Какой тип разряда происходит в газоразрядной трубке при пониженном давлении
Сегодня мы с вами разберем одну интересную тему связанную с электричеством. Это явление видел каждый из нас, если хоть раз смотрел на молнию. Но оно не ограничивается только молнией. Давайте разберемся немного по подробнее.
Разряд происходит в воздухе, по пути наименьшего сопротивления.
Газовым разрядом называется явление протекания электрического тока через газ. Газы в своем обычном состоянии являются диэлектриками. И лишь при соблюдении специальных условий в них могут появиться носители заряда (ионы, электроны).
Проводимость газа
При появлении этих носителей в газе, он начинает проводить электричество, то есть теряет свои диэлектрические свойства. У него появляется проводимость. Если ионы и электроны появляются в результате процессов не связанных с наличием электрического поля (нагрев, ионизирующее излучение), то такая проводимость называется несамостоятельной.
Если же носители появляются в результате приложения электрического поля, то такая проводимость называется самостоятельной, на ней мы и остановимся поподробнее.
Откуда же появляются эти носители?
Я не буду сильно углубляться в физику происходящих процессов, думаю это будет и так интуитивно понятно. Первое, что может происходить при протекании тока через газы – это столкновение электронов с молекулами газа. При этом, если энергия электрона достаточно большая, то происходит ионизация этой молекулы (ударная ионизация).
Второе – это вторичная электронная эмиссия. Явление, которое происходит при бомбардировке электронами одного из электродов. При этом из металла могут вылетать так называемые вторичные электроны, которые участвуют в протекании тока.
Третье явление – автоэлектронная эмиссия. При приложении большого напряжения, электроны могут вылетать с поверхности электродов самостоятельно, в следствие туннельного эффекта.
И наконец четверное – фотоионизация. При протекании тока через газ, может возникнуть разряд, о котором мы поговорим позже. При этом идет выделение большого количества света (ультрафиолетового), который способен ионизировать молекулы этого газа.
Газовый разряд.
Самостоятельный разряд может принимать различные формы, которые зависят от многих факторов. Сейчас мы с вами разберем некоторые виды газовых разрядов.
Тлеющий разряд.
Такой вид разряда возникает при низких давлениях. При длине разрядной трубки около полуметра необходимо напряжение около одного киловольта. И при давлении ниже 30 мм.рт.ст. возникает отчетливый разряд. Одной из особенностей такого разряда является то, что все пространство протекания тока, может быть четко разделено на различные области.
К сожалению, на этом фото видны не все области тлеющего разряда.
Такой вид разряда можно встретить в неоновых лампах.
Опять же, я не буду сильно углубляться в физику происходящего, так как там есть много интересных вещей, о которых можно рассказать. Если вам это интересно, то проявляйте активность в комментариях, и пишите, о чем вы хотели бы прочитать. И я могу выпустить отдельные выпуски о каждом виде газового разряда.
Дуговой разряд.
Данный вид разряда может происходить при любом давлении. Для его возникновения необходимо, чтобы электроды находились на очень близких расстояниях, а еще лучше, чтобы изначально они были соединены. И в процессе их разведения между ними возникнет электрическая дуга. Все пространство между электродами заполнено высокотемпературной плазмой (температура может достигать 10 000 градусов Цельсия!).
Лампы на основе такого явления могут применяться в медицине (дуга, горящая в парах ртути производит много ультрафиолета).
Искровой разряд.
Такой вид разряда возникает, если разность потенциалов между электродами достигает пробивного значения. Тогда между ними возникает извилистый канал разряда, по которому кратковременно проходит электрический ток.
Самый яркий пример – это молния. Длина ее канала может доходить до 11-12 километров!
На этом все. Если вам интересна эта тема, то не стесняйтесь и пишите, какой вид разряда вас заинтересовал больше всего. Так же поддержите статью лайком, чтобы больше людей увидело эту статью. Всего вам хорошего и до скорых встреч! 🙂
Источник
В зависимости от давления газа,
конфигурации электродов и параметров внешней цепи существует четыре типа
самостоятельных разрядов:
- тлеющий разряд;
- искровой разряд;
- дуговой разряд;
- коронный разряд.
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.
Рис. 8.5
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.
 | Тгаза = 10 000 К ~ 40 см I = 100 кА t = 10–4 c l ~ |
Рис. 8.6
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 104 – 105 А, длиной
20 км
(рис. 8.7).
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).
Рис. 8.9
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∙106 В/м, вокруг него возникает свечение, имеющее вид оболочки или
короны, откуда и произошло название заряда.
Источник
У этого термина существуют и другие значения, см. Разряд.
Га́зовый разря́д — совокупность процессов, возникающих при протекании электрического тока через газы. Обычно протекание заметного тока становится возможным только после достаточной ионизации газа и образования плазмы.
