ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2.5

«Изучение газового разряда с помощью тиратрона»

Цель работы : изучить процессы, протекающие в газах при несамостоятельном и самостоятельном разряде в газах, изучить принцип работы тиратрона, построить вольт-амперную и пусковую характеристики тиратрона.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Ионизация газов. Несамостоятельный и самостоятельный газовый разряд

Атомы и молекулы газов в обычных повседневных условиях электронейтральны, т.е. не содержат свободных носителей заряда, а значит, подобно вакуумному промежутку не должны проводить электричество. В действительности газы всегда содержат некоторое количество свободных электронов, положительных и отрицательных ионов и поэтому, хотя и плохо, но проводят эл. ток.

Свободные носители заряда в газе обычно образуются в результате вырывания электронов из электронной оболочки атомов газа, т.е. в результате ионизации газа. Ионизация газа является результатом внешнего энергетического воздействия: нагревания, бомбардировки частицами (электронами, ионами, т.п.), электромагнитного облучения (ультрафиолетового, рентгеновского, радиоактивного, т.п.). При этом газ, находящийся между электродами, проводит электрический ток, что называется газовым разрядом . Мощностью ионизирующего фактора (ионизатора ) называется число пар противоположно заряженных носителей заряда, возникающих в результате ионизации в единице объема газа в единицу времени. Наряду с процессом ионизации идет и обратный процесс – рекомбинация : взаимодействие противоположно заряженных частиц, в результате которого появляются электронейтральные атомы или молекулы и излучаются электромагнитные волны. Если для электропроводности газа необходимо наличие внешнего ионизатора, то такой разряд называется несамостоятельным . Если же приложенное электрическое поле (ЭП) достаточно велико, то количество свободных носителей заряда, образующихся в результате ударной ионизации за счет внешнего поля, оказывается достаточным для поддержания электрического разряда. Такой разряд не нуждается во внешнем ионизаторе и называется самостоятельным .

Рассмотрим вольт-амперную характеристику (ВАХ) газового разряда в газе, находящемся между электродами (рис. 1).

При несамостоятельном газовом разряде в области слабых ЭП (I) количество зарядов, образующихся в результате ионизации, равно количеству рекомбинирующих между собой зарядов. Благодаря этому динамическому равновесию концентрация свободных носителей заряда в газе остается практически постоянной и, как следствие, выполняется закон Ома (1):

где Е – напряженность электрического поля; n – концентрация; j – плотность тока.

и ( ) – соответственно подвижности положительных и отрицательных носителей заряда; <υ > – дрейфовая скорость направленного движения заряда.

В области высоких ЭП (II) наблюдается насыщение тока в газе (I), так как все носители, создаваемые ионизатором, участвуют в направленном дрейфе, в создании тока.

При дальнейшем росте поля (III) носители заряда (электроны и ионы), двигаясь ускоренно, ионизируют нейтральные атомы и молекулы газа (ударная ионизация ), в результате чего образуются дополнительные носители заряда и формируется электронная лавина (электроны легче ионов и значительно ускоряются в ЭП) – плотность тока растет (газовое усиление ). При выключении внешнего ионизатора вследствие процессов рекомбинации газовый разряд прекратится.

В результате этих процессов образуются потоки электронов, ионов и фотонов, количество частиц нарастает лавинообразно, идет резкий рост тока практически без усиления ЭП между электродами. Возникает самостоятельный газовый разряд . Переход от несостоятельного газового разряда к самостоятельному называется эл. пробоем , а величина напряжения между электродами , где d – расстояние между электродами, называется напряжением пробоя .

Для эл. пробоя необходимо, чтобы электроны на длине своего пробега успевали набрать кинетическую энергию, превышающую потенциал ионизации молекул газа, а с другой стороны, чтобы положительные ионы на длине своего пробега успевали приобрести кинетическую энергию больше работы выхода из материала катода. Так как длина свободного пробега зависит от конфигурации электродов, расстояния между ними d и количества частиц в единице объема (а, следовательно, от давления), то управлять зажиганием самостоятельного разряда можно как меняя расстояние между электродами d при их неизменной конфигурации, так и изменяя давление P . Если произведение Pd окажется одинаковым при прочих равных условиях, то и характер наблюдаемого пробоя должен быть один и тот же. Указанный вывод нашел отражение в экспериментальном закон е (1889г.) нем. физика Ф. Пашена (1865–1947):

Напряжение зажигания газового разряда для данного значения произведения давления газа на расстояние между электродами Pd есть величина постоянная, характерная для данного газа .

