Виды разрядов в газах

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное

учреждение высшего образования

«Южный федеральный университет»

Институт нанотехнологий, электроники и приборостроения

ОТЧЁТ

О ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ

Виды разрядов в газах

*

1 Электрический разряд

Электрический разряд – процесс протекания электрического тока, связанный со значительным увеличением электропроводимости среды относительно её нормального состояния.

Увеличение электропроводности обеспечивается наличием дополнительных свободных носителей заряда. Электрические разряды можно разделить на:

• несамостоятельный разряд – разряд, протекающий за счёт внешнего ионизатора.

• самостоятельный разряд – разряд, который может проходить без действия внешнего ионизатора. Ионизатор – источник ионов или электронов.

Электрический разряд в газах (ЭРВГ) (газовый разряд) – прохождение электрического тока через газовую среду под действием электрического поля, сопровождающееся изменением состояния газа.

ЭРВГах подчиняются заокну Ома лишь при очень малой приложенной извне разности потенциалов, поэтому их электрические свойства описывают с помощью вольтамперной характеристики газового разряда (рисунок 1).

а б

Рисунок 1 – ВАХ ЭРВГ

Электропроводность газа обеспечивается за счёт протекания в нём процессов ионизации, т.е. фазового перехода от газа в плазму.

Газовые разряды бывают следующих видов:

• коронный;

• дуговой;

• темновой;

• искровой;

• тлеющий.

Коронный разряд – это самостоятельный газовый разряд, возникающий в резко неоднородных полях у электродов с большой кривизной поверхности (острия, тонкие провода). Главное условие для начала разряда – вблизи острого края электрода должна присутствовать сравнительно более высокая напряжённость электрического поля, чем на остальном пути между электродами, создающими разность потенциалов.

Когда напряжённость поля достигает предельного значения (для воздуха около 30 кВ/см), вокруг электрода возникает свечение, имеющее вид короны. При коронном разряде ионизационные процессы происходят только вблизи коронирующего электрода. Коронный разряд возникает при сравнительно высоком давлении воздуха (порядка атмосферного).

Коронный разряд возникает следующим образом. Электрон, возникший при случайной ионизации нейтральной молекулы, ускоряется в электрическом поле и приобретает энергию, достаточную для того, чтобы при столкновении со следующей молекулой ионизовать её. В результате происходит лавинное увеличение числа заряженных частиц.

Если коронирующее остриё является катодом, такую корону называют отрицательной. В отрицательной короне ионизационные лавины направлены от острия. Воспроизведение свободных электронов обеспечивается здесь за счёт термоэлектронной эмиссии из коронирующего электрода. На некотором удалении от острия, там, где электрическое поле является недостаточным, чтобы обеспечивать лавинную ионизацию, нейтральные молекулы захватывают свободные электроны, образуя отрицательные ионы, которые и являются носителями тока во внешней области.

Если коронирующее остриё является анодом, такую корону называют положительной. В положительной короне электроны притягиваются к острию, а ионы отталкиваются от него. Воспроизведение электронов, запускающих ионизационную лавину, обеспечивают вторичные фотопроцессы в газе вблизи от острия. Вдали от коронирующего электрода электрическое поле является недостаточным, чтобы обеспечивать лавинную ионизацию. Носителями тока в этой области являются положительные ионы, движущиеся от острия к отрицательному электроду. В отличие от ровного свечения отрицательной короны, в положительной короне иногда наблюдаются разбегающиеся от острия стримеры, которые при увеличении напряжения превращаются в искровые каналы.

Электрическая дуга (дуговой разряд) – один из вид электрического разряда в газе. Возникает он следующим образом. При увеличении напряжения между двумя электродами до определённого уровня в воздухе между электродами возникает электрический пробой. Напряжение электрического пробоя зависит от расстояния между электродами и других факторов.

Для инициирования пробоя при имеющемся напряжении электроды приближают друг к другу. Во время пробоя между электродами обычно возникает искровой разряд, импульсно замыкая электрическую цепь. Электроны в искровых разрядах ионизируют молекулы в воздушном промежутке между электродами. При достаточной мощности источника напряжения в воздушном промежутке образуется достаточное количество плазмы для значительного падения напряжения пробоя или сопротивления воздушного промежутка. При этом искровые разряды превращаются в дуговой разряд – плазменный шнур между электродами, являющийся плазменным тоннелем. Возникающая дуга является, по сути, проводником и замыкает электрическую цепь между электродами. В результате средний ток увеличивается ещё больше, нагревая дугу до 5000–50000 K. При этом считается, что поджог дуги завершён. После поджога устойчивое горение дуги обеспечивается термоэлектронной эмиссией с катода, разогреваемого током и ионной бомбардировкой.

