Електричний самостійний і несамостійний розряд виникає в різних газових середовищах при наявності певних умов. Людиною використовується, як правило, самостійний розряд. У статті дається характеристика зазначеним явищам.
Що таке електричний розряд в газах?
Перш ніж розглядати газовий розряд самостійний і несамостійний, дамо визначення цьому явищу. Під розрядом розуміють виникнення електричного струму в газі. Оскільки газові середовища за своєю природою є ізоляторами, то це означає, що струм зумовлений наявністю в них вільних носіїв електричного заряду. Крім них також повинна існувати електричне поле, щоб заряди набували спрямований рух.
Електричне поле може бути створене шляхом додатка до обсягу газу зовнішньої різниці потенціалів (наявність електродів: негативний катод і позитивний анод).
Джерелами носіїв заряду можуть бути наступні процеси:
- Термоионизация. Вона виникає за рахунок механічного зіткнення газових частинок (атомів, молекул) високих енергій і вибивання з них електронів. Цей процес активується при збільшенні температури.
- Фотоіонізації. Її суть полягає в поглинанні електроном високоенергетичного фотона і його відрив від атома.
- Холодна емісія електронів. Виникає за рахунок бомбардування іонами поверхні катода.
- Термоэлектронная емісія. Цей процес обумовлений випаровуванням електронів високих енергій з катода і їх участю в подальшій іонізації плазми.
Названі процеси лежать в основі класифікації типів розрядів (самостійний і несамостійний).
Поняття про самостійності розряду
Розглянемо випадок з катодного трубкою. Вона являє собою запаяну ємність, в якій є деякий газ під певним тиском. На кінцях цієї трубки знаходяться електроди. Якщо до них додати невелику різницю потенціалів, то практично ніякого струму не виникне. Пов’язано це з відсутністю достатньої кількості носіїв заряду.
Якщо ж нагріти газ або піддати його опроміненню ультрафіолетом, то вольтметр відразу зафіксує поява струму. Це яскравий приклад несамостійного розряду. Він так називається, тому що для його існування необхідним зовнішній джерело іонізації (випромінювання, температура). Варто прибрати цей джерело, як показання вольтметра знову стануть рівними нулю.
Якщо ж при відсутності зовнішніх джерел іонізації збільшувати напругу між електродами трубки, то почне з’являтися струм, який пройде кілька стадій (насичення, зростання, спадання). У цьому випадку говорять про самостійне електричному розряді. Він вже не вимагає зовнішніх джерел, необхідні носії заряду породжуються всередині самої системи. Процеси їх утворення залишаються тими ж, що і для несамостійного розряду. При високих напругах і великих густинах струму додається ще й термоэмиссия катода електронів.
Вольтамперна характеристика розряду
Газовий самостійний і несамостійний розряд зручно вивчати, якщо використовувати залежність напруги від сили струму (або навпаки), яку прийнято називати вольтамперной характеристикою. Вона дозволяє судити не тільки про величину напруги і струму в системі, але й про події, що відбуваються в ній електричних процесах.
Нижче наведена вольтамперна характеристика, на якій відображені всі основні фази розвитку розряду.
Як видно їх три: темний, тліючий і дуговий. Далі в статті опишемо докладніше ці фази.
Темний розряд
Він описується проміжком AC. При збільшенні напруги U, струм I зростає за рахунок збільшення швидкості руху іонів. Однак ці швидкості невеликі, тому має місце несамостійний розряд. В області BC він виходить на насичення і стає самостійним, оскільки швидкість іонів стає достатньою, щоб при бомбардуванні катода вибивати з нього електрони. Ці електрони призводять до додаткової іонізації газу.
Темний заряд отримав таку назву тому, що його світіння практично дорівнює нулю: низька концентрація плазми, малі струми (10-8 А), відсутність рекомбінації іонів і електронів.
Тліючий розряд
На вольтамперной характеристиці йому відповідає зона між точками C і F. З малюнка видно, що напруга змінюється (зменшується і зростає), струм ж постійно збільшується. Інтерес представляють дві підзони:
- Точки OE – нормальний тліючий розряд. Причина зростання струму тут пов’язана з збільшенням площі плазми в газі. Тобто спочатку це невеликі вузькі канали, потім за рахунок холодної емісії електронів вони розширюються, поки не досягнуть всього обсягу трубки. З цього моменту настає перехід в наступну подзону.
- Точки EF – аномальний розряд. Струм цього самостійного розряду в газі починає рости за рахунок гарячої електронної емісії. Температура катода поступово підвищується, і він починає випускати негативно заряджені частинки.
У нормальній області тліючого розряду працюють всі неонові та люмінесцентні лампи.
Іскровий і дуговий розряди
Ці види самостійних розрядів охоплюють зону FG на малюнку. Тут відбуваються складні процеси.
Коли напруга між електродами зросте на максимальну величину (точка F), і відбудеться активація термоемісії електронів з катода, тоді створяться сприятливі умови для формування нестабільної іскрового розряду. Він являє собою короткочасні пробої (мікросекунди), які мають характерну зигзагоподібну форму. Яскравий приклад у природі – блискавка в атмосфері.
Розряд відбувається по вузьких каналах, які називають стримерами. Вони являють собою вузькі ламані лінії высокоионизированной плазми, які з’єднують катодну поверхню з анодної. Сила струму досягає в них десятків тисяч ампер.
Стабілізація іскрового заряду веде до формування стійкої дуги (область точки G). В цьому випадку весь обсяг газу в трубці – це высокоионизированная плазма. Поверхня катода розігрівається до 5000-6000 До, а анода – до 3000 К. Такий сильний нагрівання катода призводить до утворення на ньому так званих “гарячих плям”, які стають потужним джерелом термоелектронів і є причиною ерозійного зносу цього електрода. Напруга при дуговому розряді не є високим (кілька десятків вольт), а от сила струму може досягати 100 А і більше. Зварювальна дуга – яскравий приклад цього типу розряду.
Таким чином, існування самостійного і несамостійного розрядів у газах обумовлено механізмами його іонізації і формування плазми при збільшенні напруги і сили струму в системі.