Различают несколько видов самостоятельного разряда.

Тлеющий разряд возникает при низких давлениях. Если к электродам, впаянным в стеклянную трубку длиной 30–50см, приложить постоянное напряжение в несколько сотен вольт, постепенно откачивая воздух из трубки, то при давлении 5,3-6,7 кПа возникает разряд в виде светящегося извилистого шнура красноватого цвета, идущего от катода к аноду. При дальнейшем понижении давления шнур утолщается, и при давлении » 13 Па разряд имеет вид, схематически изображенный на рис. 2.

Непосредственно к катоду прилагается тонкий светящийся слой 1 – катодная плёнка , затем следует 2 – катодное тёмное пространство , переходящее в дальнейшем в светящийся слой 3 – тлеющее свечение , имеющее резкую границу со стороны катода, постепенно исчезающую со стороны анода. Слои 1-3 образуют катодную часть тлеющего разряда. За тлеющим свечением идет фарадеево тёмное пространство – 4. Вся остальная часть трубки заполнена светящемся газом – положительный столб - 5.

Потенциал изменяется вдоль трубки неравномерно (см. рис. 2). Почти все падение напряжения приходится на первые участки разряда, включая темное катодное пространство.

Основные процессы, необходимые для поддержания разряда происходят в его катодной части:

1) положительные ионы, ускоренные катодным падением потенциала бомбардируют катод и выбивают из него электроны;

2) электроны ускоряются в катодной части и набирают достаточную энергию и ионизируют молекулы газа. Образуется много электронов и положительных ионов. В области тлеющего свечения идет интенсивная рекомбинация электронов и ионов, выделяется энергия, часть которой идет на дополнительную ионизацию. Проникшие в фарадеево темное пространство электроны постепенно накапливают энергию, так что возникают условия необходимые для существования плазмы (высокая степень ионизации газа). Положительный столб представляет собой газоразрядную плазму. Он выполняет роль проводника, соединяющего анод с катодными частями. Свечение положительного столба вызвано в основном переходами возбужденных молекул в основное состояние. Молекулы разных газов испускают при таких переходах излучение разной длины волны. Поэтому свечение столба имеет характерный для каждого газа цвет. Это используется для изготовления светящихся трубок. Неоновые трубки дают красное свечение, аргоновые – синевато-зеленое.

Дуговой разряд наблюдается при нормальном и повышенном давлении. При этом ток достигает десятков и сотен ампер, а напряжение на газовом промежутке падает до нескольких десятков вольт. Такой разряд можно получить от источника низкого напряжения, если предварительно сблизить электроды до их соприкосновения. В месте контакта электроды сильно разогреваются за счет джоулева тепла и после их удаления друг от друга катод становится источником электронов за счет термоэлектронной эмиссии. Основными процессами, поддерживающими разряд, являются термоэлектронная эмиссия из катода и термическая ионизация молекул, обусловленная высокой температурой газа в межэлектродном промежутке. Почти все межэлектродное пространство заполнено высокотемпературной плазмой. Она служит проводником, по которому электроны, испущенные катодом, достигают анода. Температура плазмы составляет ~6000 К. Высокая температура катода поддерживается за счет его бомбардировки положительными ионами. В свою очередь, анод под действием быстрых электронов, налетающих на него из газового промежутка, разогревается сильнее и может даже плавиться и на его поверхности образуется углубление – кратер – самое яркое место дуги.. Электрическая дуга впервые была получена в 1802г. русским физиком В.Петровым (1761–1834), который в качестве электродов использовал два куска угля. Раскаленные угольные электроды давали ослепительное свечение, а между ними возникал яркий столб светящегося газа – электрическая дуга. Дуговой разряд используется в качестве источника яркого света в прожекторах проекционных установках, а также для резки и сварки металлов. Существует дуговой разряд с холодным катодом. Электроны появляются за счет автоэлектронной эмиссии с катода, температура газа невелика. Ионизация молекул происходит за счет электронных ударов. Между катодом и анодом возникает газоразрядная плазма.

Искровой разряд возникает между двумя электродами при большой напряженности ЭП между ними . Между электродами проскакивает искра, имеющая вид ярко светящегося канала, соединяющая оба электрода. Газ вблизи искры нагревается до высокой температуры, возникает перепад давлений, что приводит к возникновению звуковых волн, характерный треск.

