Учебное пособие: Емісія електронів. Електричний струм в газах

Існує декілька видів самостійного розряду: тліючий, іскровий, дуговий, коронний.

Тліючий розряд виникає при малих тисках газу (p» 1мм рт.ст.) і характеризується тліючим свіченням поверхні катода, а в розрядному просторі виникає ряд світлих і темних ділянок (рис. 3).

Рис. 3

Ділянки мають назву:

1 – астоновий темний простір.

2 – катодне світіння.

3 - темний круксовий простір.

4 - тліюче (від’ємне) світіння.

5 - темний фардеєвий простір.

6 - позитивний світний стовп.

Важливу роль в механіці тліючого розряду відіграє катодний спад потенціалу (рис.3). Під дією поля в цій області ( 1 ) електрони набувають енергію достатню для збудження молекул і світіння яких створює в катодну плівку ( 2 ). Позитивні іони в цьому просторі вибивають з катоду вторинні електрони, які необхідні для підтримання розряду.

Темний круксовий простір ( 3 ) пояснюється тим, що електрони в цьому проміжку мають ще невелику енергію і пролітаючи її прискорюються настільки що в області ( 4 ) іонізують атоми і молекули тому за рахунок рекомбінації виникає тліюче свічення ( 4 ). Потім знову йде прискорення електронів ( 5 ) до енергії достатньої для збудження та іонізації молекул і в цьому просторі виникає позитивний світний стовп ( 6 ).

Тліючий розряд має важливе практичне використання: в люмінесцентних лампах, рекламній справі, різних сигнальних неонових лампах, в газових стабілізаторах, цифрових індикаторах і ін.

Коронний розряд спостерігається при порівняно високих тисках газу (атмосферний тиск), що знаходиться в досить неоднорідному електричному полі. Таке поле створюється, якщо один з електродів має значну кривизну (дротина, вістря і ін.) При досягненні напруженості 3.106 В/м електричного поля біля електрода з великою кривизною виникає свічення, що має форму корони. Коронний розряд займає проміжне положення між тліючим і іскровим розрядом.

Коронний розряд необхідно враховувати в техніці високих напруг, оскільки при цьому відбуваються втрати електричної енергії. Коронний розряд використовують в електричних фільтрах, призначених для очищення промислових газів від твердих і рідких домішок (дим при виробництві сірчаної кислоти, в металургії і ін.).

Іскровий розряд виникає, коли напруженість поля досягає напруженості пробою (або запалювання). Для повітря при атмосферному тиску напруженість пробою рівна 30 000 В/см. А взагалі напруженість пробою залежить від роду газу, його стану та від форми електродів. Іскровий розряд має форму вигнутого каналу, що яскраво світиться. Через канал розряду проходить значний струм, тому температура досягає 104 градусів і внаслідок цього утворюються ударні хвилі і виникають звукові ефекти. Початок іскрового розряду виникає внаслідок ударної іонізації і має коливальний характер. Механізм іскрового розряду пояснюється стримерною теорією. При рекомбінації виникають ультрафіолетові промені, які викликають фотоіонізацію атомів (молекул) в різних точках простору між електродами. В цих точках починаються лавинні розряди – стримери, які потім об’єднуються, утворюючи іскру (рис. 4).

Рис. 4

В твердих діелектриках іскра залишає отвори. Найбільшу пробивну напругу в твердих діелектриках має слюда (до 10 000 В/см).

Дуговий розряд виникає, якщо зблизити електроди (вугільні) до дотикання, а потім трохи ( 5 км ) розвести їх. Тоді між електродами виникає розряд, який називають дуговим. Сама так у 1802 році В.В.Петров відкрив дуговий розряд. При дуговому розряді протікає струм в десятки ампер, при напрузі 40-50 В. При горінні дуги катод загострюється, а на аноді утворюється заглибина-кратер дуги. При атмосферному тиску температура катоду досягає 3500оС, а в кратері анода – 4000оС. Велика електропровідність дуги пояснюється термоелектронною емісією із катода.

При збільшенні струму (за рахунок зменшення зовнішнього опору) збільшується електропровідність дуги і тому зменшується напруга на розрядному проміжку, внаслідок чого ВАХ є падаючою (рис. 5).

Рис. 5

Електрична дуга широко використовується на практиці: як потужне джерело світло ( в прожекторах ), в ртутних випрямлячах змінного струму, а дугових печах, в електрозварюванні і ін.

ПОНЯТТЯ ПРО ПЛАЗМУ

Плазмою називають газ в стані великого ступеня іонізації.

Плазма-особливий стан речовини – це суміш електронів, позитивних іонів та нейтральних атомів, це найбільш поширений стан речовини в природі. В такому стані знаходиться речовина в надрах Сонця і других зірок, температура яких досягає десятків міліонів градусів.

Одним із методів іонізації газу є його нагрівання. При збільшенні температури збільшується швидкість атомів газу, тому при їх зіткненні виникає ударна іонізація. При температурах 10 000оК і більше всі речовини існують в вигляді плазми і речовина перебуває в вигляді суміші “голих” ядер та електронів. Така плазма термодинамічно рівноважна. Плазма, яка виникла внаслідок нагрівання речовини до високої температури називається високотемпературною (гарячою), або ізотермічною.