іонізація газів
Головна | Про нас | Зворотній зв'язок
Лабораторна робота № 2.5
«Вивчення газового розряду за допомогою тиратрона»
Мета роботи. вивчити процеси, що протікають в газах при несамостійному і самостійному розряді в газах, вивчити принцип роботи тиратрона, побудувати вольт-амперну і пускову характеристики тиратрона.
Іонізація газів. Несамостійний і самостійний газовий розряд
Атоми і молекули газів в звичайних повсякденних умовах електронейтральні, тобто не містять вільних носіїв заряду, а значить, подібно вакуумному проміжку не повинні проводити електрику. Насправді гази завжди містять деяку кількість вільних електронів, позитивних і негативних іонів і тому, хоча і погано, але проводять ел. струм.
Вільні носії заряду в газі зазвичай утворюються в результаті виривання електронів з електронної оболонки атомів газу, тобто в результаті іонізації газу. Іонізація газу є результатом зовнішнього енергетичного впливу: нагрівання, бомбардування частинками (електронами, іонами, тощо), електромагнітного опромінення (ультрафіолетового, рентгенівського, радіоактивного, тощо). При цьому газ, що знаходиться між електродами, проводить електричний струм, що називається газовим розрядом. Потужністю іонізуючого фактора (іонізатора) називається число пар протилежно заряджених носіїв заряду, що виникають в результаті іонізації в одиниці об'єму газу в одиницю часу. Поряд з процесом іонізації йде і зворотний процес - рекомбінація. взаємодія протилежно заряджених частинок, в результаті якого з'являються електронейтральні атоми або молекули і випромінюються електромагнітні хвилі. Якщо для електропровідності газу необхідна наявність зовнішнього іонізатора, то такий розряд називається несамостійним. Якщо ж прикладена електричне поле (ЕП) досить велике, то кількість вільних носіїв заряду, що утворюються в результаті ударної іонізації за рахунок зовнішнього поля, виявляється достатнім для підтримки електричного розряду. Такий розряд не потребує зовнішнього іонізаторі і називається самостійним.
Розглянемо вольт-амперну характеристику (ВАХ) газового розряду в газі, що знаходиться між електродами (рис. 1).
При несамостійної газовому розряді в області слабких ЕП (I) кількість зарядів, що утворюються в результаті іонізації, дорівнює кількості рекомбінуючих між собою зарядів. Завдяки цьому динамічної рівноваги концентрація вільних носіїв заряду в газі залишається майже незмінною і, як наслідок, виконується закон Ома (1):
де Е - напруженість електричного поля; n - концентрація; j - щільність струму.
і () - відповідно рухливості позитивних і негативних носіїв заряду; <υ> - дрейфова швидкість спрямованого руху заряду.
В області високих ЕП (II) спостерігається насичення струму в газі (I), так як всі носії, які створюються іонізатором, беруть участь в направленому дрейфі, в створенні струму.
При подальшому зростанні поля (III) носії заряду (електрони і іони), рухаючись прискорено, іонізують нейтральні атоми і молекули газу (ударна іонізація), в результаті чого утворюються додаткові носії заряду і формується електронна лавина (електрони легше іонів і значно прискорюються в ЕП) - щільність струму зростає (газове посилення). При виключенні зовнішнього іонізатора внаслідок процесів рекомбінації газовий розряд припиниться.
При подальшому зростанні ЕП E> EK (IV) відбувається подальша іонізація атомів і молекул газу як електронами, так уже і прискореними ЕП іонами (електрони і «-» - іони (аніони) йдуть до анода, «+» - іони (катіони) - до катода). При бомбардуванні катода позитивними іонами відбувається іонно-електронна емісія (вибивання вторинних електронів з катода). Поряд з цим йде процес збудження молекул іонами і перехід молекул в основне, збудженому стані з випусканням квантів (порцій) світла - фотонів, які також можуть брати участь в процесі іонізації молекул і вибивати електрони з катода.
В результаті цих процесів утворюються потоки електронів, іонів і фотонів, кількість частинок наростає лавиноподібно, йде різке зростання струму практично без посилення ЕП між електродами. Виникає самостійний газовий розряд. Перехід від неспроможного газового розряду до самостійного називається ел. пробоєм. а величина напруги між електродами. де d - відстань між електродами, називається напругою пробою.
