Главная
Новости
Ремонт
Каркасный дом
Несущие конструкции
Металлические конструкции
Прочность дорог
Дорожные материалы
Стальные конструкции
Воздухоопорные сооружения
Грунтовые основания




20.11.2017


20.11.2017


20.11.2017


17.11.2017


17.11.2017


16.11.2017


16.11.2017


16.11.2017


14.11.2017


14.11.2017





Яндекс.Метрика
         » » Виды электрического разряда и тока в газах

Виды электрического разряда и тока в газах

29.03.2016

Понятие электрического разряда охватывает все случаи перемещения в диэлектрике под действием электрического поля заряженных частиц (электронов и ионов), образованных в результате ионизационных процессов.
Стационарными называются разряды, при которых физические процессы в диэлектрике (газе) либо сохраняются неизменными, либо меняются настолько медленно, что влияние предыдущих состояний практически не сказывается на последующие. При этом стационарные разряды могут проходить последовательно через разные формы.
К нестационарным относятся все виды разряда, связанные с быстрым изменением состояния промежутка, когда предыдущее его состояние оказывает существенное влияние на последующее. Типичным примером такого разряда является искра.
Самостоятельным называется разряд, который поддерживается в результате ионизационных процессов в диэлектрике (например, в объеме газа) и на поверхности электродов без постороннего ионизатора.
Несамостоятельными называются разряды, которые поддерживаются посторонним ионизатором, вызывающим возникновение свободных электронов. Таким ионизатором могут служить космическое излучение, радиоактивное излучение земной коры, кварцевая лампа и другие источники коротковолнового излучения.
Переход от несамостоятельного разряда в каком-либо промежутке к самостоятельному может быть вызван повышением приложенного к нему напряжения. В момент такого перехода происходит резкое (на несколько порядков) увеличение тока через разрядный промежуток. Появившийся случайно электрон в разрядном промежутке при достаточно сильном поле может произвести ионизацию молекулы газа, продолжив после этого движение к аноду. Этот первый и вновь образовавшийся электроны могут ионизировать новые молекулы. Вновь образованные электроны также участвуют в ионизации молекул газа. Возникает нарастающий поток электронов, получивший название «лавина электронов».
После прохождения лавины электронов в объеме газа остаются положительные и отрицательные ионы.
Положительные ионы движутся в направлении к катоду, бомбардируют его поверхность и могут освободить новый свободный электрон. Однако для этого число таких ионов должно быть достаточно велико, поскольку вероятность освобождения электрона с поверхности катода при ударе иона, даже обладающего достаточной энергией, сравнительно мала. Кроме того, скорость перемещения положительных ионов в электрическом поле при E ≤ 30 кв/см составляет Vн+ = 200 м/с, поэтому указанный процесс может иметь существенное значение лишь при стационарных разрядах. В процессе развития самостоятельного разряда, происходящего в течение долей микросекунды, поверхностная ионизация положительными ионами не имеет существенного значения.
Кроме ионизации электроны лавины производят возбуждение молекул газа, причем в значительно большем количестве. Последующий переход молекул в нормальное состояние обычно происходит в течение короткого промежутка времени порядка 10в-10 с и сопровождается излучением фотонов, которые могут ионизировать молекулы газа или освободить электроны с поверхности катода. Возникшие в результате этих процессов свободные (вторичные) электроны могут образовать новые лавины. Если в среднем число электронов вторичных и начальной лавины равно (процесс воспроизводства вероятностный, зависящий от многих случайных факторов), то разряд является самостоятельным. При несамостоятельном разряде в среднем лавины электронов не воспроизводятся. Это не означает, что ни одна лавина не способна воспроизвести вторичную. Случайно может возникнуть даже серия последовательных лавин, которая все же затухнет. Таким образом, условием самостоятельности разряда является воспроизводство (в среднем) электронных лавин в разрядном промежутке.
Следует заметить, что более фундаментальная классификация видов электрического тока в газах разработана профессором B.Л. Грановским, положившим в основу классификации электропроводность газа и обуславливающие ее процессы. По этим признакам можно установить следующие группы и виды самостоятельных токов.
Установившиеся (а также и почти установившиеся) самостоятельные токи в газе протекают между электродами, поддерживающими электрическое поле в газе. Это поле может быть обусловлено в основном поверхностными зарядами на электродах, но может быть также существенно изменено объемными зарядами, возникшими в самом газе в процессе развития тока.
В зависимости от этого установившиеся самостоятельные токи можно выделить в две большие группы.
1. Электрическое поле, не искаженное существенно объемными зарядами, имеет место, прежде всего, в темном (таунсендовском) токе. Это самостоятельный ток, протекающий в однородном или слабонеоднородном поле электродов. Плотность этого тока настолько мала, что он не сопровождается заметным свечением (отсюда название); по той же причине и плотность объемных зарядов так мала, что они не искажают поле электродов в заметной степени. Такой ток имеет место преимущественно при низком давлении газа.
Второй вид самостоятельного тока в поле электродов, мало искаженном объемным зарядом, представляет собой корона. Она возникает в сильнонеоднородном поле электродов большой кривизны, поэтому объемные заряды, значительно большие, чем в предыдущем случае, искажают это поле сравнительно немного. Корона имеет место преимущественно при высоком давлении газа.