Возникновению искры предшествует образование в газе электронных лавин. Родоначальником каждой лавины служит электрон, разгоняющийся в сильном ЭП и производящий ионизацию молекул. Образовавшиеся электроны в свою очередь разгоняются и производят следующую ионизацию, происходит лавинное нарастание количества электронов – лавина.

Образующиеся положительные ионы не играют существенной роли, т.к. они малоподвижны. Электронные лавины пересекаются и образуются проводящий канал стример, по которому от катода к аноду устремляются электроны – происходит пробой.

Примером мощного искрового разряда может служить молния. Разные части грозового облака несут заряды различных знаков ("–" обращен к Земле). Поэтому если облака сближаются разноименно заряженными частями, между ними возникает искровой пробой. Разность потенциалов между заряженным облаком и Землей ~10 8 B.

Искровой разряд применяется для инициирования взрывов и процессов горения (свечи в двигателях внутреннего сгорания), для регистрации заряженных частиц в искровых счетчиках, для обработки поверхности металлов и т.п.

Коронный (коронарный) разряд возникает между электродами, имеющимися разную кривизну (один из электродов тонкая проволока или острие). При коронном разряде ионизация и возбуждение молекул происходит не во всем межэлектродном пространстве, а вблизи острия, где напряженность велика и превышает Е пробоя. В этой части газ светится, свечение имеет вид короны, окружающей электрод.

Плазма и ее свойства

Плазмой называется сильно ионизованный газ, в котором концентрация положительных и отрицательных зарядов практически одинакова. Различают высокотемпературную плазму , возникающую при сверхвысоких температурах, и газоразрядную плазму , возникающую при газовом разряде.

Плазма обладает следующими свойствами:

Высокой степенью ионизации, в пределе – полной ионизацией (все электроны отделены от ядер);

Концентрация положительных и отрицательных частиц в плазме практически одинаково;

большой электропроводностью;

Свечением;

Сильным взаимодействием с электрическими и магнитными полями;

Колебаниями электронов в плазме с большой частотой (»10 8 Гц), вызывающими общую вибрацию плазмы;

Одновременным взаимодействием огромного числа частиц.

Несамостоятельным газовым разрядом называется такой разряд, который, возникнув при наличии электрического поля, может существовать только под действием внешнего ионизатора.

Рассмотрим физические процессы, имеющие место при несамостоятельном газовом разряде. Введем ряд обозначений: обозначим через число молекул газа в исследуемом объеме V . Концентрация молекул Часть молекул ионизирована. Обозначим число ионов одного знака через N ; их концентрация Далее, обозначим через ∆n i – число пар ионов, возникающих под действием ионизатора за одну секунду в единице объема газа.

Наряду с процессом ионизации в газе происходит рекомбинация ионов. Вероятность встречи двух ионов разных знаков пропорциональна как числу положительных, так и числу отрицательных ионов, а эти числа, в свою очередь, равны n . Следовательно, число пар ионов, рекомбинирующих за секунду в единице объема, пропорционально n 2:

Отсюда для равновесной концентрации ионов (числа пар ионов в единице объема) получается следующее выражение:

.

(8.2.3)

Схема эксперимента с газоразрядной трубкой изображена на рисунке 8.1.

Проанализируем далее действие электрического поля на процессы в ионизованных газах. Подадим постоянное напряжение на электроды. Положительные ионы будут направляться к отрицательному электроду, а отрицательные заряды – к положительному электроду. Таким образом, часть носителей из газоразрядного промежутка будет уходить к электродам (в цепи возникнет электрический ток). Пусть из единицы объема уходит ежесекундно ∆n j пар ионов. Теперь условие равновесия можно представить в виде

(8.2.4)

1. Рассмотрим случай слабого поля : В цепи будет протекать слабый ток . Плотность тока по величине пропорциональна концентрации носителей n , заряду q , переносимому каждым носителем и скорости направленного движения положительных и отрицательных ионов и :

.

(8.2.5)

Скорость направленного движения ионов выражается через подвижность и напряженность электрического поля :

В слабом поле () равновесная концентрация равна:.

Подставим это выражение в (8.2.7):

(8.2.8)

В последнем выражении множитель при не зависит от напряженности. Обозначив его через σ, мы получим закон Ома в дифференциальной форме :

(8.2.9)

где – удельная электропроводность.

Вывод : в случае слабых электрических полей ток при несамостоятельном разряде подчиняется закону Ома.