Ионизация может происходить, в частности, в результате столкновений электронов, ускорившихся в электрическом поле, с атомами или молекулами газа. При этом возникает лавинное размножение числа заряженных частиц, поскольку в процессе ударной ионизации образуются новые электроны, которые тоже после ускорения начинают участвовать в соударениях с атомами, вызывая их ионизацию.
Другой возможной причиной ионизации газа может быть электрическое поле высокой напряжённости (искровой разряд) или высокая температура (дуговой разряд). Для возникновения и поддержания устойчивого газового разряда требуется электрическое поле, так как холодная плазма существует, если электроны приобретают во внешнем поле энергию, достаточную для ионизации атомов, и количество вновь образованных ионов превышает число рекомбинировавших ионов.
Если для существования газового разряда необходима дополнительная ионизация за счёт внешних источников (например, при помощи ионизирующих излучений), то газовый разряд называется несамостоятельным (такие разряды используются в счётчиках Гейгера).
Для осуществления газового разряда применяют как постоянное во времени, так и переменное электрическое поле.
При разряде в газе возникает электрический ветер, то есть движение газа, вызванное увлечением молекул газа ионами. Наиболее просто обнаружить электрический ветер при разряде с острия в воздухе при обычном давлении[1]. Ветер этот может вызвать отклонение полоски бумаги, пламени свечи, струйки дыма и т. п.
Применения газового разряда[править | править код]
- Дуговой разряд для сварки и освещения.
- Сверхвысокочастотный разряд
- Тлеющий разряд как источник света в люминесцентных лампах и плазменных экранах.
- Искровой разряд для зажигания рабочей смеси в двигателях внутреннего сгорания.
- Коронный разряд для очистки газов от пыли и других загрязнений, для диагностики состояния конструкций.
- Плазмотроны для резки и сварки.
- Разряды для накачки лазеров, например гелий-неонового лазера, азотного лазера, эксимерных лазеров и т. д.
А также:
- в счётчике Гейгера,
- в ионизационных вакуумметрах,
- в тиратронах,
- в крайтронах,
- в гейслеровой трубке.
Цвета свечения тлеющих разрядов в различных газах[править | править код]
Газовый разряд в некоторых газах вызывают излучение видимого света, спектр которого зависит от использованного газа.
| Газ | Цвет | Примечания |
|---|---|---|
| Гелий | Бело-оранжевый; при некоторых условиях может иметь серый, зеленовато-голубой или голубой оттенок | Используется художниками для специального освещения. |
| Неон | Красно-оранжевый | Яркое свечение. Часто используется в неоновых рекламных знаках и в неоновых лампах |
| Аргон | Фиолетово-голубой | Часто применяется совместно с разрядом в парах ртути |
| Криптон | Сероватый тусклый грязно-белый. Может быть зеленоватым. В разрядах высокого напряжения яркий синевато-белый. | Используется художниками для специального освещения. |
| Ксенон | Сероватый или синевато-серый тусклый белый, в разрядах высокого напряжения в высоких пиковых потоках, очень яркий синевато-зелёный. | Используется в ксеноновых фотовспышках, лампах подсветки индикаторов, ксеноновых дуговых лампах, а также художниками для специального освещения. |
| Радон | Синий цвет[2]. | Не может быть использован из-за отсутствия стабильных изотопов. |
| Азот | Аналогично аргону, тусклее, с оттенком розового. В разрядах высокого напряжения, яркий сине-белый, белее аргона. | |
| Кислород | Бледный фиолетово-лиловый, тусклее аргона. | |
| Водород | Бледно-лиловый в разрядах низкого напряжения, розовато-красный при разрядах более 10 миллиампер. | |
| Водяной пар | Аналогично водороду. Менее яркое свечение | |
| Диоксид азота | Слабый синевато-белый, в разрядах низкого напряжения ярче ксенона. | |
| Пары ртути | Светло-голубой с интенсивным ультрафиолетовым излучением | В сочетании с люминофорами используется для получения света разных цветов. Широко используется во ртутных газоразрядных лампах |
| Пары натрия | Ярко-жёлтый | Широко используется в натриевых газоразрядных лампах уличного освещения |
Гелий
Неон
Аргон
Криптон
Ксенон
Моделирование газового разряда[править | править код]
Проблема компьютерного моделирования процессов, происходящих в газовом разряде, до конца не решена. Существуют лишь приближенные методы решения этой задачи. Одним из них является приближение Фоккера — Планка.
См. также[править | править код]
- Закон Пашена
- Электрический пробой
Примечания[править | править код]
Литература[править | править код]
- Мак-Доналд А. Сверхвысокочастотный пробой в газах. М.: Мир, 1969. 205 с.
