к библиотеке   к оглавлению   FAQ по эфирной физике   ТОЭЭ   ТЭЦ   ТПОИ   ТИ  

РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА

Глоссарий по физике

А   Б   В   Г   Д   Е   Ж   З   И   К   Л   М   Н   О   П   Р   С   Т   У   Ф   Х   Ц   Ч   Ш   Э   Ю   Я  

Электрические разряды в газах

  1. Разряды в постоянном поле
  2. Классификация газовых разрядов
  3. Дрейф и энергия электронов в электрическом поле
  4. Образование и рекомбинация заряженных частиц в электрическом поле
  5. Пробой
  6. Тлеющий разряд
  7. Дуговой разряд
  8. Высокочастотные разряды
  9. Искровой разряд
  10. Применения газовых разрядов
  11. Литература по электрическим газовым разрядам

Электрические разряды в газах - прохождение электрич. тока через ионизованные газы, возникновение и поддержание ионизованного состояния под действием электрич. поля. Термин "разряд" возник от обозначения процесса разрядки конденсатора через цепь, включающую в себя газовый промежуток, что происходит, когда напряжение превышает порог пробоя промежутка. Ныне это слово употребляют в более широком смысле.

Существует множество видов электрических разряды в газах в зависимости от характера приложенного поля (пост. электрич. поле, переменное, импульсное, ВЧ, СВЧ), от давления газа, формы и расположения электродов и т. п. Ниже даны общее описание и примерная классификация разрядных явлений, рассмотрены их осн. составляющие элементы и более подробно- важнейшие виды разрядов.

Разряды в постоянном поле

Законы прохождения электрич. тока через газы значительно сложнее, чем через металлы и электролиты; лишь в редких случаях они подчиняются закону Ома. Их электрич. свойства описывают вольт-амперной характеристикой (BAX). Если в стеклянную трубку, наполненную к--л. газом, ввести два электрода, подключённые к источнику пост, напряжения, то даже при небольшом напряжении (V<100 В) сверхчувствительный прибор зарегистрирует протекание очень слабого тока ~10-15 А. Ток создаётся "вытягиванием" полем на электроды зарядов, образующихся под действием космич. лучей и естеств. радиоактивности. Если облучать газ рентг. или радиоакт. источником, ток повысится до 10-6 А. При повышении напряжения ток сначала возрастает, затем достигает насыщения (чему соответствует полное вытягивание всех зарядов, образуемых внеш. источником)-участок AB на рис. 1.

469-512_09-20.jpg

Рис. 1. Вольт-амперная характеристика газовых разрядов: AB- несамостоятельный разряд; BC-тёмный таунсендовский; DE- нормальный тлеющий; EF-аномальный тлеющий; FG-переход в дугу; GH-дуговой;469-512_09-21.jpg-нагрузочная прямая.

Такие разряды и ток, к-рые существуют только при действии постороннего ионизующего агента или, напр., благодаря электронной эмиссии, вызванной накаливанием катода, наз. несамостоятельными.


При нек-ром напряжении, зависящем от рода газа, давления r и расстояния между электродами d, происходит пробой и зажигается самостоятельный разряд, к-рый не нуждается в постороннем источнике ионизации.

Пробой газа начинается от случайных или искусственно впрыскиваемых нач. электронов, к-рые набирают в элек-трич. поле энергию, а затем теряют её на возбуждение и ионизацию атомов. В результате ионизации вместо одного энергичного электрона появляются два медленных, они снова набирают энергию и т. д.- развивается лавина электронная .За469-512_09-22.jpgс ток вырастает на неск. порядков.
Дальнейший ход процесса зависит от ряда условий. При небольших давлениях (~10-1 -10 тор) и очень большом электрич. сопротивлении внеш. цепи469-512_09-23.jpgограничивающем ток величиной ~10-6 А, зажигается тёмный (таунсен-довский) разряд (участок BC на рис. 1); при несколько меньших сопротивлениях - тлеющий разряд (участок CF). Для последнего характерны ток469-512_09-24.jpg(в трубках радиуса R~1 см) и напряжение469-512_09-25.jpgВ. При большом межэлектродном расстоянии образуется однородный светящийся столб (положит. столб разряда), представляющий собой плазму. Плазма тлеющего разряда неравновесная, электронная темп-pa469-512_09-26.jpgК значительно больше газовой температуры469-512_09-27.jpgстепень ионизации469-512_09-28.jpgплазмы тлеющего разряда низкая, ~10-8- 10-6, в 102-104 раз меньше термодинамически равновесной, отвечающей Те. Если r порядка атмосферного, сопротивление мало, а источник тока мощный, то вскоре после пробоя зажигается дуговой разряд, для к-poro характерны сильный ток 469-512_09-29.jpg низкое напряжение469-512_09-30.jpgВ (участок CH на рис. 1), ярко светящийся столб.

