Druhy elektrického výboje v plynech

Elektrický výboj v plynech zahrnuje všechny případy pohybu v plynech za působení elektrického pole nabitých částic (elektronů a iontů) v důsledku ionizačních procesů... Předpokladem pro vznik výboje v plynech je přítomnost volných náboje v něm - elektrony a ionty.

Plyn sestávající pouze z neutrálních molekul nevede elektrický proud vůbec, tzn. ideální dielektrikum... V reálných podmínkách plyn vlivem působení přírodních ionizátorů (ultrafialové záření ze Slunce, kosmické záření, radioaktivní záření ze Země atd.) vždy obsahuje určité množství volných nábojů — iontů a elektrony, které mu dávají určitou elektrickou vodivost.

Síla přírodních ionizátorů je velmi nízká: v důsledku jejich působení vzniká ve vzduchu každou sekundu v každém krychlovém centimetru asi jeden pár nábojů, což odpovídá nárůstu objemové hustoty nábojů po = 1,6-19 CL / (cm3 x in ). Stejné množství nábojů prochází rekombinací každou sekundu. Počet nábojů v 1 cm3 vzduchu současně zůstává konstantní a rovná se 500-1000 párům iontů.

Pokud se tedy na desky plochého vzduchového kondenzátoru přivede napětí se vzdáleností S mezi elektrodami, pak se v obvodu ustaví proud, jehož hustota je J= 2poS = 3,2×10-19 S A / cm2 .

Použití umělých ionizátorů mnohonásobně zvyšuje hustotu proudu v plynu. Například, když je plynová mezera osvětlena rtuťovou výbojkou, hustota proudu v plynu se zvýší na 10 - 12 A / cm2; v přítomnosti upřímného výboje v blízkosti ionizovaného objemu, proudů řádově 10-10 A / cm2 atd.

Uvažujme závislost proudu procházejícího plynovou mezerou s rovnoměrným elektrickým polem na hodnotě přiloženého napětí i (obr. 1).

Rýže. 1. Proudově-napěťová charakteristika plynového výboje

Zpočátku, když se napětí zvyšuje, proud v mezeře se zvyšuje v důsledku skutečnosti, že rostoucí množství nábojů spadá pod působení elektrického pole na elektrody (úsek OA). V sekci AB se proud prakticky nemění, protože všechny náboje vzniklé díky externím ionizátorům dopadají na elektrody. Saturační proud Is je určen intenzitou ionizátoru působícího na mezeru.

S dalším nárůstem napětí prudce narůstá proud (úsek BC), což svědčí o intenzivním rozvoji procesů ionizace plynu působením elektrického pole. Při napětí U0 je pozorován prudký nárůst proudu v mezeře, který v tomto případě ztrácí své dielektrické vlastnosti a mění se ve vodič.

Jev, při kterém se mezi elektrodami plynové mezery objeví kanál s vysokou vodivostí, se nazývá elektrický průraz (průraz v plynu se často nazývá elektrický výboj, což znamená celý proces vzniku průrazu).

Elektrický výboj odpovídající úseku charakteristiky OABS se nazývá závislý, protože v tomto úseku je proud v plynové mezeře určen intenzitou aktivního ionizátoru. Výboj v úseku za bodem C se nazývá nezávislý, protože výbojový proud v tomto úseku závisí pouze na parametrech samotného elektrického obvodu (jeho odporu a výkonu zdroje energie) a pro jeho udržení se vytváří nabité částice. díky externím ionizátorům není potřeba. Napětí Wo, při kterém začíná samovybíjení, se nazývá počáteční napětí.

Formy samorozpouštění na plyny v závislosti na podmínkách, za kterých k výboji dochází, mohou být různé.

Při nízkém tlaku, kdy kvůli malému počtu molekul plynu na jednotku objemu nemůže mezera získat vysokou vodivost, a doutnavý výboj... Proudová hustota v doutnavém výboji je nízká (1-5 mA / cm2), výboj pokrývá celý prostor mezi elektrodami.

Rýže. 2. Doutnavý výboj v plynu

Při tlaku plynu blízkém atmosférickému a vyššímu, pokud je výkon zdroje energie nízký nebo napětí je krátkodobě přivedeno do mezery, dochází k jiskrovému výboji... Příkladem jiskrového výboje je výboj v podobě blesku… Při delším vystavení napětí má jiskrový výboj podobu jisker, které se střídavě objevují mezi elektrodami.

Rýže. 3. Upřímné vybití

V případě značného výkonu zdroje energie se jiskrový výboj změní v oblouk, ve kterém může mezerou protékat proud dosahující stovek a tisíců ampér. Takový proud přispívá k ohřevu výbojového kanálu, zvyšuje jeho vodivost a v důsledku toho se získá další zvýšení proudu. Protože tento proces trvá nějakou dobu, než se dokončí, pak se při krátkodobém přivedení napětí jiskrový výboj nezmění v obloukový výboj.

Rýže. 4. Obloukový výboj

Ve vysoce nehomogenních polích začíná samovybíjení vždy ve formě koronového výboje, který vzniká pouze v té části plynové mezery, kde je intenzita pole nejvyšší (v blízkosti ostrých hran elektrod). V případě korónového výboje nedochází mezi elektrodami k vysoké vodivosti kanálem, to znamená, že si prostor zachovává své izolační vlastnosti. Jak se přiložené napětí dále zvyšuje, korónový výboj se transformuje na bona fide nebo obloukový výboj.

Korónový výboj — typ stacionárního elektrického výboje v plynu dostatečné hustoty, který se vyskytuje v silném nehomogenním elektrickém poli. Ionizace a excitace částic neutrálního plynu elektronovými lavinami je lokalizována v omezeném množství zóny (korona čepice nebo ionizační zóna) silného elektrického pole v blízkosti elektrody s malým poloměrem zakřivení. Bledě modrá nebo fialová záře plynu uvnitř ionizační zóny, analogicky s halo sluneční koróny, dala vzniknout názvu tohoto typu výboje.

Koronový výboj je kromě záření ve viditelném, ultrafialovém (především), jakož i v kratších vlnových délkách spektra doprovázen pohybem částic plynu z koronové elektrody — tzv. "Elektrický vítr", hučení, někdy rádiové emise, chemie, reakce (například tvorba ozónu a oxidů dusíku v ovzduší).

Rýže. 5. Korónový výboj do plynu

Zákonitosti vzhledu elektrického výboje v různých plynech jsou stejné, rozdíl spočívá v hodnotách koeficientů charakterizujících proces.