2. Рассмотрим сильное поле . В этом случае и т. е. все генерируемые ионы уходят из газоразрядного промежутка под действием электрического поля. Это объясняется тем, что за время, требующееся иону, чтобы пролететь в сильном поле от одного электрода к другому, ионы не успевают сколько-нибудь заметно рекомбинировать. Поэтому все ионы, производимые ионизатором, участвуют в создании тока и уходят на электроды. А так как число, генерируемых ионизатором ионов в единицу времени ∆n i , не зависит от напряженности поля, то плотность тока будет определяться только величиной ∆n i и не будет зависеть от . Другими словами, с дальнейшим увеличением приложенного напряжения ток перестает расти и остается постоянным .

Максимальное значение тока, при котором все образующиеся ионы уходят к электродам, носит название тока насыщения.

Дальнейшее увеличение напряженности поля ведет к образованию лавины электронов, когда возникшие под действием ионизатора электроны приобретают на длине свободного пробега (от столкновения до столкновения) энергию, достаточную для ионизации молекул газа (ударная ионизация). Возникшие при этом вторичные электроны, разогнавшись, в свою очередь, производят ионизацию и т. д. – происходит лавинообразное размножение первичных ионов и электронов , созданных внешним ионизатором и усиление разрядного тока .

На рисунке 8.2 изображен процесс образования лавины.

Полученные результаты можно изобразить графически (рис. 8.3) в виде вольтамперной характеристики несамостоятельного газового разряда.

Вывод : для несамостоятельного разряда при малых плотностях тока, т.е. когда основную роль в исчезновении зарядов из газоразрядного промежутка играет процесс рекомбинации, имеет место закон Ома ( ); при больших полях () закон Ома не выполняется – наступает явление насыщения, а при полях превышающих – возникает лавина зарядов, обуславливающая значительное увеличение плотности тока .

В отличие от растворов электролита газ при нормальных условиях состоит из нейтральных молекул (или атомов) и потому является изолятором. Проводником электрического тока газ становится только в том случае, когда хотя бы часть его молекул ионизируется (превращается в ионы) под влиянием внешнего воздействия (ионизатора). При ионизации из молекулы газа вырывается обычно один электрон, в результате чего молекула становится положительным ионом. Вырвавшийся электрон либо остается некоторое время свободным, либо сразу же присоединяется («прилипает») к одной из нейтральных молекул газа, превращая ее в отрицательный ион. Таким образом, в ионизированном газе имеются положительные и отрицательные ионы и свободные электроны.

Для того чтобы выбить из молекулы (атома) один электрон, ионизатор должен совершить определенную работу, называемую работой ионизации; для большинства газов она имеет значения, лежащие в пределах от 5 до 25 эВ. Ионизаторами газа могут служить рентгеновские лучи (см. § 125), радиоактивные излучения (см. § 139), космические лучи (см. § 145), интенсивное нагревание, ультрафиолетовые лучи (см. § 120) и некоторые другие факторы.

Наряду с ионизацией в газе идет процесс рекомбинации ионов. В результате устанавливается равновесное состояние, характеризующееся определенной концентрацией ионов, величина которой зависит от мощности ионизатора.

При наличии внешнего электрического поля в ионизированном газе возникает ток, обусловленный движением разноименных ионов во взаимно противоположных направлениях и движением электронов.

Благодаря малой вязкости газа подвижность газовых ионов в тысячи раз больше, чем ионов электролита, и составляет примерно

При прекращении действия ионизатора концентрация ионов в газе быстро падает до нуля (в связи с рекомбинацией и выносом ионов к электродам источника тока) и ток прекращается. Ток, для существования которого необходим внешний ионизатор, называется несамостоятельным газовым разрядом.

При достаточно сильном электрическом поле в газе начинаются процессы самоионизации, благодаря которым ток может существовать и в отсутствие внешнего ионизатора. Такого рода ток называется самостоятельным газовым разрядом.

Процессы самоионизации в общих чертах заключаются в следующем. В естественных условиях в газе всегда имеется небольшое количество свободных электронов и ионов, создаваемых такими естественными ионизаторами, как космические лучи и излучения радиоактивных веществ, содержащихся в атмосфере, почве и воде. Достаточно сильное электрическое поле может разогнать эти частицы до таких скоростей, при которых их кинетическая энергия превысит работу ионизации. Тогда электроны и ионы, сталкиваясь (по пути к электродам) с нейтральными молекулами, будут ионизировать их. Образующиеся при соударениях новые (вторичные) электроны и ионы также разгоняются полем и в свою очередь ионизируют новые нейтральные молекулы и т. д. Описанная самоионизация газа называется ударной ионизацией.

