Druhy elektrického výboja v plynoch

Elektrický výboj v plynoch zahŕňa všetky prípady pohybu v plynoch pri pôsobení elektrického poľa nabitých častíc (elektrónov a iónov) v dôsledku ionizačných procesov... Predpokladom vzniku výboja v plynoch je prítomnosť voľných náboje v ňom - ​​elektróny a ióny.

Plyn pozostávajúci len z neutrálnych molekúl vôbec nevedie elektrický prúd, t.j. ideálne dielektrikum... V reálnych podmienkach plyn pôsobením prírodných ionizátorov (ultrafialové žiarenie zo Slnka, kozmické žiarenie, rádioaktívne žiarenie zo Zeme a pod.) vždy obsahuje určité množstvo voľných nábojov — iónov a elektróny, ktoré mu dávajú určitú elektrickú vodivosť.

Sila prírodných ionizátorov je veľmi nízka: v dôsledku ich pôsobenia sa vo vzduchu vytvorí každú sekundu v každom kubickom centimetri asi jeden pár nábojov, čo zodpovedá zvýšeniu objemovej hustoty nábojov po = 1,6-19 CL / (cm3 x in). Rovnaké množstvo nábojov podlieha rekombinácii každú sekundu. Počet nábojov v 1 cm3 vzduchu súčasne zostáva konštantný a rovná sa 500-1000 párom iónov.

Ak sa teda na dosky plochého vzduchového kondenzátora privedie napätie so vzdialenosťou S medzi elektródami, potom sa v obvode vytvorí prúd, ktorého hustota je J= 2poS = 3,2 × 10-19 S A / cm2. .

Použitie umelých ionizátorov mnohonásobne zvyšuje hustotu prúdu v plyne. Napríklad, keď je plynová medzera osvetlená ortuťovo-kremennou lampou, prúdová hustota v plyne sa zvýši na 10 - 12 A / cm2; v prítomnosti úprimného výboja v blízkosti ionizovaného objemu, prúdov rádovo 10-10 A / cm2 atď.

Uvažujme závislosť prúdu prechádzajúceho plynovou medzerou s rovnomerným elektrickým poľom od hodnoty použitého napätia i (obr. 1).

Ryža. 1. Prúdovo-napäťové charakteristiky výboja plynu

Spočiatku, keď sa napätie zvyšuje, prúd v medzere sa zvyšuje v dôsledku skutočnosti, že zvyšujúce sa množstvo nábojov spadá pod pôsobenie elektrického poľa na elektródy (časť OA). V sekcii AB sa prúd prakticky nemení, pretože všetky náboje vytvorené vonkajšími ionizátormi dopadajú na elektródy. Saturačný prúd Is je určený intenzitou ionizátora pôsobiaceho na medzeru.

Pri ďalšom zvyšovaní napätia sa prúd prudko zvyšuje (sekcia BC), čo naznačuje intenzívny rozvoj procesov ionizácie plynu pôsobením elektrického poľa. Pri napätí U0 sa pozoruje prudký nárast prúdu v medzere, ktorý v tomto prípade stráca svoje dielektrické vlastnosti a mení sa na vodič.

Jav, pri ktorom sa medzi elektródami plynovej medzery objaví kanál s vysokou vodivosťou, sa nazýva elektrický prieraz (rozpad v plyne sa často nazýva elektrický výboj, čo znamená celý proces vzniku prierazu).

Elektrický výboj zodpovedajúci úseku charakteristiky OABS sa nazýva závislý, pretože v tomto úseku je prúd v plynovej medzere určený intenzitou aktívneho ionizátora. Výboj v úseku za bodom C sa nazýva nezávislý, pretože výbojový prúd v tomto úseku závisí len od parametrov samotného elektrického obvodu (jeho odporu a výkonu zdroja energie) a pre jeho udržanie je potrebná tvorba nabitých častíc. kvôli externým ionizátorom nie je potrebný. Napätie Wo, pri ktorom začína samovybíjanie, sa nazýva počiatočné napätie.

Formy samorozpúšťania na plyny v závislosti od podmienok, za ktorých k výboju dochádza, môžu byť rôzne.

Pri nízkom tlaku, keď v dôsledku malého počtu molekúl plynu na jednotku objemu, medzera nemôže získať vysokú vodivosť a žeravý výboj... Hustota prúdu v žeravom výboji je nízka (1-5 mA / cm2), výboj pokrýva celý priestor medzi elektródami.

Ryža. 2. Žiarivý výboj v plyne

Pri tlaku plynu blízkom atmosférickému a vyššiemu, ak je výkon zdroja energie nízky alebo napätie je krátkodobo privedené do medzery, dochádza k iskrovému výboju... Príkladom iskrového výboja je výboj v podobe blesku… Pri dlhšom vystavení napätiu má iskrový výboj podobu iskier, ktoré sa striedavo objavujú medzi elektródami.

Ryža. 3. Úprimné vybitie

V prípade značného výkonu zdroja energie sa iskrový výboj zmení na oblúk, v ktorom môže medzerou pretekať prúd dosahujúci stovky a tisíce ampérov. Takýto prúd prispieva k zahrievaniu výbojového kanála, zvyšuje jeho vodivosť a v dôsledku toho sa dosiahne ďalšie zvýšenie prúdu. Keďže tento proces trvá určitý čas, pri krátkodobom privedení napätia sa iskrový výboj nezmení na oblúkový výboj.

Ryža. 4. Oblúkový výboj

Vo vysoko nehomogénnych poliach samovybíjanie vždy začína vo forme korónového výboja, ktorý vzniká len v tej časti plynovej medzery, kde je intenzita poľa najvyššia (v blízkosti ostrých hrán elektród). V prípade korónového výboja nedochádza medzi elektródami k vysokej vodivosti cez kanál, t.j. priestor si zachováva svoje izolačné vlastnosti. Keď sa aplikované napätie ďalej zvyšuje, korónový výboj sa transformuje na bona fide alebo oblúkový výboj.

Korónový výboj — typ stacionárneho elektrického výboja v plyne dostatočnej hustoty, ktorý sa vyskytuje v silnom nehomogénnom elektrickom poli. Ionizácia a excitácia častíc neutrálneho plynu elektrónovými lavínami sú lokalizované v obmedzenom množstve zóny (korónový uzáver alebo ionizačná zóna) silného elektrického poľa v blízkosti elektródy s malým polomerom zakrivenia. Bledomodrá alebo fialová žiara plynu vo vnútri ionizačnej zóny, analogicky s halo slnečnej koróny, dala vzniknúť názvu tohto typu výboja.

Okrem žiarenia vo viditeľnom, ultrafialovom (hlavne), ako aj v kratších vlnových dĺžkach spektra je korónový výboj sprevádzaný pohybom častíc plynu z korónovej elektródy — tzv. „Elektrický vietor“, hukot, niekedy rádiové vyžarovanie, chémia, reakcie (napríklad tvorba ozónu a oxidov dusíka v ovzduší).

Ryža. 5. Korónový výboj do plynu

Zákonitosti výskytu elektrického výboja v rôznych plynoch sú rovnaké, rozdiel spočíva v hodnotách koeficientov charakterizujúcich proces.