После поджога дуга может оставаться устойчивой при разведении электрических контактов до некоторого расстояния.

Взаимодействие электродов с плазмой дуги приводит к их нагреву, частичному расплавлению, испарению, окислению и другим видам коррозии.

Темновой разряд.

Искровой разряд – нестационарная форма электрического разряда, происходящая в газах. Такой разряд возникает обычно при давлениях порядка атмосферного и сопровождается характерным звуковым эффектом – «треском» искры. Искровой разряд происходит, если мощность источника энергии недостаточна для поддержания стационарного дугового разряда или тлеющего разряда.

Искровой разряд представляет собой пучок ярких, быстро исчезающих или сменяющих друг друга нитевидных, часто сильно разветвлённых полосок – искровых каналов. Эти каналы заполнены плазмой, в состав которой в мощном искровом разряде входят не только ионы исходного газа, но и ионы вещества электродов, интенсивно испаряющегося под действием разряда. Механизм формирования искровых каналов (и, следовательно, возникновения искрового разряда) объясняется стримерной теорией электрического пробоя газов. Согласно этой теории, из электронных лавин, возникающих в электрическом поле разрядного промежутка, при определённых условиях образуются стри́меры – тускло светящиеся тонкие разветвлённые каналы, которые содержат ионизированные атомы газа и отщеплённые от них свободные электроны. Среди них можно выделить так называемый лидер – слабо светящийся разряд, «прокладывающий» путь для основного разряда. Он, двигаясь от одного электрода к другому, перекрывает разрядный промежуток и соединяет электроды непрерывным проводящим каналом. Затем в обратном направлении по проложенному пути проходит главный разряд, сопровождаемый резким возрастанием силы тока и количества энергии, выделяющегося в них. Каждый канал быстро расширяется, в результате чего на его границах возникает ударная волна. Совокупность ударных волн от расширяющихся искровых каналов порождает звук, воспринимаемый как «треск» искры (в случае молнии – гром).

Особый вид искрового разряда – скользящий искровой разряд, возникающий вдоль поверхности раздела газа и твёрдого диэлектрика, помещённого между электродами, при условии превышения напряжённостью поля пробивной прочности воздуха. Области скользящего искрового разряда, в которых преобладают заряды какого-либо одного знака, индуцируют на поверхности диэлектрика заряды другого знака, вследствие чего искровые каналы стелются по поверхности диэлектрика, образуя при этом так называемые фигуры Лихтенберга.

Тлеющий разряд – один из видов стационарного самостоятельного электрического разряда в газах. Формируется, как правило, при низком давлении газа и малом токе. При увеличении проходящего тока переходит в дуговой разряд.

При тлеющем разряде газ хорошо проводит электричество благодаря его сильной ионизации. Причинами ионизации газа в тлеющем разряде являются электронная эмиссия с катода под действием высокой температуры или сильного электрического поля, последующая ионизация молекул газа электронным ударом свободными электронами, испущенными катодом и летящими по направлению к аноду, а также вторичная электронная эмиссия электронов с катода, вызванная бомбардировкой катода положительно заряженными ионами газа. Таким образом, разряд может самоподдерживаться при напряжении значительно ниже напряжения диэлектрического пробоя газа. Специфической особенностью тлеющего разряда, по сравнению с таунсендовским разрядом (разряд с холодными электродами и очень малой плотностью тока), является значительная роль электрического поля объёмных зарядов. Это приводит к неравномерному распределению потенциала в разрядном промежутке и к существенному отличию напряжения зажигания от напряжения горения разряда.

Различают следующие две главные части разряда: (1) несветящуюся часть, прилегающую к катоду, получившую название тёмного катодного пространства; (2) светящийся столб газа, заполняющий всю остальную часть трубки, вплоть до самого анода. Эта часть разряда носит название положительного столба. При определённом давлении положительный столб может распадаться на отдельные слои, разделённые тёмными промежутками, так называемые страты (рисунок 2).