Свободные электроны вызывают ударную ионизацию уже при напряженности поля порядка Что касается ионов, то они могут вызвать ударную ионизацию только при напряженности поля порядка Это различие обусловлено рядом причин, в частности тем, что для электронов длина свободного пробега в газе значительно больше, чем для ионов. Поэтому электроны приобретают необходимую для ударной ионизации кинетическую энергию при меньших напряженностях поля, чем ионы. Однако и при не слишком сильных полях положительные ионы играют весьма важную роль в самоионизации газа. Дело в том, что энергия этих ионов оказывается достаточной для выбивания электронов из металла. Поэтому разогнанные полем положительные ионы, ударяясь о металлический катод источника поля, выбивают из него электроны, которые в свою очередь разгоняются полем и производят ударную ионизацию нейтральных молекул.

Ионы и электроны, энергия которых недостаточна для ударной ионизации, могут, тем не менее, при столкновении с молекулами приводить их в возбужденное состояние, т. е. вызывать некоторые энергетические изменения в их электронных оболочках. Возбужденная молекула (или атом) переходит затем в нормальное состояние, испуская при этом порцию электромагнитной энергии - фотон (процессы

возбуждения атомов и испускания и поглощения ими фотонов будут рассмотрены в § 132-136). Испускание фотонов проявляется в свечении газа. Кроме того, фотон, поглощаемый какой-нибудь из молекул газа, может ионизировать ее; такого рода ионизация называется фотонной. Наконец фотон, попадающий на катод, может выбивать из него электрон (внешний фотоэффект), который затем вызовет ударную ионизацию нейтральной молекулы.

В результате ударной и фотонной ионизаций и выбивания электронов из катода положительными ионами и фотонами количество ионов и электронов во всем объеме газа резко (лавинообразно) возрастает. Для существования тока в газе теперь уже не нужен внешний ионизатор. Газовый разряд становится самостоятельным. Описанный процесс самоионизации газа схематически показан на рис. 208, где нейтральные молекулы изображены белыми кружками, положительные ионы - кружками со знаком плюс, электроны - черными кружками, фотоны - волнистыми линиями.

На рис. 209 представлен экспериментальный график зависимости силы тока в газе от напряженности поля или от напряжения между катодом и анодом источника поля, поскольку

где расстояние между электродами. На участке кривой ток возрастает приблизительно пропорционально напряженности поля по закону Ома). Это объясняется тем, что с увеличением напряженности возрастает скорость упорядоченного движения ионов и электронов, а следовательно, и количество электричества, проходящее за 1 с к электродам (ток). Очевидно, что возрастание тока прекратится тогда, когда напряженность поля достигнет величины, при которой все ионы и электроны, создаваемые внешним ионизатором за 1 с, будут за это же время подходить к электродам.

Газы при не слишком высоких температурах и при давлениях, близких к атмосферному, являются хорошими изоляторами. Это объясняется тем, что газы при обычных условиях состоят из нейтральных атомов и молекул и не содержат свободных зарядов (электронов и ионов). Газ становится проводником электричества, когда некоторая часть его молекул ионизуется, Для этого газ надо подвергнуть действию какого-либо ионизатора (например, использовать пламя свечи, ультрафиолетовое и рентгеновское излучения, g-кванты, потоки электронов, протонов, a-частиц и т. д). Энергия ионизации, атомов различных газов лежит в пределах 4 - 25 эВ. В ионизованном газе появляются заряженные частицы, способные двигаться под действием электрического поля - положительные и отрицательные ионы и свободные электроны.

Прохождение электрического тока через газы называется газовым разрядом .

Одновременно с процессом ионизации газа всегда идет и обратный процесс - процесс рекомбинации : положительные и отрицательные ионы, положительные ионы и электроны, встречаясь, соединяются между собой с образованием нейтральных атомов и молекул. Баланс их скоростей определяет концентрацию заряженных частиц в газе. Процессы рекомбинации ионов, также как и возбуждение ионов, не приводящее к ионизации, приводят к свечению газа, цвет которого определяется свойствами газа.

Характер газового разряда определяется составом газа, его температурой и давлением, размерами, конфигурацией и материалом электродов, приложенным напряжением, плотностью тока и т. д.

Рассмотрим цепь, содержащую газовый промежуток, подвергающийся непрерывному, постоянному по интенсивности воздействию внешнего ионизатора.

