Wyładowanie iskrowe następuje w przypadku, gdy natężenie pola elektrycznego osiąga dla danego gazu wartość przebicia, która zależy od ciśnienia gazu; dla powietrza pod ciśnieniem atmosferycznym wynosi około . Wraz ze wzrostem ciśnienia wzrasta. Zgodnie z prawem eksperymentalnym Paschena stosunek natężenia pola przebicia do ciśnienia jest w przybliżeniu stały:

Wyładowaniu iskrowemu towarzyszy utworzenie jasno świecącego, krętego, rozgałęzionego kanału, przez który przechodzi krótkotrwały impuls prądowy Wielka siła. Przykładem może być błyskawica; jego długość może wynosić do 10 km, średnica kanału do 40 cm, natężenie prądu może osiągnąć 100 000 amperów lub więcej, czas trwania impulsu wynosi około .

Każda błyskawica składa się z kilku (do 50) impulsów podążających tym samym kanałem; ich całkowity czas trwania (wraz z przerwami między impulsami) może sięgać kilku sekund. Temperatura gazu w kanale iskrowym może dochodzić do 10 000 K. Gwałtowne, silne nagrzewanie gazu prowadzi do gwałtownego wzrostu ciśnienia i pojawienia się fal uderzeniowych i dźwiękowych. Dlatego wyładowaniu iskrowemu towarzyszą zjawiska dźwiękowe - od słabego trzaskającego dźwięku iskry o małej mocy po grzmot towarzyszący błyskawicy.

Wystąpienie iskry poprzedzone jest utworzeniem w gazie silnie zjonizowanego kanału, zwanego streamerem. Kanał ten uzyskuje się poprzez blokowanie poszczególnych lawin elektronów zachodzących na drodze iskry. Założycielem każdej lawiny jest elektron powstały w wyniku fotojonizacji. Schemat rozwoju streamera pokazano na ryc. 87.1. Niech natężenie pola będzie takie, że elektron wyrzucony z katody w wyniku jakiegoś procesu uzyska energię wystarczającą do jonizacji na średniej drodze swobodnej.

W związku z tym elektrony się rozmnażają - powstaje lawina (powstające w tym przypadku jony dodatnie nie odgrywają znaczącej roli ze względu na ich znacznie mniejszą ruchliwość, a jedynie wyznaczają ładunek kosmiczny, powodując redystrybucję potencjału). Promieniowanie krótkofalowe emitowane przez atom, z którego podczas jonizacji wyrwany został jeden z elektronów wewnętrznych (promieniowanie to pokazano na schemacie liniami falistymi) powoduje fotojonizację cząsteczek, a powstające elektrony generują coraz większe lawiny. Po nałożeniu się lawin tworzy się dobrze przewodzący kanał - streamer, przez który silny przepływ elektronów przepływa od katody do anody - następuje awaria.

Jeżeli elektrody mają kształt, w którym pole w przestrzeni międzyelektrodowej jest w przybliżeniu równomierne (np. są to kulki o odpowiednio dużej średnicy), to przebicie następuje przy bardzo określonym napięciu, którego wartość zależy od odległości między elektrodami kulki. Jest to podstawa woltomierza iskrowego, który służy do pomiaru wysokiego napięcia. Podczas pomiarów wyznaczana jest największa odległość, przy której pojawia się iskra. Następnie pomnóż przez, aby otrzymać wartość zmierzonego napięcia.

Jeśli jedna z elektrod (lub obie) ma bardzo dużą krzywiznę (za elektrodę służy np. cienki drut lub końcówka), to przy niezbyt wysokim napięciu następuje tzw. wyładowanie koronowe. Wraz ze wzrostem napięcia wyładowanie to zamienia się w iskrę lub łuk.

Podczas wyładowania koronowego jonizacja i wzbudzenie cząsteczek nie zachodzą w całej przestrzeni międzyelektrodowej, a jedynie w pobliżu elektrody o małym promieniu krzywizny, gdzie natężenie pola osiąga wartości równe lub przekraczające . W tej części wyładowania gaz jarzy się. Jarzenie ma wygląd korony otaczającej elektrodę, stąd wzięła się nazwa tego typu wyładowań. Wyładowanie koronowe z końcówki ma wygląd świetlistej szczotki i dlatego czasami nazywane jest wyładowaniem szczoteczkowym. W zależności od znaku elektrody koronowej mówią o koronie dodatniej lub ujemnej. Pomiędzy warstwą koronową a elektrodą niekoronową znajduje się zewnętrzny obszar koronowy. Tryb awarii istnieje tylko w warstwie koronowej. Dlatego możemy powiedzieć, że wyładowanie koronowe jest niepełnym rozkładem szczeliny gazowej.

W przypadku korony ujemnej zjawiska na katodzie są podobne do zjawisk na katodzie wyładowania jarzeniowego. Jony dodatnie przyspieszane przez pole wybijają z katody elektrony, co powoduje jonizację i wzbudzenie cząsteczek w warstwie koronowej. W obszar zewnętrzny Pole koronowe nie jest wystarczające, aby zapewnić elektronom energię niezbędną do jonizacji lub wzbudzenia cząsteczek.