Источник
Я недавно делал выпуск, который был посвящен электрическим разрядам в газах. Там я в общих чертах описал механизм возникновения разряда в газе. Если вы пропустили его, то прочтите, это поможет вам более легко понимать материал данного выпуска!
Здесь я хотел бы рассказать о таком виде разряда, как тлеющий разряд. Это очень сложный и емкий в своем описании вид разряда, но я дам вам некоторые физические аспекты, благодаря которым вы сможете понять основные закономерности, присущие данному виду разряда.
Итак, начнем. Тлеющий разряд – это одна из разновидностей самостоятельного разряда (о других типах самостоятельного разряда, читайте в предыдущей статье). Возникает он только при низких давлениях газа. Обычно, его получают в стеклянных трубках с плоскими электродами, которые впаяны с обоих концов трубки. Для этого на электроды подается относительно небольшое напряжение, порядка 1 КВ, и после этого начинают откачивать газ из трубки.
При достижении давления в 35 мм.рт.ст. возникает тонкий канал светящегося газа, который соединяет катод и анод друг с другом. При уменьшении давления, толщина этого канала начинает увеличиваться, и при падении давления до отметки в 4-5 мм.рт.ст. этот шнур заполняет практически все пространство в трубке – именно в этот момент и устанавливается тлеющий разряд.
Структура
При дальнейшем понижении давления, в разряде начинают наблюдаться различные области. Давайте рассмотрим их поподробнее:
Святящаяся область вблизи катода называется катодной светящейся пленкой или просто – областью катодного свечения. Астоново темное пространство разделяет друг от друга катод и область катодного свечения. Дальше следует круксовое темное пространство (темное катодное пространство), на самом деле, это пространство не настолько темное, оно обладает небольшой светимостью. Эта область переходит в небольшое пространство тлеющего свечения (отрицательное свечение). Все выше перечисленное относится к катодной области тлеющего разряда.
С областью катодного свечения граничит фарадеево темное пространство. Ну и основная область – это положительный столб, именно от него и происходит все свечение. Цвет этого свечения зависит от того, какой тип газа находится в трубке. Например неон светится красным, а аргон – синим.
При дальнейшем уменьшении давления разряд расслаивается на так называемые страты.
Как же он происходит?
Как вы могли догадаться, все дело в низком давлении. По мере уменьшения давления, число молекул газа в пространстве уменьшается. Следовательно, электроны, пролетая от катода к аноду, имеют большую величину длины свободного пробега, то есть с большей вероятностью наберут энергию достаточную для ударной ионизации молекул газа. Тогда возникает своего рода цепная реакция – лавинный пробой.Но откуда взяться первоначальным электронам? Они появляются благодаря первичной и вторичной электронной эмиссии с катода.
Предлагаю вам рассмотреть, как себя ведут носители заряда в каждой из областей разряда, проследим за электроном:
Электрон покидает катод , при этом он имеет небольшую скорость, далее он ускоряется в темном астоновом пространстве. В результате этого его энергия становится достаточной для возбуждения молекул газа, и благодаря этому процессу возникает катодное свечение. Те электроны, которые пролетели эту область не возбуждая молекулы газа, попадают в круксовое темное пространство, где они больше ионизируют молекулы, чем возбуждают (из-за большой энергии). Поэтому в темном катодном пространстве присутствует небольшое свечение, так же в нем образуется большое количество новых ионов и электронов.
Еще раз приведу схему разряда, чтобы было проще следить за описанием процессов.
Новые электроны попадают в область тлеющего свечения, в котором большая концентрация ионов и электронов, благодаря чему, газ в этой области очень близок к плазме. Свечение в этой области вызвано рекомбинацией ионов и электронов, которых здесь очень много. Нужно понимать, что напряженность поля в плазме равна 0, поэтому носители заряда проникаю в фарадеево темное пространство не под действием поля, а в результате диффузии (так как на границе этих областей сильный градиент концентрации).
Из-за гораздо меньших концентраций носителей заряда в фарадеевом темном пространстве и их меньшей скорости, это пространство является темным, то есть не излучающим. В нем электроны уже ускоряются и переходя в область анодного свечения начинают возбуждать молекулы газа, и поэтому здесь происходит свечение (из-за перехода молекул в основное состояние). И при этом каждые молекулы испускают свет с определенной длиной волны. Этот факт используется в газоразрядных лампах.
На этом все. Я постарался дать вам достаточно полное описание структуры и процессов, происходящих в тлеющем разряде, не усложняя и не загромождая статью излишними формулами и определениями. Надеюсь, что вам было интересно. Не забывайте оценивать статью и подписываться на канал, если вам интересна научно-популярная тематика!
Всего вам доброго и до скорых встреч! 🙂
Источник