Электрический самостоятельный и несамостоятельный разряд возникает в различных газовых средах при наличии определенных условий. Человеком используется, как правило, самостоятельный разряд. В статье дается характеристика указанным явлениям.
Что такое разряд электрический в газах?
Прежде чем рассматривать газовый разряд самостоятельный и несамостоятельный, дадим определение этому явлению. Под разрядом понимают возникновение электрического тока в газе. Поскольку газовые среды по своей природе являются изоляторами, то это означает, что ток обусловлен наличием в них свободных носителей электрического заряда. Помимо них также должно существовать электрическое поле, чтобы заряды приобретали направленное движение.
Вам будет интересно:Что такое бумазея? Свойства ткани, виды, особенности, достоинства и недостатки
Электрическое поле может быть создано путем приложения к объему газа внешней разности потенциалов (наличие электродов: отрицательный катод и положительный анод).
Вам будет интересно:Касимовские татары: история возникновения, описание повседневной жизни, падение ханства
Источниками носителей заряда могут быть следующие процессы:
- Термоионизация. Она возникает за счет механического столкновения газовых частиц (атомов, молекул) высоких энергий и выбивания из них электронов. Этот процесс активируется при увеличении температуры.
- Фотоионизация. Ее суть заключается в поглощении электроном высокоэнергетического фотона и его отрыв от атома.
- Холодная эмиссия электронов. Возникает за счет бомбардировки ионами поверхности катода.
- Термоэлектронная эмиссия. Этот процесс обусловлен испарением электронов высоких энергий из катода и их участием в последующей ионизации плазмы.
Названные процессы лежат в основе классификации типов разрядов (самостоятельный и несамостоятельный).
Понятие о самостоятельности разряда
Рассмотрим случай с катодной трубкой. Она представляет собой запаянную емкость, в которой имеется некоторый газ под определенным давлением. На концах этой трубки находятся электроды. Если к ним приложить небольшую разность потенциалов, то практически никакого тока не возникнет. Связано это с отсутствием достаточного количества носителей заряда.
Если же нагреть газ или подвергнуть его облучению ультрафиолетом, то вольтметр сразу зафиксирует появление тока. Это яркий пример несамостоятельного разряда. Он так называется, потому что для его существования необходимым внешний источник ионизации (излучение, температура). Стоит убрать этот источник, как показания вольтметра снова станут равными нулю.
Если же при отсутствии внешних источников ионизации увеличивать напряжение между электродами трубки, то начнет появляться ток, который пройдет несколько стадий (насыщение, возрастание, убывание). В этом случае говорят о самостоятельном электрическом разряде. Он уже не требует внешних источников, необходимые носители заряда порождаются внутри самой системы. Процессы их образования остаются теми же, что и для несамостоятельного разряда. При высоких напряжениях и больших плотностях тока добавляется еще и термоэмиссия электронов катода.
Вольтамперная характеристика разряда
Газовый самостоятельный и несамостоятельный разряд удобно изучать, если использовать зависимость напряжения от силы тока (или наоборот), которую принято называть вольтамперной характеристикой. Она позволяет судить не только о величине напряжения и тока в системе, но и о происходящих в ней электрических процессах.
Ниже приведена вольтамперная характеристика, на которой отражены все основные фазы развития разряда.
Как видно их три: темный, тлеющий и дуговой. Далее в статье опишем подробнее эти фазы.
Темный разряд
Он описывается промежутком AC. При увеличении напряжения U, ток I растет за счет увеличения скорости движения ионов. Однако эти скорости невелики, поэтому имеет место несамостоятельный разряд. В области BC он выходит на насыщение и становится самостоятельным, поскольку скорость ионов становится достаточной, чтобы при бомбардировке катода выбивать из него электроны. Эти электроны приводят к дополнительной ионизации газа.
Темный заряд получил такое название потому, что его свечение практически равно нулю: низкая концентрация плазмы, малые токи (10-8 А), отсутствие рекомбинации ионов и электронов.
Тлеющий разряд
На вольтамперной характеристике ему соответствует зона между точками C и F. Из рисунка видно, что напряжение изменяется (падает и растет), ток же постоянно увеличивается. Интерес представляют две подзоны:
В нормальной области тлеющего разряда работают все неоновые и люминесцентные лампы.
Искровой и дуговой разряды
Эти виды самостоятельных разрядов охватывают зону FG на рисунке. Здесь происходят самые сложные процессы.
Когда напряжение между электродами вырастет на максимальную величину (точка F), и произойдет активация термоэмиссии электронов с катода, тогда создадутся благоприятные условия для формирования нестабильного искрового разряда. Он представляет собой кратковременные пробои (микросекунды), которые имеют характерную зигзагообразную форму. Яркий пример в природе - молния в атмосфере.
Разряд происходит по узким каналам, которые называют стримерами. Они представляют собой узкие ломаные линии высокоионизированной плазмы, которые соединяют катодную поверхность с анодной. Сила тока достигает в них десятков тысяч ампер.
Стабилизация искрового заряда ведет к формированию устойчивой дуги (область точки G). В этом случае весь объем газа в трубке - это высокоионизированная плазма. Поверхность катода разогревается до 5000-6000 К, а анода - до 3000 К. Такой сильный нагрев катода приводит к образованию на нем так называемых "горячих пятен", которые становятся мощным источником термоэлектронов и являются причиной эрозионного износа этого электрода. Напряжение при дуговом разряде не является высоким (несколько десятков вольт), а вот сила тока может достигать 100 А и больше. Сварочная дуга - яркий пример этого типа разряда.
Таким образом, существование самостоятельного и несамостоятельного разрядов в газах обусловлено механизмами его ионизации и формирования плазмы при увеличении напряжения и силы тока в системе.