Dlatego elektrony wnikające w ten obszar dryfują pod wpływem zera do anody. Niektóre elektrony są wychwytywane przez cząsteczki, co powoduje powstawanie jonów ujemnych. Zatem prąd w obszarze zewnętrznym jest określany tylko przez nośniki ujemne - elektrony i jony ujemne. W tym regionie wyładowanie nie jest samowystarczalne.

W koronie dodatniej lawiny elektronów powstają na zewnętrznej granicy korony i pędzą w kierunku elektrody koronowej – anody. Pojawienie się elektronów generujących lawiny wynika z fotojonizacji wywołanej promieniowaniem z warstwy koronowej. Nośnikami prądu w zewnętrznym obszarze korony są jony dodatnie, które pod wpływem pola dryfują w stronę katody.

Jeżeli obie elektrody mają dużą krzywiznę (dwie elektrody koronowe), w pobliżu każdej z nich zachodzą procesy charakterystyczne dla elektrody koronowej danego znaku. Obie warstwy koronowe są oddzielone obszarem zewnętrznym, w którym poruszają się przeciwprądy dodatnich i ujemnych nośników prądu. Taka korona nazywana jest bipolarną.

Niezależny wyładowanie gazowe, o którym mowa w § 82, w przypadku liczników jest wyładowaniem koronowym.

Grubość warstwy koronowej i siła prądu rozładowania rosną wraz ze wzrostem napięcia. Przy niskim napięciu korona jest niewielka, a jej blask jest niezauważalny. Taka mikroskopijna korona pojawia się w pobliżu końcówki, z której wypływa wiatr elektryczny (patrz § 24).

Korona pojawiająca się pod wpływem elektryczność atmosferyczna na szczytach masztów statków, drzew itp. w starożytności otrzymały nazwę świateł św. Elma.

W zastosowaniach wysokiego napięcia, szczególnie w liniach przesyłowych wysokiego napięcia, wyładowania koronowe prowadzą do szkodliwego upływu prądu. Dlatego należy podjąć działania, aby temu zapobiec. W tym celu bierze się na przykład druty linii wysokiego napięcia o dość dużej średnicy, im większa, tym wyższe napięcie sieciowe.

Wyładowania koronowe znalazły przydatne zastosowanie w technologii elektrofiltrów. Oczyszczany gaz przemieszcza się w rurze, wzdłuż której osi znajduje się ujemna elektroda koronowa. Jony ujemne, obecne w dużych ilościach w zewnętrznym obszarze korony, osadzają się na cząsteczkach lub kropelkach zanieczyszczających gaz i są przenoszone wraz z nimi do zewnętrznej elektrody nieulotnej. Po dotarciu do tej elektrody cząstki są neutralizowane i osadzane na niej. Następnie po uderzeniu w rurę osad utworzony przez uwięzione cząstki spada do zbiornika zbierającego.

Pojawienie się smug w przestrzeni pomiędzy elektrodami nie zawsze prowadzi do iskry, ale może również spowodować inny rodzaj wyładowania, wyładowanie koronowe. Rysunek pokazuje schemat urządzenia, za pomocą którego można odtworzyć wyładowanie koronowe. W tym urządzeniu cienki drut jest umieszczony wzdłuż osi wydrążonego metalowego cylindra.

Kiedy pomiędzy drutem a cylindrem występuje napięcie, w przestrzeni między nimi powstaje nierównomierne pole elektryczne o maksymalnym natężeniu w pobliżu drutu. Kiedy natężenie pola w pobliżu drutu zbliża się do wartości przebicia napięcia powietrza (około U p = 30 000 V/m), pomiędzy drutem a cylindrem następuje zapłon wyładowania koronowego i w obwodzie płynie prąd, tj. Wokół drutu pojawia się blask – korona. Wygląd korony przy ujemnym potencjale drutu (korona ujemna) różni się nieco od korony dodatniej.

Przy ujemnym potencjale drutu lawiny elektronów rozpoczynają się od drutu, rozprzestrzeniają się na anodę, a w pewnej odległości strumienie odrywają się z powodu zmniejszenia natężenia pola. W przypadku korony dodatniej lawiny elektronów powstają na zewnętrznej granicy (powierzchni) korony i przemieszczają się w kierunku drutu. W przeciwieństwie do wyładowania iskrowego, w wyładowaniu koronowym następuje niepełne przebicie szczeliny gazowej, ponieważ w nim lawiny elektronowe nie przenikają całej warstwy gazu E = .

Wewnątrz koron znajdują się zarówno jony dodatnie, jak i ujemne. Poza koroną będą jony tylko jednego znaku: ujemne z koroną ujemną; jony dodatnie z dodatnią koroną.

Wyładowanie koronowe może wystąpić nie tylko na drucie, ale także na jego końcówce i w ogóle na wszystkich elektrodach, w pobliżu których powstaje bardzo silne niejednorodne pole. Wyładowaniu koronowemu towarzyszy syczący dźwięk i lekki trzask. Wyładowania koronowe powstają na liniach wysokiego napięcia i powodują wyciek ładunków elektronicznych, czyli tzw. Elektryczność.