Для ел. пробою необхідно, щоб електрони на довжині свого пробігу встигали набрати кінетичну енергію, що перевищує потенціал іонізації молекул газу, а з іншого боку, щоб позитивні іони на довжині свого пробігу встигали придбати кінетичну енергію більше роботи виходу з матеріалу катода. Так як довжина вільного пробігу залежить від конфігурації електродів, відстані між ними d і кількості частинок в одиниці об'єму (а, отже, від тиску), то управляти запалюванням самостійного розряду можна як змінюючи відстань між електродами d при їх незмінною конфігурації, так і змінюючи тиск P. Якщо твір Pd виявиться однаковим при інших рівних умовах, то і характер спостережуваного пробою повинен бути один і той же. Зазначений висновок знайшов відображення в експериментальному закон е (1889р.) Ньому. фізика Ф. Пашена (1865-1947):
Напруга запалювання газового розряду для даного значення твору тиску газу на відстань між електродами Pd є величина постійна, характерна для даного газу.
Розрізняють декілька видів самостійного розряду.
Тліючий розряд виникає при низькому тиску. Якщо до електродів, впаяним в скляну трубку завдовжки 30-50см, прикласти постійну напругу в кілька сотень вольт, поступово відкачуючи повітря з трубки, то при тиску 5,3-6,7 кПа виникає розряд у вигляді світиться звивистого шнура червонуватого кольору, що йде від катода до анода. При подальшому зниженні тиску шнур потовщується, і при тиску »13 Па розряд має вигляд, схематично зображений на рис. 2.
Безпосередньо до катода додається тонкий світиться шар 1 -катодная плівка. потім слід 2 - катодний темний простір. переходить в подальшому в світиться шар 3 - тліюче світіння. має різкий кордон з боку катода, поступово зникає з боку анода. Шари 1-3 утворюють катодну частину тліючого розряду. За тліючим світінням йде фарадєєво темний простір - 4. Вся інша частина трубки заповнена світиться газом - позитивний стовп - 5.
Потенціал змінюється уздовж трубки нерівномірно (див. Рис. 2). Майже всі падіння напруги припадає на перші ділянки розряду, включаючи темне катодного простір.
Основні процеси, необхідні для підтримки розряду відбуваються в його катодного частини:
1) позитивні іони, прискорені катодних падінням потенціалу бомбардують катод і вибивають з нього електрони;
2) електрони прискорюються в катодного частини і набирають достатню енергію і іонізують молекули газу. Утворюється багато електронів і позитивних іонів. В області тліючого світіння йде інтенсивна рекомбінація електронів і іонів, виділяється енергія, частина якої йде на додаткову іонізацію. Проникли в фарадєєво темний простір електрони поступово накопичують енергію, так що виникають умови необхідні для існування плазми (висока ступінь іонізації газу). Позитивний стовп являє собою газорозрядну плазму. Він виконує роль провідника, який з'єднує анод з катодними частинами. Світіння позитивного стовпа викликано в основному переходами збуджених молекул в основний стан. Молекули різних газів випускають при таких переходах випромінювання різної довжини хвилі. Тому світіння стовпа має характерний для кожного газу колір. Це використовується для виготовлення світних трубок. Неонові трубки дають червоне свічення, аргонові - синювато-зелене.
