18. Самостоятельный газовый разряд и его типы (тлеющий, искровой, дуговой и коронный).

В зависимости от давления газа, конфигурации электродов, параметров внешней цепи можно говорить о четырех типах самостоятельного газового разряда. ^ Тлеющий разряд возникает при низких давлениях. К электродам прикладывается напряжение несколько сотен вольт, постепенно откачивается воздух из трубки и при давлении 5.3 – 6.7 кПа возникает разряд в виде светящегося шнура, идущего от катода к аноду. При уменьшении давления толщина шнура утолщается. В межэлектродном пространстве можно выделить следующие области. Вблизи катода наблюдается тонкий светящийся слой - катодная пленка. Между катодом и катодной пленкой находится астоново темное пространство. По другую сторону светящейся пленки находится слабосветящийся слой, называемый катодным темным пространством. Этот слой переходит в светящуюся область, которая называется тлеющим свечением. Все эти слои образуют катодную часть тлеющего разряда. Далее наблюдается темный промежуток – фарадеево темное пространство, за которым следует светящийся газ – положительный столб. Основные процессы, необходимые для поддержания тлеющего разряда происходят в катодной части. Положительные ионы бомбардируют катод и выбивают из него электроны. В астоновом пространстве эти электроны ускоряются полем, и, приобретя достаточную энергию, при столкновении с молекулами возбуждают их. При переходе в основное состояние молекулы испускают свет, поэтому возникает светящаяся пленка. Электроны, пролетевшие без столкновений астоново пространство и светящуюся пленку, попадают в область катодного темного пространства. Здесь электроны обладают большой энергий и могут ионизовать молекулы. При этом интенсивность свечения уменьшается, но образуется много электронов и положительных ионов. Ионы вначале имеют малую скорость и создают положительный пространственный заряд. Вторичные электроны проникают в область тлеющего свечения, где концентрация электронов и положительных ионов одинакова (плазма). Здесь идет интенсивный процесс рекомбинации, сопровождающейся свечением и выделением энергии. В фарадеево пространство электроны и ионы проникают за счет диффузии. Концентрация электронов и ионов здесь меньше, т.е. вероятность процессов рекомбинации падает. Поэтому фарадеево пространство кажется темным. Электроны разгоняются. Возникают условия для существования газоразрядной плазмы. Свечение положительного столба обусловлено переходами возбужденных атомов в основное состояние. Молекулы разных газов при этом испускают излучение разной длины волны, т.е. имеет разный цвет. Это используется в газоразрядных трубках для светящихся реклам. В лампах дневного света излучение происходит в парах ртути, поглощается люминофором, нанесенным на стенки, который начинает светиться. Если в катоде сделать узкий канал, то часть положительных ионов проникает в пространство за катодом и образуется поток ионов, называемый каналовыми лучами. ^ Искровой разряд возникает при больших напряженностях электрического поля в газе, находящемся при давлении порядка атмосферного. Сопровождается образованием ярко светящегося, извилистого, разветвленного канала, по которому проходит кратковременный импульс тока большой силы. Например - молния - ток 100000 А, длительность импульса 10^-4 с, температура газа в канале порядка 10000 К. Быстрый и сильный нагрев приводит к резкому повышению давления и возникновению ударных и звуковых волн. Возникновению искры предшествует образование в газе сильно ионизированного канала – стримера. Электрон, вылетевший из катода, на длине свободного пробега приобретает энергию, достаточную для ионизации. Возникает лавина. Атом, у которого в процессе ионизации, был вырван один из внутренних электронов, вызывает фотоионизацию молекул, причем образовавшиеся электроны порождают все новые и новые лавины. После перекрытия отдельных электронных лавин образуется хорошо проводящий канал – стример, по которому, от катода к аноду идет мощный поток электронов – наступает пробой. Используют искровой разряд для воспламенения горючей смеси в двигателях внутреннего сгорания, для резания и сверления металла. ^ Дуговой разряд. Если после зажигания искрового разряда уменьшить расстояние между электродами, то разряд становится непрерывным, и называется он дуговым. При этом резко возрастает сила тока до сотен ампер, а напряжение падает до нескольких десятков вольт. Может протекать и при низком и при высоком давлении. Основными процессами, поддерживающими разряд, является термоэлектронная эмиссия – испускание электронов с сильно разогретого катода, и термическая ионизация молекул, обусловленная высокой температурой газа. Почти все межэлектродное пространство заполнено высокотемпературной плазмой. Она служит проводником, по которому электроны, испущенные катодом, достигают анода. Температура в дуге сверхвысокого давления достигает 10000 К (температура Солнца 5800 К). Катод раскаляется из-за бомбардировки положительными ионами до 3500 К. Используется для сварки и резки металла, получения высококачественных сталей ^ Коронный разряд. Если один из электродов имеет очень большую кривизну (например, электродом служит проволока), то при не слишком большом напряжении возникает коронный разряд. При увеличении напряжения разряд переходит в искровой или дуговой. При коронном разряде ионизация и возбуждение молекул происходит не во всем межэлектродном пространстве, а вблизи электрода с малым радиусом кривизны, где напряженность электрического поля максимальна. В этой части разряда газ светится и свечение имеет вид короны. В зависимости от знака коронирующего электрода говорят о положительной и отрицательной коронах. Между коронирующим слоем и некоронирующем электродом расположена внешняя область. В случае отрицательной короны явления на катоде сходны с явлениями на катоде тлеющего разряда. Ускоренные полем положительные ионы выбивают из катода электроны, которые вызывают ионизацию и возбуждение молекул в коронирующем слое. Во внешней области поле недостаточно для того, чтобы сообщить электронам энергию, необходимую для ионизации молекул. Поэтому электроны, проникшие в эту область, дрейфуют под действием поля к аноду. Часть электронов захватывается молекулами, образовывая отрицательные ионы. Т.е. ток обусловлен только отрицательными носителями и разряд здесь несамостоятельный. В положительной короне электронные лавины зарождаются у внешней границы короны и устремляются к коронирующему электроду – аноду. Возникновение электронов, порождающих лавины, обусловлено фотоионизацией, вызванной излучением коронирующего слоя. Носителями тока во внешней области служат положительные ионы, которые дрейфуют под действием поля к катоду. Коронный разряд возникает вблизи высоковольтных проводов. Поэтому провода делают толстыми.