В результате ионизации газа и в цепи потечет ток, зависимость которого от приложенного напряжения дана на рис.

На участке кривой ОА ток возрастает пропорционально напряжению, т. е. выполняется закон Ома. При дальнейшем увеличении напряжения закон Ома нарушается: рост силы тока замедляется (участок АВ) и, наконец, прекращается совсем (участок ВС). Т.е. получаем ток насыщения, величина которого определяется мощностью ионизатора Это достигается тогда, когда все ионы и электроны, создаваемые внешним ионизатором за единицу времени, за это же время достигают электродов. Если в режиме ОС прекратить действие ионизатора, то прекращается и разряд. Разряды, существующие только под действием внешних ионизаторов, называются несамостоятельными . При дальнейшем увеличении напряжения между электродами сила тока вначале медленно (участок CD), а затем резко (участок DE) возрастает и разряд становиться самостоятельным . Разряд в газе, сохраняющийся после прекращения действия внешнего ионизатора, называется самостоятельным .

Механизм возникновения самостоятельного разряда следующий. При больших напряжениях возникающие под действием внешнего ионизатора электроны, сильно ускоренные электрическим полем сталкиваясь с молекулами газа, ионизируют их, в результате чего образуются вторичные электроны и положительные ионы. Положительные ионы двигаются к катоду, а электроны - к аноду. Вторичные электроны вновь ионизируют молекулы газа, и, следовательно, общее количество электронов и ионов будет возрастать по мере продвижения электронов к аноду лавинообразно. Это является причиной увеличения электрического тока на участке CD . Описанный процесс называется ударной ионизацией . Ударная ионизация под действием одних лишь электронов недостаточна для поддержания разряда при удалении внешнего ионизатора. Для поддержания разряда необходимо, чтобы электронные лавины «воспроизводились», т. е. чтобы в газе под действием каких-то процессов возникали новые электроны. Это наступает при значительных напряжениях между электродами газового промежутка, когда к катоду устремляются лавины положительных ионов, которые выбивают из него электроны. В этот момент, когда кроме электронных лавин возникают еще и ионные, сила тока растет уже практически без увеличения напряжения (участок DE на рис.), т.е. возникает самостоятельный разряд. Напряжение, при котором возникает самостоятельный разряд, называется напряжением пробоя .

Необходимо отметить, что при разряде в газах реализуется особое состояние вещества, называемое плазмой. Плазмой называется сильно ионизованный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы. Различают высокотемпературную плазму, возникающую при сверхвысоких температурах, и газоразрядную плазму, возникающую при газовом разряде. Плазма характеризуется степенью ионизации a - отношением числа ионизованных частиц к полному их числу в единице объема плазмы. В зависимости от величины a говорят о слабо (а составляет доли процента), умеренно (несколько процентов) и полностью (близко к 100%) ионизованной плазме.

Различают четыре типа самостоятельного разряда: тлеющий, искровой, дуговой и коронный .

1. Тлеющий разряд возникает при низких давлениях. Если к электродам, впаянным в стеклянную трубку длиной 30 - 50 см, приложить постоянное напряжение в несколько сотен вольт, постепенно откачивая из трубки воздух, то при давлении ~ 5,3 - 6,7 кПа (несколько мм рт ст) возникает разряд в виде светящегося извилистого шнура красноватого цвета, идущего от катода к аноду. При дальнейшем понижении давления (~13 Па) разряд имеет следующую структуру.

Непосредственно к катоду прилегает темный тонкий слой 1 – астоново темное пространство , далее следует тонкий светящийся слой 2 - первое катодное свечение или катодная пленка , затем следует темный слой 3 - катодное (круксовое) темное пространство , переходящее в дальнейшем в светящийся слой 4 - тлеющее свечение , имеющее резкую границу со стороны катода, постепенно исчезающую со стороны анода. Оно возникает из-за рекомбинации электронов с положительными ионами. С тлеющим свечением граничит темный промежуток 5-фарадеево темное пространство , за которым следует столб ионизованного светящегося газа 6 - положительный столб . Положительный столб существенной роли в поддержании разряда не имеет. Приложенное напряжение распределяется вдоль разряда неравномерно. Практически почти все падение потенциала приходится на три первых слоя и называется катодным падением потенциала .