2. Поле, в высокой степени искаженное объемными зарядами, характерно для наиболее распространенных форм тока в газе: тлеющего разряда и дуги. В обоих случаях электрическое поле обладает наибольшей напряженностью в ограниченной области у катода, имеющей определенную длину lk. Различие между этими формами тока устанавливается по величине падения потенциала в катодной области (катодного падения потенциала) Uk = ∫Edx . Если Uk≫Ui - ионизационного потенциала газа, то имеет место тлеющий разряд; если же Uk ≤ Ui, то имеет место дуга. Это различие связано с различием процессов эмиссии электронов катодом и различием в поперечной неоднородности тока.
Особое место занимают формы самостоятельного тока, лишенные вовсе катодного падения, что связано с наличием слоя поверхностных зарядов на полупроводящей пленке, находящейся на поверхности катода. Сходные во многих отношениях с тлеющим разрядом, они, однако, отличаются от него отсутствием его наиболее характерной части - области катодного падения потенциала.
Классификация неустановившихся форм тока в газе основывается на поведении его электропроводности: изменяется ли она вместе с током, и если меняется, то как именно: только по величине или по роду поддерживающих ее процессов. По этому признаку нестационарные токи делятся на следующие группы.
Изменение тока при постоянной проводимости газа. В этом случае ток меняется, как и в постоянных проводниках, при изменении действующего в газе электрического поля.
Изменение тока при изменяющейся проводимости газа со временем. Такое изменение происходит, если усиливается или ослабевает по какой-либо причине интенсивность процессов ионизации или деионизации. При этом предполагается, что преобладающие виды элементарных процессов остаются теми же самыми, и потому вид самостоятельного тока не изменяется. Важнейший случай этого представляет собой изменение напряженности электрического поля, действующего в газе, на время, достаточное для появления новых электронов и ионов путем ударной ионизации. Баланс элементарных процессов нарушается: ускорение зарядов не компенсируется потерями скорости при столкновениях, ионизация - деионизацией. Вследствие этого концентрация носителей, распределение их скоростей и зависящие от них величины становятся функциями времени. Усилие поля означает в большинстве случаев усиленную ионизацию и повышение электропроводности газа; ослабление поля - снижение последней. Среди подобных процессов выделяют две группы.
1. Процессы, при которых изменения парам происходят настолько медленно, что состояние газа и процессов в нем в каждый момент времени близко к установившемуся (квазистационарно).
2. Переходные процессы, соответствующие резкому однократному изменению основного фактора ионизации (например, электрического поля) от одного (начального) значения до другого (конечного). Анализ подобных процессов позволяет войти в сущность динамики данной формы тока в газе.
Переход одного вида самостоятельного тока в другой. Такие переходы происходят, если изменившиеся условия протекания тока приводят к замене основного элементарного процесса появления носителей заряда другим процессом. Например, случаи перехода темного тока в тлеющий, темного или тлеющего тока в дугу, короны в стример, стримера в канальную стадию искры и т. д.
Появление самостоятельного тока в газе (пробой газа).
Этот случай (называемый также зажиганием) связан с появлением значительной проводимости в газе, ранее не проводившем сколько-нибудь значительного тока или не проводившем вовсе.
1. Самостоятельный ток возникает (зажигается) в газе, не содержавшем предварительно никаких носителей заряда (пробой неионизованного газа). Практически для начала пробоя нужно, чтобы в газовом промежутке появился хотя бы один свободный электрон.
2. Возникновение самостоятельного тока происходит в газе, содержащем свободные носители заряда. При этом рассматриваются два случая.
1. Свободные носители заряда появляются под действием постороннего фактора; этот случай означает переход несамостоятельного тока в самостоятельный. Конкретные формы этого процесса могут в свою очередь различаться в зависимости от условий, при которых происходит пробой: сжатый газ, разреженный газ или отсутствие газа (высокий вакуум). Начальная стадия процесса (появление самостоятельного тока) в дальнейшем перерастает в другие стадии - переход одной формы самостоятельного тока в другую.
2. Свободные носители остались от предыдущего прохождения самостоятельного тока - случай «повторного зажигания».
Процессом, обратным возникновению самостоятельного тока в газе, является его прекращение (гашение). С ним связано явление остаточной проводимости и ее распада (деионизации газа), а также различные виды остаточных токов. Протекание этих процессов глубоко различно; они различаются своим механизмом, а потому и темпом: в то время как пробой газа происходит за время движения электронных лавин и может быть порядка 10в-7 с и даже меньше, исчезновение газовой проводимости длится гораздо дольше (10в-5 с и более), т. к. определяется временем движения ионов.
К описанной выше классификации следует сделать следующие замечания.
1. Она относится к токам в целом, а не к отдельным областям тока или отдельным явлениям в них. Поэтому такие области, как плазма, коронирующий слой и т. д., здесь не фигурируют, тем более что некоторые из них могут встречаться у различных видов тока в газе.
2. Признаки, определяющие вид тока, не обязательно применимы к каждой его области. Так, корона является видом самостоятельного тока; в то же время в ее внешней зоне проводимость поддерживается только ионами, поступающими из коронирующего слоя, и, следовательно, не является самостоятельной.
3. Приведенная классификация уже сейчас не является ни бесспорной, ни исчерпывающей, и, несомненно, что со временем ее придется изменять и пополнять (мнение самих авторов классификации).