151686 (Емісія електронів. Електричний струм в газах), страница 3

Рухливість іонів чисельно дорівнює швидкості їх напрямленого руху при напруженості поля E = 1В/м. Закон Ома виконується для напруг, менших .

При подальшому збільшенні напруги ( ) – ділянка ВС, струм в газі буде сталим, незмінним. Цей струм називають струмом насичення . Це такий струм, коли всі заряди, що виникають під впливом іонізатора ( попадають на електроди. Причому

,

де d – відстань між електродами.

Струм насичення не залежить від напруги і являється важливою характерною несамостійного розряду. Але якщо й дальше збільшувати напруги то струм в газі почне різко збільшуватись (ділянка СД) і несамостійний газовий розряд перетворюється в самостійний – це такий розряд, який зберігається після припинення дії іонізатора. Причому газ починає інтенсивно світитись за рахунок рекомбінації зарядів.

Напруга, при якій несамостійний розряд перетворюється в самостійний називається напругою запалювання, або напругою пробою .

При самостійному розряді заряди в газі утворюються за рахунок ударної іонізації. А це можливо тоді, коли під дією зовнішнього електричного поля електрон на шляху вільного пробігу набуває енергії, більшої за енергію (роботу) іонізації. При непружному зіткненні електрона з атомом газу виникають позитивний іон і один новий електрон. При наступному непрожному удару вже двох електронів з атомами виникає додатково ще два нових електрони і т.д. Такий процес називають електронною, або іонною лавиною. Але цього недостатньо. Щоб розряд був самостійним, щоб електронні лавини підтримували самі себе, треба щоб у газі відбувався ще один процес, в результаті якого утворювалися б нові електрони. Це може бути вторинна електронна емісія, фотоіонізація газу.

Внаслідок електронної лавинної іонізації струм самостійного газового розряду (рис.2 СД) різко зростає і його необхідно обмежувати. Для цього послідовно з газовим розрядом включають навантаження (дросель або резистор).

ВИДИ САМОСТІЙНОГО РОЗРЯДУ

Самостійний розряд розпочинається тоді, коли на довжині вільного пробігу електрон в електричному полі набуває кінетичну енергію достатню для іонізації атомів чи молекул. Причому, після кожного зіткнення кількість електронів подвоюється і загальна кількість зарядів в газі різко збільшується, утворюється лавина зарядів.

Сила струму, що виникає при самостійному розряді визначається за формулою:

,

де - струм насичення, який проходив би в газі при відсутності ударної іонізації, - коефіцієнт іонізації, d - відстань між електродами.

Існує декілька видів самостійного розряду: тліючий, іскровий, дуговий, коронний.

Тліючий розряд виникає при малих тисках газу (p 1мм рт.ст.) і характеризується тліючим свіченням поверхні катода, а в розрядному просторі виникає ряд світлих і темних ділянок (рис. 3).

Рис. 3

Ділянки мають назву:

1 – астоновий темний простір.

2 – катодне світіння.

3 - темний круксовий простір.

4 - тліюче (від’ємне) світіння.

5 - темний фардеєвий простір.

6 - позитивний світний стовп.

Важливу роль в механіці тліючого розряду відіграє катодний спад потенціалу (рис.3). Під дією поля в цій області ( 1 ) електрони набувають енергію достатню для збудження молекул і світіння яких створює в катодну плівку ( 2 ). Позитивні іони в цьому просторі вибивають з катоду вторинні електрони, які необхідні для підтримання розряду.

Темний круксовий простір ( 3 ) пояснюється тим, що електрони в цьому проміжку мають ще невелику енергію і пролітаючи її прискорюються настільки що в області ( 4 ) іонізують атоми і молекули тому за рахунок рекомбінації виникає тліюче свічення ( 4 ). Потім знову йде прискорення електронів ( 5 ) до енергії достатньої для збудження та іонізації молекул і в цьому просторі виникає позитивний світний стовп ( 6 ).

Тліючий розряд має важливе практичне використання: в люмінесцентних лампах, рекламній справі, різних сигнальних неонових лампах, в газових стабілізаторах, цифрових індикаторах і ін.

Коронний розряд спостерігається при порівняно високих тисках газу (атмосферний тиск), що знаходиться в досить неоднорідному електричному полі. Таке поле створюється, якщо один з електродів має значну кривизну (дротина, вістря і ін.) При досягненні напруженості 3.106 В/м електричного поля біля електрода з великою кривизною виникає свічення, що має форму корони. Коронний розряд займає проміжне положення між тліючим і іскровим розрядом.

Коронний розряд необхідно враховувати в техніці високих напруг, оскільки при цьому відбуваються втрати електричної енергії. Коронний розряд використовують в електричних фільтрах, призначених для очищення промислових газів від твердих і рідких домішок (дим при виробництві сірчаної кислоти, в металургії і ін.).