Механизм образования слоев следующий. Положительные ионы вблизи катода, ускоренные катодным падением потенциала, бомбардируют катод и выбивают из него электроны. В темном астоновом пространстве электроны разгоняются и возбуждают молекулы, которые начинают испускать свет, образуя катодную пленку 2. Электроны пролетевшие без столкновений пленку 2 ионизируют молекулы газа за этой пленкой. Образуется много положительных и отрицательных зарядов. При этом интенсивность свечения уменьшается. Эта область представляет собой катодное (круксовое) темное пространство 3. Электроны, возникшие в катодном темном пространстве, проникают в область 4 тлеющего свечения, которое обусловлено их рекомбинацией с положительными ионами. Далее оставшиеся электроны и ионы (их мало) проникают путем диффузии в область 5 – фарадеево темное пространство. Оно кажется темным потому, что концентрация рекомбинирующих зарядов мала. В области 5 существует электрическое поле, которое разгоняет электроны и в области положительного столба 6 они производят ионизацию, в результате чего образуется плазма. Свечение положительного столба в основном связано с переходами возбужденных молекул в основное состояние. Оно имеет характерный для каждого газа цвет. В тлеющем разряде особое значение для его поддержания имеют только три его части - до тлеющего свечения. В катодном темном пространстве происходит сильное ускорение электронов и положительных ионов, выбивающих электроны с катода (вторичная эмиссия). В области тлеющего свечения же происходит ударная ионизация электронами молекул газа. Образующиеся при ударной ионизации положительные ионы устремляются к катоду и выбивают из него новые электроны, которые, в свою очередь, опять ионизируют газ и т. д. Таким образом непрерывно поддерживается тлеющий разряд.

Применение в технике. Свечение положительного столба, имеющее характерный для каждого газа цвет, используется в газоразрядных трубках для создания реклам (неоновые газоразрядные трубки дают красное свечение, аргоновые - синевато-зеленое) и в лампах дневного света.

2. Искровой разряд возникает при больших напряженностях электрического поля (~3 10 б В/м) в газе, находящемся под давлением порядка атмосферного. Объяснение искрового разряда дается на основе стримерной теории, согласно которой возникновению ярко светящегося канала искры предшествует появление слабосветящихся скоплений ионизованного газа - стримеров . Стримеры возникают как в результате образования электронных лавин посредством ударной ионизации, так и в результате фотонной ионизации газа. Лавины, догоняя друг друга, образуют проводящие мостики из стримеров, по которым в следующие моменты времени и устремляются мощные потоки электронов, образующие каналы искрового разряда. Из-за выделения при рассмотренных процессах большого количества энергии газ в искровом промежутке нагревается до очень высокой температуры (примерно 10 4 о C), что приводит к его свечению. Быстрый нагрев газа ведет к повышению давления и возникновению ударных волн, объясняющих звуковые эффекты при искровом разряде. Например, потрескивание в слабых разрядах и мощные раскаты грома в случае молнии.

Применение в технике. Для воспламенения горючей смеси в двигателях внутреннего сгорания и предохранения электрических линий передачи от перенапряжений (искровые разрядники).

3. Дуговой разряд . Если после зажигания искрового разряда от мощного источника постепенно уменьшать расстояние между электродами, то разряд становится непрерывным, т.е. возникает дуговой разряд. При этом ток резко возрастает, достигая сотен ампер, а напряжение на разрядном промежутке падает до нескольких десятков вольт. Дуговой разряд можно получить от источника низкого напряжения, минуя стадию искры. Для этого электроды (например, угольные) сближают до соприкосновения, они сильно раскаляются электрическим током, потом их разводят и получают электрическую дугу. При атмосферном давлении дуговой разряд имеет температуру ~3500 о C. По мере горения дуги на аноде образуется углубление - кратер, являющийся наиболее горячим местом дуги. дуговой разряд поддерживается за счет а интенсивной термоэлектронной эмиссии из катода, а также термической ионизации молекул, обусловленной высокой температурой газа.

Применение - для сварки и резки металлов, получения высококачественных сталей (дуговая печь) и освещения (прожекторы, проекционная аппаратура).

4. Коронный разряд - высоковольтный электрический разряд при высоком (например, атмосферном) давлении в резко-неоднородном поле вблизи электродов с большой кривизной поверхности (например, острия). Когда напряженность поля вблизи острия достигает 30 кВ/м, то вокруг него возникает свечение, имеющее вид короны, чем и вызвано название этого вида разряда. Это явление получило в древности название огней святого Эльма. В зависимости от знака коронирующего электрода различают отрицательную или положительную короны.