Дугового розряд спостерігається при нормальному і підвищеному тиску. При цьому струм досягає десятків і сотень ампер, а напруга на газовому проміжку падає до декількох десятків вольт. Такий розряд можна отримати від джерела низької напруги, якщо попередньо зблизити електроди до їхнього зіткнення. У місці контакту електроди сильно розігріваються за рахунок джоулева тепла і після їх видалення один від одного катод стає джерелом електронів за рахунок термоелектронної емісії. Основними процесами, що підтримують розряд, є термоелектронна емісія з катода і термічна іонізація молекул, обумовлена високою температурою газу в міжелектродному проміжку. Майже всі межелектродное простір заповнений високотемпературної плазмою. Вона служить провідником, по якому електрони, випущені катодом, досягають анода. Температура плазми становить
6000 К. Висока температура катода підтримується за рахунок його бомбардування позитивними іонами. У свою чергу, анод під дією швидких електронів, що налітають на нього з газового проміжку, розігрівається сильніше і може навіть плавитися і на його поверхні утворюється поглиблення - кратер - найяскравіше місце дуги. Електрична дуга вперше була отримана в 1802р. українським фізиком В. Петрова (1761-1834), який в якості електродів використовував два шматка вугілля. Розпечені вугільні електроди давали сліпуче світіння, а між ними виникав яскравий стовп газу, що світиться - електрична дуга. Дугового розряд використовується в якості джерела яскравого світла в прожекторах проекційних установках, а також для різання і зварювання металів. Існує дугового розряд з холодним катодом. Електрони з'являються за рахунок автоелектронної емісії з катода, температура газу невелика. Іонізація молекул відбувається за рахунок електронних ударів. Між катодом і анодом виникає газорозрядна плазма.
Іскровий розряд виникає між двома електродами при великій напруженості ЕП між ними. Між електродами проскакує іскра, що має вигляд яскраво світиться каналу, що з'єднує обидва електроди. Газ поблизу іскри нагрівається до високої температури, виникає перепад тисків, що призводить до виникнення звукових хвиль, характерний тріск.
Виникненню іскри передує утворення в газі електронних лавин. Родоначальником кожної лавини служить електрон, що розганяється в сильному ЕП і виробляє іонізацію молекул. Утворилися електрони в свою чергу розганяються і виробляють таку іонізацію, відбувається лавинної наростання кількості електронів - лавина.
Утворені позитивні іони не грають суттєвої ролі, тому що вони малорухливі. Електронні лавини перетинаються і утворюються провідний канал стример, за яким від катода до анода прямують електрони - відбувається пробій.
Прикладом потужного іскрового розряду може служити блискавка. Різні частини грозової хмари несуть заряди різних знаків ( "-" звернений до Землі). Тому якщо хмари зближуються різнойменно зарядженими частинами, між ними виникає іскровий пробій. Різниця потенціалів між зарядженим хмарою і Землею
Іскровий розряд застосовується для ініціювання вибухів і процесів горіння (свічки в двигунах внутрішнього згоряння), для реєстрації заряджених частинок в іскрових лічильниках, для обробки поверхні металів і т.п.
Коронний (коронарний) розряд виникає між електродами, наявними різну кривизну (один з електродів тонка дріт або вістря). При коронному розряді іонізація і збудження молекул відбувається не в усьому межелектродном просторі, а поблизу вістря, де напруженість велика і перевищує Епробоя. У цій частині газ світиться, світіння має вигляд корони, навколишнього електрод.
Корона, що виникає під дією атмосферної електрики на верхівках корабельних щогл, дерев і т.п. отримала в старовину назву вогнів святого Ельма. У високовольтних пристроях, зокрема, лініях високовольтних передач коронний розряд має негативні наслідки (витоку струму). Тому дроти ліній електропередач роблять з досить товстих проводів, щоб зменшити ЕП поблизу проводу і виключити паразитні витоку. Коронний розряд використовується для заряджання поверхні діелектриків при створенні Електрети (в цьому випадку вони називаються короноелектронамі), для уловлювання пилу в електрофільтрах, в електрофотографії, тощо
Плазма і її властивості
Плазмою називається сильно іонізований газ, в якому концентрація позитивних і негативних зарядів практично однакова. Розрізняють високотемпературну плазму. виникає при надвисоких температурах, і газорозрядну плазму. виникає при газовому розряді.
Плазма має такі властивості:
- високим ступенем іонізації, в межі - повної іонізацією (всі електрони відділені від ядер);
- концентрація позитивних і негативних частинок в плазмі практично однаково;
- сильним взаємодією з електричними і магнітними полями;
- коливаннями електронів в плазмі з великою частотою ( »10. 8 Гц), що викликають загальну вібрацію плазми;
- одночасною взаємодією величезного числа частинок.
Ці властивості дозволяють вважати плазму особливим, четвертим, станом речовини.