В дуге выделяется большая мощность, стеклянная трубка быстро разрушилась бы от перегрева. Длительно поддерживать дугу в замкнутом сосуде можно только при спец. охлаждении. Дугу часто зажигают в открытом воздухе. В дуговом разряде плазма чаще всего равновесная, с 469-512_09-31.jpgК и соответствующей таким температурам степенью ионизации469-512_09-32.jpg Какой разряд получится после пробоя, зависит от давления, напряжения и сопротивления и на графике определяется местом пересечения BAX разряда469-512_09-33.jpgнагрузочной прямой469-512_09-34.jpg-эдс источника питания (рис. 1).

Классификация газовых разрядов

Среди стационарных самостоятельных разрядов в пост. поле наиб. важные и распространённые - тлеющий и дуговой. Они различаются механизмами катодной эмиссии, обеспечивающей возможность протекания пост. тока, поскольку осн. носителями тока являются электроны. В тлеющем и тёмном (таунсендовском) разрядах катод холодный. Электроны вырываются из него положит. ионами (и фотонами). В дуговом разряде катод разогревается сильным током и происходит термоэлектронная эмиссия .В резко неоднородных полях, усиленных около острий, проводов линий электропередачи, возникает коронный разряд, самостоятельный и слаботочный. Среди быстротечных сильноточных разрядов особенно важен искровой разряд .Он возникает обычно при469-512_09-35.jpgсм и достаточно высоком напряжении, превышающем напряжение зажигания короны, если поле сильно неоднородное. Искровой пробой газа происходит в результате возникновения и быстрого развития тонкого плазменного канала от одного электрода к другому; затем получается как бы короткое замыкание цепи высокопроводящим искровым каналом. Одна из форм искрового разряда-молния. В коронном и искровом разрядах катодная эмиссия особой роли не играет.

Несущественна роль электродных процессов и в большинстве разрядов в быстропеременных полях. Поэтому разряды можно классифицировать, и не учитывая признаки, связанные с электродными эффектами, а по состоянию плазмы разряда и частоте электрич. поля. По характеру ионизац. состояния газа можно различать: 1) пробой;

2) поддержание электрич. полем неравновесной плазмы;

3) поддержание равновесной плазмы. Электрич. поля, вызывающие газовые разряды, делятся по частотам на: 1) постоянные, включая низкочастотные и не слишком кратковременные импульсные; 2) высокочастотные (ВЧ), с частотами469-512_09-36.jpgсверхвысокочастотные (СВЧ), с 469-512_09-37.jpg и длинами волн469-512_09-38.jpg

4) оптические (от далёкого ИК до УФ). Все469-512_09-39.jpg вариантов разрядов реализуются на опыте, многие нашли широкое применение в физ. эксперименте и технике (табл. 1).

Табл. 1.- Классификация разрядов

469-512_09-40.jpg

Дрейф и энергия электронов в электрическом поле

Ускоряясь в пост. поле E, электрон при каждом столкновении теряет приобретённую направленную скорость. На фоне хаотич. движения устанавливается ср. скорость направленного дрейфового движения 469-512_09-41.jpg где 469-512_09-42.jpg-подвижность, 469-512_09-43.jpg-эфф. частота упругих столкновений электрона, е - заряд, т - масса. В слабоионизованном газе, при469-512_09-44.jpg, частота столкновений469-512_09-45.jpgгде W- плотность атомов и молекул, 469-512_09-46.jpg-ср. скорость хаотич. движения электрона,469-512_09-47.jpg-транспортное сечение,469-512_09-48.jpg-сечение упругих столкновений469-512_09-49.jpgкосинус угла рассеяния (обычно469-512_09-50.jpgТранспортная длина пробега469-512_09-51.jpg При469-512_09-52.jpgпреобладают столкновения с ионами; N заменяется на плотность ионов 469-512_09-53.jpg - на кулоновское сечение469-512_09-54.jpg 469-512_09-55.jpg - кулоновский логарифм .При469-512_09-56.jpg469-512_09-57.jpg см , тогда как469-512_09-58.jpg Столкновение электрона с электроном к потере направленного импульса не приводит. В слабоионизованном газе действует подобия закон: 469-512_09-59.jpgзависит от отношения 469-512_09-60.jpg Если темп-pa газа мало отличается от комнатной, плотность N обычно характеризуют давлением; при T= 293 К давлению р=1 мм рт. ст. = 1 тор соответствует плотность469-512_09-61.jpg
Плотность тока 469-512_09-62.jpg где469-512_09-63.jpg469-512_09-64.jpg - проводимость. Когда преобладают столкновения электронов с ионами,469-512_09-65.jpgи не зависит от пе. Из-за большой массы подвижность ионов469-512_09-66.jpg раз меньше469-512_09-67.jpgпоэтому в плазме, где469-512_09-68.jpgвклад ионов в ток пренебрежимо мал. В табл. 2 приведены эксперим. оценочные значения характеристик электронов в диапазонах469-512_09-69.jpgсвойственных плазме тлеющего разряда.

