(Ti 106-108 K i więcej) i niska temperatura(Ti<=105 К).

Przewodność plazmy wzrasta wraz ze wzrostem stopnia jonizacji. W wysokiej temperaturze w pełni zjonizowana plazma zbliża się pod względem przewodnictwa do nadprzewodników (substancji, które po schłodzeniu poniżej pewnej temperatury krytycznej, Ts elektryczny opór spada do zera).

Plazma niskotemperaturowa znajduje zastosowanie w gazowo-wyładowczych źródłach światła - w świetlówkach napisów reklamowych, w świetlówkach. Lampa wyładowcza stosowana jest w wielu urządzeniach, na przykład w laserach gazowych - kwantowych źródłach światła.

Plazma wysokotemperaturowa stosowany w generatorach magnetohydrodynamicznych.

Niedawno powstało nowe urządzenie, palnik plazmowy. Palnik plazmowy wytwarza potężne strumienie gęstej plazmy niskotemperaturowej, które są szeroko stosowane w różnych dziedzinach techniki: do cięcia i spawania metali, wiercenia studni w twardych skałach itp.

Prąd elektryczny to przepływ spowodowany uporządkowanym ruchem cząstek naładowanych elektrycznie. Za kierunek prądu elektrycznego przyjmuje się ruch ładunków. Prąd elektryczny może być krótko- i długoterminowy.

Pojęcie prądu elektrycznego

Podczas wyładowania piorunowego może wystąpić prąd elektryczny, który nazywa się krótkotrwałym. Aby utrzymać prąd przez długi czas, konieczne jest posiadanie pola elektrycznego i wolnych nośników ładunku elektrycznego.

Pole elektryczne jest tworzone przez ciała naładowane inaczej. Natężenie prądu to stosunek ładunku przeniesionego przez przekrój przewodu w przedziale czasu do tego przedziału czasu. Jest mierzony w amperach.

Ryż. 1. Aktualna formuła

Prąd elektryczny w gazach

Cząsteczki gazu w normalnych warunkach nie przewodzą prądu. Są izolatorami (dielektrykami). Jeśli jednak zmienią się warunki środowiskowe, gazy mogą stać się przewodnikami elektryczności. W wyniku jonizacji (podczas ogrzewania lub pod działaniem promieniowania radioaktywnego) w gazach powstaje prąd elektryczny, który często zastępuje się terminem „wyładowanie elektryczne”.

Samowystarczalne i niesamodzielne wyładowania gazowe

Wyładowania w gazie mogą być samowystarczalne i niesamowystarczalne. Prąd zaczyna istnieć, gdy pojawiają się darmowe opłaty. Niesamodzielne wyładowania istnieją tak długo, jak działa na nie siła zewnętrzna, czyli zewnętrzny jonizator. Oznacza to, że jeśli zewnętrzny jonizator przestanie działać, prąd ustaje.

Niezależne wyładowanie prądu elektrycznego w gazach występuje nawet po wyłączeniu zewnętrznego jonizatora. Niezależne wyładowania w fizyce dzielą się na ciche, tlące się, łukowe, iskrowe, koronowe.

• Cichy - najsłabsze z niezależnych wyładowań. Siła prądu w nim jest bardzo mała (nie więcej niż 1 mA). Nie towarzyszą mu zjawiska dźwiękowe ani świetlne.
• Tlący - jeśli zwiększysz napięcie w cichym wyładowaniu, przechodzi na wyższy poziom - do wyładowania jarzeniowego. W tym przypadku pojawia się poświata, której towarzyszy rekombinacja. Rekombinacja - proces odwróconej jonizacji, spotkanie elektronu i jonu dodatniego. Znajduje zastosowanie w lampach bakteriobójczych i oświetleniowych.

Ryż. 2. Wyładowanie żarowe

• Łuk - prąd o natężeniu waha się od 10 A do 100 A. W tym przypadku jonizacja wynosi prawie 100%. Ten rodzaj wyładowania występuje na przykład podczas pracy spawarki.

Ryż. 3. Wyładowanie łuku

• musujący - można uznać za jeden z rodzajów wyładowań łukowych. Podczas takiego wyładowania w bardzo krótkim czasie przepływa określona ilość prądu.
• wyładowanie koronowe – jonizacja cząsteczek następuje w pobliżu elektrod o małych promieniach krzywizny. Ten rodzaj ładunku występuje, gdy siła pola elektrycznego zmienia się dramatycznie.

Czego się nauczyliśmy?

Same atomy i cząsteczki gazu są obojętne. Są ładowane, gdy są wystawione na zewnątrz. Mówiąc krótko o prądzie elektrycznym w gazach, jest to ukierunkowany ruch cząstek (jony dodatnie do katody i jony ujemne do anody). Ważne jest również, że gdy gaz jest zjonizowany, poprawiają się jego właściwości przewodzące.

Quiz tematyczny

Ocena raportu

Średnia ocena: 4.1. Łączna liczba otrzymanych ocen: 436.