Рисунок 2 – Области тлеющего разряда. 1, 3, 5, 7 – тёмные пространства: 1 – астоново, 3 – катодное, 5 – фарадеево, 7 – анодное; 2, 4, 6 – светящиеся зоны: 2 – катодный слой (отрицательное тлеющее свечение), 4 – отрицательное свечение, 6 – положительный столб, 8 – анодное свечение

Первым идёт тёмное астоново пространство (рисунок 2, область 1). В нём эмитируемые электроны могут только рассеиваться, поскольку не имеют достаточной энергии для запуска других процессов, или пролетать. После прохождения этой области, когда энергия электронов сравнима с энергией экситации атома начинается светящаяся область – первый катодный слой или катодная светящаяся плёнка (рисунок 2, область 2 (далее – область «№»)). В ней энергии электронов близки к максимуму функции возбуждения атомов данного газа. Ионизации газа в этой области ещё нет, так как вероятность ионизации при этих энергиях ещё мала.

За катодной светящейся плёнкой следует катодное тёмное пространство, называемое также гитторфовым или круксовым тёмным пространством (область 3). Оно возникает поскольку набранных энергий после их потери при экситации атомов недостаточно для рекомбинации или ионизации.

После этого электроны приобретают достаточную энергию для новых экситаций, начинается область отрицательного тлеющего свечения (область 4). На эту область приходится значительная доля напряжения, называемая катодным падением потенциала; напряжённость поля здесь значительно выше, чем в других частях разряда. Это связано с тем, что в этой области начинают идти процессы ионизации (т.к. энергия электронов значительно выше энергии максимума функции возбуждения.). Возникающие при ионизации атомов электроны ускоряются полем и движутся в стороны анода к границе отрицательного тлеющего свечения. Положительные ионы также 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 обратиться к ВАХ газового разряда, то можно увидеть, что тлеющий разряд имеет три области: поднормальный, нормальный и аномальный тлеющий разряд. Поднормальный возникает, когда проводимость плазмы начинает расти и происходит уменьшение напряжения существования разряда. Нормальный разряд возникает, когда достигается динамическое равновесии (см. выше). При этом уменьшается рабочая поверхность электрода вследствие падения напряжения, но сохраняется плотность тока. В режиме нормального разряда начинает увеличиваться рабочая поверхность катода, что ведёт к увеличению тока, но сохранению его плотности. После того, как вся поверхность катода используется начинается аномальный разряд: увеличение тока происходит за счёт увеличения ускоряющего напряжения. При нём скорость движения ионов значительно меньше скорости движения электронов, благодаря чему в области катодного тёмного пространства возникает избыточный объёмный заряд, образуемый положительными ионами. Этот заряд сильно искажает электрическое поле в этой области.

В области 4 ионизованный газ представляет собою почти квазинейтральную плазму, которая пронизывается потоком быстрых электронов из катодного тёмного 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 тёмном 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.

Следующее за отрицательным тлеющим свечением фарадеево тёмное пространство (область 5) 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 тёмного пространства от катодного тёмного пространства состоит в том, что в первом энергия электронов слишком мала для возникновения свечения газа, а в последнем слишком велика.

Положительный столб (область 6) тлеющего разряда представляет собой плазму с малой (относительно катодного тёмного пространства) напряжённостью поля. При стационарном токе величина напряжённости 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 объёме. 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. Во многих случаях (по мнению некоторых исследователей) положительный столб имеет слоистую структуру в виде неподвижных или движущихся вдоль оси трубки слоёв, называемых стратами.

Вблизи анода имеется узкое тёмное пространство (область 7) и анодное свечение (область 8). Появление этих частей связано с граничными условиями на аноде. Электроны притягиваются анодом, положительные ионы отталкиваются. Перед анодом образуется отрицательный объёмный заряд, вызывающий изменение потенциала порядка потенциала ионизации газа. Если приблизить анод к катоду настолько, что он попадает в фарадеево тёмное пространство, то анодное падение потенциала исчезает.

Рисунок 3 – Распределение потенциала в тлеющем разряде

На рисунке 3 приведено распределение потенциала в тлеющем разряде. Для того, чтобы понять характер такой зависимости нужно понять как связаны потенциал φ и координата. В поле точечного заряда такая зависимость приобретёт вид: (эта зависимость описывает потенциал в тлеющем заряде приблизительно, поскольку заряды у нас неточечные (электроды имеют, как правило, плоскую форму)).

Начнём рассматривать зависимость на рисунке 4 слева на право. Часто потенциал на катоде создают нулевым, а к катоду прикладывают большое его значение, чтобы возникшая разность потенциалов имела порядки киловольт. Поэтому потенциал начинает расти слева на право.

Таганрог 2022