Табл. 2.- Оценочные значения параметров слабоионизованного газа

469-512_09-70.jpg

В 1 см3 за 1 с электрич. поле совершает над электронами работу469-512_09-111.jpg Это есть джоулево тепло тока, передаваемое электронами газу при столкновениях. Упругая передача в одном эфф. столкновении составляет долю469-512_09-112.jpgот энергии электрона(M469-512_09-113.jpg - масса атома); 469-512_09-114.jpg В молекулярном газе электрон гораздо больше тратит на возбуждение колебаний молекул; 469-512_09-115.jpg . Cp. энергия электрона469-512_09-116.jpgсоответствует балансу между приобретением и передачей энергии газу; баланс устанавливается очень быстро, за время469-512_09-117.jpg. При не зависящем от энергии транспортном сечении469-512_09-118.jpg469-512_09-119.jpg и максвелловском распределении скоростей469-512_09-120.jpgср. энергия 469-512_09-121.jpg. Действует закон подобия: e~Е/N. В положит. столое тлеющего разряда469-512_09-122.jpgэВ. Когда частота электрон-электронных столкновений много меньше469-512_09-123.jpgэлектронный спектр далёк от максвелловского и469-512_09-124.jpgимеет условный смысл. Более строгие выражения для 469-512_09-125.jpg и др. параметров находят, решая кинетич. ур-ние для функции распределения электронов по скоростям469-512_09-126.jpg

Образование и рекомбинация заряженных частиц в электрическом поле

Атомы и молекулы ионизуются гл. обр. ударами электронов (см. Ионизация), в слабоионизованной неравновесной плазме - преим. из осн. состояния. Зная сечение ионизации469-512_09-127.jpgи функцию распределения электронов, можно вычислить частоту ионизации469-512_09-128.jpg-число ионизации, совершаемых электроном в 1 с. Вблизи порога (ионизационного потенциала /)469-512_09-129.jpgПри максвелловском распределении имеем:469-512_09-130.jpg
Константы469-512_09-131.jpgдля разных газов различаются в 2-3 раза. Для Ar, напр., 469-512_09-132.jpgВ случае пост, поля удобнее оперировать ионизац. коэф.469-512_09-133.jpg-числом ионизации, к-рые электрон совершает на 1 см дрейфового пути вдоль поля:469-512_09-134.jpgОбычно экспериментально измеряют
469-512_09-135.jpg а не 469-512_09-136.jpg Для этих параметров также существует закон подобия:469-512_09-137.jpg(рис. 2). Для определения469-512_09-138.jpgшироко используется полуэмпирич. ф-ла Таунсенда: ,469-512_09-139.jpgпостоянные A и B к-рой находят либо из опыта (для больших469-512_09-140.jpgлибо на основе решения кинетич. ур-ния (при низких 469-512_09-141.jpg Напр., в для 469-512_09-142.jpg469-512_09-143.jpg469-512_09-144.jpg469-512_09-145.jpgпри

469-512_09-146.jpg

Ионизация может быть и ступенчатой: первым электронным ударом атом лишь возбуждается, а ионизуется следующим или после повторного возбуждения. При объединении возбуждённых атомов может произойти ассоциативная ионизация (напр.,469-512_09-147.jpg
Заряды из плазмы исчезают в результате рекомбинации в объёме или на стенках. При низкой температуре газа электронная рекомбинация в объёме идёт преим. диссоциативным механизмом типа 469-512_09-71.jpg с коэф. 469-512_09-72.jpg (в инертных газах после предварит.реакции конверсии типа469-512_09-73.jpg Частота рекомбинации469-512_09-74.jpg При тор 469-512_09-75.jpg преобладает амбиполярная (совместная) диффузия электронов и ионов с частотой469-512_09-76.jpgк стенкам, где они и нейтрализуются.
При469-512_09-77.jpg коэф. амбиполярной диффузии 469-512_09-78.jpg(в азоте, напр.,469-512_09-79.jpg диффузионная длина. В длинной трубке469-512_09-80.jpg