Іскровий розряд виникає, коли напруженість поля досягає напруженості пробою (або запалювання). Для повітря при атмосферному тиску напруженість пробою рівна 30 000 В/см. А взагалі напруженість пробою залежить від роду газу, його стану та від форми електродів. Іскровий розряд має форму вигнутого каналу, що яскраво світиться. Через канал розряду проходить значний струм, тому температура досягає 104 градусів і внаслідок цього утворюються ударні хвилі і виникають звукові ефекти. Початок іскрового розряду виникає внаслідок ударної іонізації і має коливальний характер. Механізм іскрового розряду пояснюється стримерною теорією. При рекомбінації виникають ультрафіолетові промені, які викликають фотоіонізацію атомів (молекул) в різних точках простору між електродами. В цих точках починаються лавинні розряди – стримери, які потім об’єднуються, утворюючи іскру (рис. 4).

Рис. 4

В твердих діелектриках іскра залишає отвори. Найбільшу пробивну напругу в твердих діелектриках має слюда (до 10 000 В/см).

Дуговий розряд виникає, якщо зблизити електроди (вугільні) до дотикання, а потім трохи ( 5 км ) розвести їх. Тоді між електродами виникає розряд, який називають дуговим. Сама так у 1802 році В.В.Петров відкрив дуговий розряд. При дуговому розряді протікає струм в десятки ампер, при напрузі 40-50 В. При горінні дуги катод загострюється, а на аноді утворюється заглибина-кратер дуги. При атмосферному тиску температура катоду досягає 3500оС, а в кратері анода – 4000оС. Велика електропровідність дуги пояснюється термоелектронною емісією із катода.

При збільшенні струму (за рахунок зменшення зовнішнього опору) збільшується електропровідність дуги і тому зменшується напруга на розрядному проміжку, внаслідок чого ВАХ є падаючою (рис. 5).

Рис. 5

Електрична дуга широко використовується на практиці: як потужне джерело світло ( в прожекторах ), в ртутних випрямлячах змінного струму, а дугових печах, в електрозварюванні і ін.

ПОНЯТТЯ ПРО ПЛАЗМУ

Плазмою називають газ в стані великого ступеня іонізації.

Плазма-особливий стан речовини – це суміш електронів, позитивних іонів та нейтральних атомів, це найбільш поширений стан речовини в природі. В такому стані знаходиться речовина в надрах Сонця і других зірок, температура яких досягає десятків міліонів градусів.

Одним із методів іонізації газу є його нагрівання. При збільшенні температури збільшується швидкість атомів газу, тому при їх зіткненні виникає ударна іонізація. При температурах 10 000оК і більше всі речовини існують в вигляді плазми і речовина перебуває в вигляді суміші “голих” ядер та електронів. Така плазма термодинамічно рівноважна. Плазма, яка виникла внаслідок нагрівання речовини до високої температури називається високотемпературною (гарячою), або ізотермічною.

Плазма, що виникає при газовому розряді, називається газорозрядною (холодною). В такій плазмі іонізація відбувається за рахунок енергії зовнішнього електричного поля. Причому газорозрядна плазма термодинамічно не рівноважна і при виключенні електричного поля плазма миттю зникає.

Особливу різновидність плазми являє собою іоносфера (один із шарів атмосфери Землі). Причому, в іоносфері іонізація відбувається під дією космічних променів та випромінювання Сонця.

Вивчення показало, що плазма має такі властивості:

1. В цілому плазма квазінейтральна, тобто для будь-якого об’єму плазми V її сумарний заряд дорівнює нулю.

2. Плазма має високу електропровідність, внаслідок великої концентрації носіїв зарядів.

3. Плазма інтенсивно взаємодіє з зовнішніми електричними і магнітними полями, електромагнітні хвилі відбиваються від плазми (радіозв’язок).

4. Електрони в плазмі мають максвелівський розподіл по швидкостям.

Основні зусилля вчених направлені на вивчення тих напрямків дослідження плазми, які є перспективними з точки зору практичного використання плазми. Як вважають вчені основний практичний інтерес фізики плазми зв’язаний з проблемою керованого термоядерного синтезу, а це відкриває доступ до необмежених запасів енергії. Крім цього створюються плазмові двигуни, магнітогідродинамічні генератори (МГД), які безпосередньо перетворюють теплову енергію в електричну і т.д.

ВИСНОВКИ

1. Струм може проходити через газ тільки в тому випадку, якщо частина атомів (молекул) газу буде іонізована. Іонізатором може бути нагрівання газу, опромінювання видимим світлом, УФС, бомбардування електронами і ін.

2. Газовий розряд називають несамостійним, якщо електропровідність обумовлена зовнішнім іонізатором, якщо ж електропровідність обумовлена ударною іонізацією то такий розряд називають самостійним. Самостійний розряд (тліючий, іскровий, коронний, дуговий) широко використовуються на практиці – для освітлення, в різних електровакуумних приладах, дугове зварювання і багато іншого.

3. Плазма – це найпоширеніший стан речовини в просторі і вивчення її, та використання властивостей має велике практичне значення в тому числі для офіцерів-зв’язківців, оскільки плазма іоносфери впливає на розповсюдження радіохвиль.

НАВЧАЛЬНА ЛІТЕРАТУРА

1. Гусева Г.Б. Курс физики. §52-54

2. Савельев И.В. Курс физики, т.2, Курс общей физики.-М.: 1989. § 88-91

3. Трофимова Т.И. Курс физики,-М.: Высшая школа, 1985, 432 с. § 107-109