Применение - в электрофильтрах, применяемых для очистки промышленных газов от примесей, при нанесении порошковых и лакокрасочных покрытий.

Процесс прониканич тока через газ, называется газовым разрядом.

Ток в газе возникающий при наличии внешнего ионизатора, называется несамостоятельным .

Пусть в трубку за некоторое время впущено, пар электронов и ионов, при увеличении напряжения м-у электродами трубки сила тока будет, увеличиваться, положительные ионы начинают двигаться к катоду, а электроны – к аноду.

Наступает такой момент, когда все частицы достигают электродов и при дальнейшем увеличении напряжения сила тока изменяться не будет, если ионизатор прекратит действие, то прекратиться и разряд, т.к. других источников ионов нет, по этой причине разряд ионов называется несамостоятельным.

Ток достигает своего насыщения.

Придальнейшем повышение напряжения, сила тока резко возрастает, если убрать внешний ионизатор, разряд будет продолжаться: ионы, необходимые для поддержания электропроводности газа, теперь создаются самим разрядом. газовый разряд который продолжается после прекращения действия внешнего ионизатора, называется самостоятельным .

Напряжение, при котором возникает самостоятельный разряд, называют напряжением пробоя .

Самостоятельный газовый разряд поддерживается за счет электронов, ускоряемых электрическим полем, они обладают кинетической энергией, которая возрастает за счет эл. поля.

Типы самостоятельного разряда:

1) тлеющий

2) дуговой(электрическая дуга) – для сварки металла.

3) коронный

4) искровой (молния)

Плазма. Виды плазмы.

Под плазмой понимают сильно ионизированный газ, в котором концентрация электронов ровна концентрации + ионов.

Чем выше тем-ра газа, тем больше ионов и электронов в плазме и тем меньше нейтральных атомов.

Виды плазмы:

1) Частично ионизированная плазма

2) полностью ионизированная плазма(все атомы распались на ионы и электроны).

3) Высокотемпературная плазма (Т>100000 К)

4) низкотемпературная плазма (T<100000 К)

Св-ва плазмы:

1) Плазма электрически-нейтральна

2) Частицы плазмы легко перемещаются под действием поля

3) Обладают хорошей электропроводимостью

4) Обладают хорошей теплопроводимостью

Практическое применение:

1) Превращение тепловой энергии газа в электрическую с помощью магнитогидродинамического преобразователя энергии (МГД). Принцип действия:

Струя высокотемпературной плазмы попадает в сильное магнитное поле (поле направленно перпендикулярно плоскости чертежа X) оно разделяется на + и – частицы, которые устремляются к различным пластинам, создовая какую-то разность потенциалов.

2) Применяют в плазматронах (плазмы генераторы), с их помощью режут и сваривают металлы.

3) Все звезды, в том числе Солнце, звездной атмосфер, галактической туманности представляют собой плазму.

Наша Земля окружена плазменной оболочкой – ионосферой, за пределами которой существуют радиационные полюса, окружающие нашу Землю, в которых также есть плазма.

Процессами в околоземной плазмы обусловлены магнитные бури, полярные сияния, также в космосе сущ-т плазменные ветры.

16.Электрический ток в полупроводниках.

Полупроводники- ве-ва, у которых с ростом t сопротивление уменьшается.

Полупроводники занимают 4 подгруппу.

Пример: Кремний- 4х валентный элемент-это означает, что во внешней оболочке атома, имеется 4 электрона, слабо связанных с ядром, каждый атом образует 4 связи с соседними, при нагревании Si, увели-ся скорость валентных е, а значит и их кинематическая энергия (Е к), скорость е становиться настолько большой, что связи не выдерживают т рвутся, е покидают свои пути и становиться свободными, в эл. поле они перемещаются м-у узлами решетки, образуя эл. ток. По мере повышения t число разорванных связей увели-ся, а значит и увели-ся число связанных е, а это ведет к уменьшению сопротивления: I=U/R.

При разрыве связи образуется вакантное место с недостающим е, его кристалле не является неизменным. Непрерывно происходит след-ий процесс: один из е обеспечивающих связь атомов, перескакивает на место образовавшийся дырки и восстанавливается здесь пароэлектрическую связь, а там, откуда перескочил е образуется новая дырка. Таким образом, дырка может перемещаться по всему кристаллу.

Вывод: в полупроводниках имеются носители заряда 2х типов: е и дырки (электронно- дырочный проводимость)