В электроотрицат. газах (O2, CO2, галогенах, их смесях и др.) происходит прилипание электронов с образованием отрицат. ионов. Скорость прилипания характеризуется частотой469-512_09-81.jpg аналогичнымПод469-512_09-82.jpg ударами возбуждённых частиц электроны могут отлипать от отрицат. ионов. Коэф. а нарастает с увеличением469-512_09-83.jpg быстрее, чем а, поэтому кривые469-512_09-84.jpgпересекаются [напр., в воздухе-при469-512_09-85.jpg кВ/(см-атм)]. При меньшем469-512_09-86.jpgв отсутствие отлипания ионизация в воздухе идти не может. В отсутствие поля прилипание идёт в тройных столкновениях типа 469-512_09-87.jpg в воздухе при p= 1 атм частота прилипания 469-512_09-88.jpg, т. е. электрон живёт- 469-512_09-89.jpg 10-8 с. Положит. и отрицат. ионы в воздухе при атм. условиях рекомбинируют с коэф.469-512_09-90.jpg
В равновесной плазме при469-512_09-91.jpgи469-512_09-92.jpgатм преобладают ступенчатая ионизация и электрон-ионная рекомбинация в тройных столкновениях, но пе однозначно определяется Т, и r - ур-нием Саха.

Пробой

Плоский промежуток длиной469-512_09-93.jpgв пост, поле 469-512_09-94.jpg тор · см пробивается путём размножения лавин через вторичную эмиссию. От каждого электрона, вышедшего с катода, рождается469-512_09-95.jpg электрон-ионных пар. Попав на катод, ион выбивает из него g вторичных электронов (коэф. эмиссии469-512_09-96.jpg 10-3). Если вторичных электронов будет больше, чем первичных, ионизация будет неудержимо нарастать и произойдёт пробой. Порог пробоя или потенциал зажигания разряда V1 определяется из условия Таунсенда:

469-512_09-97.jpg

С учётом (2)469-512_09-98.jpg

Эта формула неплохо описывает эксперим. кривые Пашена (рис. 3), имеющие минимум при следующих параметрах:

469-512_09-99.jpg

где469-512_09-100.jpg-экспонента. В точке минимума кривой Пашена условия по pd оптимальны для размножения электронов.

469-512_09-101.jpg

Рис. 3. Потенциалы зажигания в постоянном поле (кривые Пашена).

В осциллирующем поле469-512_09-102.jpgэлектрон совершает колебания: при 469-512_09-103.jpg-свободные, с амплитудой 469-512_09-104.jpg ; при469-512_09-105.jpg-дрейфовые, с469-512_09-106.jpgЕсли а много меньше характерных размеров разрядного объёма (что типично для СВЧ-диапазона), то лавины локализованы. Ионизация, вызванная случайным электроном, нарастает, если её частота469-512_09-107.jpgпревышает частоту диффузии электрона к стенкам469-512_09-108.jpg В начале процесса зарядов мало и электроны диффундируют свободно с коэф. диффузии 469-512_09-109.jpgПороговое для пробоя среднеквадратичное поле E, определяется из условия469-512_09-110.jpg в электроотрицат. газе469-512_09-148.jpgПорог пробоя Еt)имеет минимум в зависимости от давления (рис. 4). Это объясняется следующим. При больших р. когда469-512_09-149.jpg электрон набирает в перем. поле энергию примерно так же, как в постоянном, и469-512_09-150.jpg Ионизация идёт интенсивно,

469-512_09-151.jpg

если ср. энергия электрона469-512_09-152.jpgпорядка I, т. е.469-512_09-153.jpgне меняется, и, следовательно,469-512_09-154.jpgПри низких р, когдаочень469-512_09-155.jpgсильна диффузия, и чтобы произошёл пробой (т. е. было выполнено условие469-512_09-156.jpgполе должно возрастать при уменьшении р. Минимум соответствует такому р, когда 469-512_09-157.jpg Для СВЧ-диапазона тор. 469-512_09-158.jpg469-512_09-159.jpg В/см. В качеств. отношении сказанное справедливо и для оптич. пробоя, но для оптич. частот pmin~103 атм (см. Оптические разряды). При понижении частоты в ВЧ-диапазоне амплитуды дрейфовых колебаний могут оказаться сравнимыми с размерами сосуда. Тогда электроны начинают ударяться о стенки, их потери и порог пробоя скачкообразно возрастают.

