Rodzaje wyładowań elektrycznych w gazach

Wyładowanie elektryczne w gazach obejmuje wszystkie przypadki ruchu gazów pod działaniem pola elektrycznego naładowanych cząstek (elektronów i jonów) w wyniku procesy jonizacji... Warunkiem wystąpienia wyładowania w gazach jest obecność wolnych w nim ładunki - elektrony i jony.

Gaz składający się tylko z neutralnych cząsteczek w ogóle nie przewodzi prądu elektrycznego, tj. idealny dielektryk... W rzeczywistych warunkach, w wyniku działania naturalnych jonizatorów (promieniowanie ultrafioletowe ze Słońca, promienie kosmiczne, promieniowanie radioaktywne z Ziemi itp.), gaz zawsze zawiera pewną ilość ładunków swobodnych — jonów i elektrony, które nadają mu określoną przewodność elektryczną.

Moc naturalnych jonizatorów jest bardzo mała: w wyniku ich działania w powietrzu powstaje około jednej pary ładunków na sekundę w każdym centymetrze sześciennym, co odpowiada wzrostowi gęstości objętościowej ładunków po = 1,6-19 CL / (cm3 x cal). Taka sama ilość ładunków ulega rekombinacji w każdej sekundzie. Liczba ładunków w 1 cm3 powietrza w tym samym czasie pozostaje stała i równa 500-1000 par jonów.

Tak więc, jeśli napięcie zostanie przyłożone do okładek płaskiego kondensatora powietrznego w odległości S między elektrodami, to w obwodzie powstanie prąd, którego gęstość wynosi J= 2poS = 3,2⋅10-19 S A / cm2 .

Zastosowanie sztucznych jonizatorów wielokrotnie zwiększa gęstość prądu w gazie. Na przykład, gdy szczelina gazowa jest oświetlana lampą rtęciowo-kwarcową, gęstość prądu w gazie wzrasta do 10 — 12 A / cm2; w obecności szczerego wyładowania w pobliżu zjonizowanej objętości prądy rzędu 10-10 A / cm2 itp.

Rozważmy zależność prądu przepływającego przez szczelinę gazową o jednorodnym polu elektrycznym od wartości przyłożonego napięcia i (ryc. 1).

Ryż. 1. Charakterystyka prądowo-napięciowa wyładowania gazowego

Początkowo wraz ze wzrostem napięcia wzrasta prąd w szczelinie ze względu na fakt, że rosnąca ilość ładunków podlega działaniu pola elektrycznego na elektrody (sekcja OA). W sekcji AB prąd praktycznie się nie zmienia, ponieważ wszystkie ładunki powstałe w wyniku zewnętrznych jonizatorów spadają na elektrody. Prąd nasycenia Is jest określony przez intensywność jonizatora działającego na szczelinę.

Przy dalszym wzroście napięcia prąd gwałtownie wzrasta (sekcja BC), co wskazuje na intensywny rozwój procesów jonizacji gazu pod działaniem pola elektrycznego. Przy napięciu U0 obserwuje się gwałtowny wzrost prądu w szczelinie, który w tym przypadku traci swoje właściwości dielektryczne i zamienia się w przewodnik.

Zjawisko, w którym między elektrodami szczeliny gazowej pojawia się kanał o dużej przewodności, nazywane jest przebiciem elektrycznym (przebicie w gazie jest często nazywane wyładowaniem elektrycznym, co oznacza cały proces powstawania przebicia).

Wyładowanie elektryczne odpowiadające sekcji charakterystyki OABS nazywane jest zależnym, ponieważ w tej sekcji prąd w szczelinie gazowej jest określony przez intensywność aktywnego jonizatora. Wyładowanie w sekcji za punktem C nazywa się niezależnym, ponieważ prąd rozładowania w tej sekcji zależy tylko od parametrów samego obwodu elektrycznego (jego rezystancji i mocy źródła zasilania), a dla jego utrzymania tworzenie się naładowanych cząstek ze względu na zewnętrzne jonizatory nie jest wymagane. Napięcie Wo, przy którym rozpoczyna się samorozładowanie, nazywane jest napięciem początkowym.

Formy samorozpuszczania się w gazy w zależności od warunków, w jakich odbywa się wyładowanie, mogą być różne.

Przy niskim ciśnieniu, gdy ze względu na małą liczbę cząsteczek gazu na jednostkę objętości, szczelina nie może uzyskać wysokiego przewodnictwa, a wyładowanie jarzeniowe... Gęstość prądu w wyładowaniu jarzeniowym jest niewielka (1-5 mA / cm2), wyładowanie obejmuje całą przestrzeń między elektrodami.

Ryż. 2. Wyładowanie jarzeniowe w gazie

Przy ciśnieniu gazu zbliżonym do atmosferycznego i wyższym, jeśli moc źródła zasilania jest niska lub napięcie jest przykładane do szczeliny przez krótki czas, następuje wyładowanie iskrowe... Przykładem wyładowania iskrowego jest wyładowanie w postaci błyskawicy… Przy dłuższej ekspozycji na napięcie wyładowanie iskrowe przybiera postać iskier, które pojawiają się naprzemiennie między elektrodami.

Ryż. 3. Szczere absolutorium

W przypadku znacznej mocy źródła energii, wyładowanie iskrowe zamienia się w łuk, w którym przez szczelinę może płynąć prąd o natężeniu setek i tysięcy amperów. Taki prąd przyczynia się do nagrzania kanału wyładowczego, zwiększając jego przewodność, aw efekcie uzyskuje się dalszy wzrost prądu. Ponieważ proces ten zajmuje trochę czasu, to przy krótkotrwałym przyłożeniu napięcia wyładowanie iskrowe nie zamienia się w wyładowanie łukowe.

Ryż. 4. Wyładowanie łukowe

W wysoce niejednorodnych polach samorozładowanie rozpoczyna się zawsze w postaci wyładowania koronowego, które rozwija się tylko w tej części szczeliny gazowej, w której natężenie pola jest największe (w pobliżu ostrych krawędzi elektrod). W przypadku wyładowań koronowych nie występuje wysokie przewodnictwo w kanale między elektrodami, czyli przestrzeń zachowuje swoje właściwości izolacyjne. W miarę dalszego zwiększania przyłożonego napięcia wyładowanie koronowe przekształca się w prawdziwe wyładowanie lub wyładowanie łukowe.

Wyładowanie koronowe — rodzaj stacjonarnego wyładowania elektrycznego w gazie o wystarczającej gęstości, występujące w silnym niejednorodnym polu elektrycznym. Jonizacja i wzbudzenie cząstek gazu obojętnego przez lawiny elektronowe są zlokalizowane w ograniczonej strefie (czap koronowy lub strefa jonizacji) silnego pola elektrycznego w pobliżu elektrody o małym promieniu krzywizny. Bladoniebieska lub fioletowa poświata gazu wewnątrz strefy jonizacji, analogicznie do halo korony słonecznej, dała początek nazwie tego typu wyładowań.

Oprócz promieniowania w zakresie widzialnym, ultrafiolecie (głównie), a także w krótszych długościach widma, wyładowaniu koronowemu towarzyszy ruch cząstek gazu z elektrody koronowej — tzw. „Elektryczny wiatr”, buczenie, czasami emisja radiowa, chemia, reakcje (na przykład powstawanie ozonu i tlenków azotu w powietrzu).

Ryż. 5. Wyładowanie koronowe do gazu

Regularności pojawiania się wyładowań elektrycznych w różnych gazach są takie same, różnica polega na wartościach współczynników charakteryzujących proces.