Тлеющий разряд

Неотъемлемым элементом тлеющего разряда является катодный слой положительного пространственного заряда с сильным полем у катода 469-512_09-160.jpg и значит. катодным падением потенциала Vк ~ 150-400 В. Именно им обусловлено т. н. отрицательное тлеющее свечение за катодом, откуда и название разряда. Положит. плазменный столб играет роль проводника, соединяющего катодные части разряда с анодом (рис. 5). При уменьшении расстояния между электродами сначала сокращается именно он, потом фарадеево тёмное пространство (см. Тлеющий разряд), а катодный слой не изменяется, и лишь когда не хватает места для него (и отчасти для отрицат. свечения), горение разряда сильно затрудняется. Разряд может гореть и в сосудах замыслова-юй формы. Вследствие оседания электронов на стенках возникает дополнит. поле, к-рое векторно складывается с внешним. Силовые линии результирующего поля, протягиваясь от анода к катоду, повторяют все изгибы трубки.

Самоподдержание тока в тлеющем разряде осуществляется за счёт катодного слоя, благодаря неравномерному распределению потенциала между электродами (рис. 5). Часть межэлектродного промежутка заполняет хорошо проводящий . положит. столб со слабым полем 469-512_09-161.jpg В/(см · тор).

469-512_09-165.jpg

Рис. 5. Структура тлеющего разряда в трубке. Показаны распределения интенсивности свечения I, потенциала469-512_09-162.jpg поля E, плотностей электронного jе и ионного469-512_09-163.jpgтоков, плотностей ионов469-512_09-164.jpg и электронов пe, плотности объёмного заряда469-512_09-166.jpg

Тем самым сокращается толщина области d, где должно происходить осн. размножение электронов и осуществляется самоподдержание тока. Уменьшение d приводит к наиб. выгодным для размножения условиям, отвечающим минимуму напряжения на кривых Пашена (рис. 3) и ф-лам (5).

Когда ток занимает не весь катод, плотность тока на катоде jн имеет вполне определённое "нормальное" значение, удовлетворяющее закону подобия:

469-512_09-167.jpg

где469-512_09-168.jpg

Обычно

469-512_09-169.jpg

469-512_09-170.jpg

469-512_09-171.jpg

При увеличении тока растет площадь свечения на катоде, а469-512_09-172.jpgостаются неизменными (участок DE на BAX, рис. 1). 1акой разряд наз. нормальным. Когда свечение занимает весь катод, j, Vк и V при росте тока возрастают. Это - аномальный разряд (участок EF на рис. 1).

В любом сечении длинного однородного положит. столба ионизация компенсирует гибель электронов за счёт рекомбинации, амбиполярной диффузии к стенкам, прилипания (к-рое может частично компенсироваться отлипанием). Этим определяется зависимость поля в столбе от плотности зарядов в плазме (эквивалент BAX столба). При сильном нагреве газа BAX - падающая. В тлеющем разряде возникают разл. неустойчивости. Наиб. распространена иони-зационно-перегревная, связанная с увеличением частоты ионизации при тепловом расширении газа, вызванном случайным локальным перегревом. Рост469-512_09-173.jpgведёт к увеличению nе, дополнит. тепловыделению469-512_09-174.jpgи дальнейшему росту T. Эта неустойчивость вызывает контракцию газового разряда - стягивание разряда в токовый шнур. Др. неустойчивости приводят к возникновению страт - расслоению положит. столба вдоль тока на сильно и слабо ионизованные участки. Чаще всего страты бегут от анода к катоду и глазом не видны (см. также Низкотемпературная плазма).

Дуговой разряд

Его отличит. черта - малость катодного падения,469-512_09-175.jpgРазогретый интенсивным потоком ионов катод или его токонесущие участки (катодные пятна) испускают достаточно сильный электронный ток. Плазма положит. столба дугового разряда при атм. давлении равновесна, её проводимость определяется температурой T. Поле в столбе469-512_09-176.jpgопределяются балансом энергии: джоулево тепло469-512_09-177.jpgвыносится за счёт теплопроводности к охлаждаемым стенкам (если дуга горит в трубке), либо рассеивается в пространстве (дуга в свободной атмосфере). Типичным примером последнего является дуга с угольными электродами в воздухе (рис. 6). BAX

469-512_09-178.jpg

столба и всей дуги падающая (рис. 7). Напряжение горения дуги складывается из напряжения на положит. столбе, пропорционального его длине, катодного469-512_09-179.jpg и анодного падений напряжения. Когда на аноде образуется анодное пятно с469-512_09-180.jpgанодное напряжение

резко уменьшается от Va5105-1.jpg40 В до 10 В при i5105-2.jpg15-20 А. Из-за большой плотности тока анод в пятне испаряется (температура 5105-3.jpg4200 К), при этом дуга "шипит".

Для мощных (102 - 103 кВт) электродуговых устройств важнейшей является проблема эрозии электродов, в особенности катода. Даже тугоплавкие материалы, такие как вольфрам, подвержены разрушению и испарению, в особенности в катодных пятнах, где плотность тока достигает 107 А/см2. В катодных пятнах происходит термоавтоэлект-ронная эмиссия - сочетание действия температуры Т5105-5.jpg3000- 5000 К и полевой эмиссии (Е5105-6.jpg107 В/см). Катодные пятна всегда образуются в вакуумных дугах с металлич. электродами, используемых в вакуумных переключателях. В дугах высокого давления (р5105-7.jpg10 атм) в Hg, Xe подавляющая часть джоулева тепла уносится излучением, что используется для изготовления дуговых ламп (см. Источники оптического излучения ).В ряде приборов применяется низковольтная дуга низкого давления (p~ 1 тор, V5105-8.jpg10-20 В, i~ 1 А) с искусственно накаливаемым катодом.

5105-4.jpg

Рис. 7. ВАХ угольной дуги в воздухе; d-расстояние между электродами.

Высокочастотные разряды

Высокочастотные разряды бывают двух типов: индукционные (ВЧИ) и ёмкостные (ВЧЕ). Безэлектродный ВЧИ-разряд обычно зажигают внутри диэлектрич. трубки, вставленной в катушку (достаточно и неск. витков), по к-рой пропускается ВЧ-ток (рис. 8, а). В этом случае перем. продольное магн. поле индуцирует в разрядной плазме кольцевые замкнутые поле Е и токи. ВЧИ-разряды чаще зажигают при р5105-10.jpg1 атм. Плазма ВЧИ-разряда равновесна, подобно плазме столба дуги, Т5105-11.jpg8000- 11 000 К. В устройствах небольшой мощности (~ 1 кВт) тепло отводится за счёт теплопроводности к охлаждаемым стенкам; в мощных устройствах (~ 10-103 кВт) по трубке продувают газ со скоростью и~ 1 м/с. Поток отжимает плазму от стенок и выносит тепло с плазменной струёй. Режим горения оптимален при таких температуре Т, проводимости s(T) и радиусе плазменного столба R, что толщина скин-слоя d = с/5105-12.jpg , на к-рый ВЧ-поле проникает в проводник, меньше, но сравнима с R~ 1-2 см.

5105-9.jpg

Рис. 8. Способы возбуждения ВЧ-разрядов: а-индукционный; б-ёмкостный; в - ёмкостный безэлектродный (изоляторы заштрихованы).

ВЧЕ-разряд при низких и средних давлениях (p~10-1 - 102 тор) обычно зажигают, подавая ВЧ-напряжение на плоские электроды. Электроды могут быть и оголёнными, и изолированными от плазмы диэлектрич. пластинами (рис. 8, б, в). Весь разрядный объём в плоском промежутке заполнен малоподвижными ионами. На их фоне электроны совершают дрейфовые колебания, так что граница плазмы, где пе = п+ , также перемещается, поочерёдно касаясь одной из твёрдых поверхностей. При этом обнажается ионный слой положит. пространственного заряда около противоположной поверхности. Нехватка электронов в промежутке, отчего и получаются приэлектродные слои, возникает из-за того, что находившиеся вблизи поверхностей электроны в самом начале либо уходят в металл, либо прилипают к изолирующим электроды пластинам.

Существуют две формы горения ВЧЕ-разряда. В a-форме приэлектродные слои практически лишены проводимости и плазменный ток замыкается на электроды токами смещения. Этому режиму соответствуют небольшие плотности тока j~10 мА/см2 при p~20 тор. При достаточно сильном общем токе и плотности зарядов в плазме п5105-13.jpg1010 см-3 (g-форма горения разряда) происходит таун-сендовский пробой слоев и у обоих электродов образуются слои с ионным током и вторичной эмиссией (в т. ч. и с диэлектрика, откуда срываются прилипшие электроны), очень похожие на катодный слой тлеющего разряда. В этой форме разряда ток j~ 102 мА/см2, а толщина слоев (при средних давлениях) на порядок меньше, чем в a-режиме, и близка к dн нормального тлеющего разряда. В этих слоях сочетаются ток проводимости и ток смещения. Когда ВЧ-напряжение подают на единств. электрод, возникает факельный разряд.

СВЧ-разряды

СВЧ-разряды зажигают в резонаторах, в диэлектрич. трубке, пересекающей волновод; в последнем случае обычно при р = 1 атм. Как и в ВЧИ-разряде, через трубку продувают газ. Разрядная плазма квазиравновесна, но темп-pa при мощностях ~1 кВт ~4000-6000 К. Она не поднимается выше, т. к. от сильнее ионизованной плазмы СВЧ-излучение отражается (см. также Оптические разряды).

Искровой разряд

Первой стадией этого разряда служит стримерный, а чаще лидерный пробой-прорастание тонкого плазменного канала от одного электрода к другому (см. Стримеры, Пробой газа). Потом канал превращается в искровой, способный пропустить сильный ток ("короткое замыкание"). Важнейшим элементом искрового пробоя является стример, к-рый зарождается от мощной электронной лавины, в простейшем случае - около самого анода. Электроны, сосредоточенные вблизи переднего фронта лавины, уходят в анод, оставляя положительно заряженный ионный след. Возбуждённые в лавине молекулы испускают фотоны, к-рые производят фотоионизацию. Фотоэлектроны дают начало вторичным электронным лавинам, к-рые втягиваются в ионный след, являющийся источником сильного поля. Смешиваясь с ионами первичной лавины, электроны вторичных образуют плазму, а во вторичные ионные следы втягиваются лавины следующего поколения и т. д. Процесс происходит непрерывно, и от анода прорастает плазменный канал - стример.

Лавинно-стримерный переход может произойти лишь при сильном внеш. поле Е0, при к-ром поле пространственного заряда головки лавины достигает внешнего. Это случается, когда в лавине нарождается N5105-14.jpgехр[a(E0)d]~108 электронов или a(E0)d5105-15.jpg18-20 (условие Мика). Радиус стримерного канала r~10-2-10-1 см; плотность зарядов в нём n~3N/4pr3~1013-1014 см-3; ток стримера (нагнетание положит. заряда в канал и вершину) ic~ 10-3 - 1 А; скорость роста стримера uc~108 см/с. Новые порции газа ионизуются благодаря сильному собств. полю стримерной вершины, и в этом смысле процесс - самоподдерживающийся. Но внеш. поле (4,7 кВ/см в канале в атм. воздухе) всё равно необходимо, ибо энергию поставляет источник тока. В воздухе из-за прилипания стримерный канал теряет свою проводимость на расстоянии uc/va~10 см от вершины. Поэтому перекрытие стримером воздушного промежутка с d5105-16.jpg20 см к пробою не приводит. В этих случаях действует лидерный механизм.

Лидер-плазменный канал, прорастающий со скоростью uл~10б см/с, но обладающий гораздо более высокой проводимостью благодаря повыш. температуре газа Т 5105-17.jpg5000 К, что исключает прилипание. Лидерный ток iл ~ 1 А складывается из токов множества стримеров, зарождающихся у лидерной вершины. Этот суммарный ток достаточен, чтобы нагреть воздух до Т 5105-18.jpg2500 К, когда прекращается прилипание. Схема лидерного процесса в многометровом воздушном промежутке между стержневым анодом и заземлённой плоскостью (что типично для экспериментов) показана на рис. 9. Лидерный канал, обладая высокой проводимостью, в значит. мере переносит потенциал анода к вершине, где поле очень сильное, как около острия.

5105-19.jpg

Рис. 9. Лидер: 1- светящаяся головка (r~0,5 см); 2-канал (r~10-2-10-1 см); 3-стримерная зона; 4 - остатки стримеров ("чехол").

Напряжение пробоя длинных промежутков (~ 10 м) достигает MB, но ср. поля в промежутке (Е~ 1 кВ/см•атм - 1 В/см•тор) в десятки раз меньше, чем при таунсендов-ском пробое. Ионизация газа идёт только в областях сильного собств. поля лидерной и стримерных вершин. Когда лидер достигает заземлённого электрода, по его каналу, всё ещё находящемуся под высоким потенциалом, со скоростью ~109 см/с проходит обратная волна снятия напряжения (возвратный удар). Благодаря сильнейшему полю на фронте волны ионизация в канале резко возрастает и он превращается в искровой с равновесной плазмой при Те5105-20.jpgТ5105-21.jpg20 000 К.

При постепенном подъёме напряжения на стержневом электроде искровому пробою предшествует коронный разряд, напряжение зажигания к-рого ниже, чем напряжение пробоя.

Применения газовых разрядов

Газовые разряды применяют в газосветных приборах, в электронных диодах с газовым наполнением, тиратронах, ртутных выпрямителях (игнитронах), в качестве стабилизаторов напряжения в счётчиках Гейгера ядерных частиц, в антенных переключателях, озонаторах, маг-нитогидродинамических генераторах. Широко используются электродуговая сварка, электродуговые печи для плавки металлов, дуговые коммутаторы. Получили большое распространение генераторы плотной равновесной низкотемпературной плазмы с T~104 К, p~1 атм - плазмотроны (дуговые, индукционные, СВЧ). В них продуванием холодного газа через соответствующий разряд получают плазменную струю. Тлеющий и ВЧЕ-разряды используют для создания активной среды в лазерах самой разл. мощности- от мВт до многих кВт, в плазмохимии. Эти и др. приложения, использование результатов исследований Э. р. в г. в технике высоких напряжений поставило физику газового разряда в ряд наук, к-рые служат фундаментом совр. техники.

Литература по электрическим газовым разрядам

  1. Грановский В. Л., Электрический ток в газе. Установившийся ток, М., 1971;
  2. Ховатсон А. М., Введение в теорию газового разряда, пер. с англ., М., 1980;
  3. Райзер Ю. П., Физика газового разряда, 2 изд., М., 1992.

Ю. П. Райзер

к библиотеке   к оглавлению   FAQ по эфирной физике   ТОЭЭ   ТЭЦ   ТПОИ   ТИ  

(время поиска примерно 20 секунд)

Знаете ли Вы, что "гравитационное линзирование" якобы наблюдаемое вблизи далеких галактик (но не в масштабе звезд, где оно должно быть по формулам ОТО!), на самом деле является термическим линзированием, связанным с изменениями плотности эфира от нагрева мириадами звезд. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

НОВОСТИ ФОРУМАФорум Рыцари теории эфира
Рыцари теории эфира
 13.06.2019 - 05:11: ЭКОЛОГИЯ - Ecology -> ПРОБЛЕМА ГЛОБАЛЬНОЙ ГИБЕЛИ ПЧЁЛ И ДРУГИХ ОПЫЛИТЕЛЕЙ РАСТЕНИЙ - Карим_Хайдаров.
12.06.2019 - 09:05: ВОЙНА, ПОЛИТИКА И НАУКА - War, Politics and Science -> Проблема государственного терроризма - Карим_Хайдаров.
11.06.2019 - 18:05: ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ФИЗИКА - Experimental Physics -> Эксперименты Сёрла и его последователей с магнитами - Карим_Хайдаров.
11.06.2019 - 18:03: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Андрея Маклакова - Карим_Хайдаров.
11.06.2019 - 13:23: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Вячеслава Осиевского - Карим_Хайдаров.
11.06.2019 - 13:18: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Светланы Вислобоковой - Карим_Хайдаров.
11.06.2019 - 06:28: АСТРОФИЗИКА - Astrophysics -> К 110 летию Тунгуской катастрофы - Карим_Хайдаров.
10.06.2019 - 21:23: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Владимира Васильевича Квачкова - Карим_Хайдаров.
10.06.2019 - 19:27: СОВЕСТЬ - Conscience -> Высший разум - Карим_Хайдаров.
10.06.2019 - 19:24: ВОЙНА, ПОЛИТИКА И НАУКА - War, Politics and Science -> ЗА НАМИ БЛЮДЯТ - Карим_Хайдаров.
10.06.2019 - 19:14: СОВЕСТЬ - Conscience -> РУССКИЙ МИР - Карим_Хайдаров.
10.06.2019 - 08:40: ЭКОНОМИКА И ФИНАНСЫ - Economy and Finances -> КОЛЛАПС МИРОВОЙ ФИНАНСОВОЙ СИСТЕМЫ - Карим_Хайдаров.
Bourabai Research Institution home page

Боровское исследовательское учреждение - Bourabai Research Bourabai Research Institution