Zastosowanie wyładowań koronowych.

1. Elektryczne oczyszczanie gazów (elektryczne elektrofiltry). Znany jest eksperyment - naczynie wypełnione dymem natychmiast staje się całkowicie przezroczyste, jeśli wprowadzi się do niego ostre metalowe elektrody pod wysokim napięciem.

Efekt ten wykorzystywany jest do oczyszczania gazów. Cząsteczki stałe i ciekłe zawarte w gazie wyładowania koronowego oddziałują z jonami i stają się cząstkami naładowanymi (jony „przyklejają się” do cząstek pyłu), a następnie kierowane są do elektrod i osadzane. Ponadto takie elektrofiltry umożliwiają wydobycie wielu ton cennych produktów z gazów przy produkcji kwasu siarkowego i metali nieżelaznych w produkcji liniowej.

2.Liczniki cząstek elektronowych.

Napięcie U dobiera się tak, aby było nieco mniejsze od „krytycznego”, tj. konieczne do zapalenia wyładowania koronowego wewnątrz miernika. Kiedy szybko poruszający się elektron wchodzi do licznika, jonizuje cząsteczki gazu wewnątrz objętości, powodując spadek napięcia zapłonu koronowego. W liczniku następuje wyładowanie, a w obwodzie pojawia się słaby krótkotrwały impuls prądowy. Do rejestracji sygnału wykorzystuje się czuły elektrometr E; za każdym razem, gdy cząstka (nawet jeden elektron) wejdzie w objętość licznika, listki elektrometru są odrzucane.

§7. Klasyfikacja wyładowań elektrycznych.

Wyładowania elektryczne w gazach przebiegają w różny sposób, tj. w wyładowaniu realizowane są pewne podstawowe (elementarne) procesy, specyficzne dla danego rodzaju wyładowania i determinujące jego postać; jego charakterystyczne cechy.

Jak już wiemy, w objętości wyładowania gazowego można zrealizować ograniczoną liczbę procesów elementarnych, wymieńmy te procesy jeszcze raz:

1) W wyniku zderzeń cząstek gazu: wymiana energii, pędu, wzbudzenie atomów, jonizacja.

2) Dodanie elektronów powoduje: pojawia się jon ujemny, stężenie elektronów maleje.

3) Wynik rekombinacji: rodzi się promieniowanie (foton).

4) Odbiór i emisja promieniowania w objętości wyładowania.

5) Dyfuzja naładowanych cząstek.

6) Efekty elektrodowe: emisja termoelektryczna; zewnętrzny efekt fotoelektryczny, emisja pod wpływem uderzenia elektronów, emisja pod wpływem jonów dodatnich: emisja pod wpływem uderzenia atomów obojętnych; automatyczna emisja spalin.

Jednocześnie wszystkie te elementarne - podstawowe procesy w wyładowaniach nie są realizowane. W zależności od warunków realizowane są tylko niektóre procesy i ten zbiór procesów elementarnych określa podstawowe właściwości wyładowania, tj. Ten rodzaj wyładowania różni się od innego zestawem podstawowych procesów. Ten zestaw lub rodzaj wyładowania sam w sobie jest określony przez następujące parametry układu: wielkość prądu i napięcie między elektrodami; ciśnienie gazu, geometria komory wyładowczej, materiał elektrod i stan ich powierzchni, temperatura elektrod itp.

Rodzaj wyładowania zależy głównie od napięcia na elektrodach, wielkości prądu wyładowania i ciśnienia w komorze wyładowczej. W tym przypadku napięcie i prąd są niezależnymi parametrami układu.

Zatem zależność napięcia od prądu staje się najważniejszą integralną cechą wyładowania elektrycznego U = f(I), zwaną także charakterystyką prądowo-napięciową wyładowania. Powstaje w zależności od procesów wewnętrznych, dlatego można na jego podstawie określić rodzaj wyładowania.

Zastanówmy się więc, jak jeden rodzaj wyładowania przekształca się w inny typ za pomocą charakterystyki prądowo-napięciowej.

Sekcja OB jest niesamopodtrzymującym się ciemnym wyładowaniem, powstawanie nośników prądu następuje tylko dzięki zewnętrznemu jonizatorowi, w sekcji OA rekombinacja zachodzi, a w AB wszystkie ładunki docierają do elektrod, rekombinację ładunków można pominąć.

Za punktem B rozpoczyna się jonizacja cząstek neutralnych w wyniku uderzenia elektronów i pojawiają się lawiny elektronów i jonów. Jeśli jednak usuniesz zewnętrzny jonizator, wyładowanie ustanie. Jest to niezależne zwolnienie Townsenda – jest to sekcja Sił Zbrojnych.

Elektrony wtórne, wybijane z katody przez jony dodatnie, kwanty światła i wzbudzone cząsteczki, odgrywają znaczącą rolę w obszarze CD. Nie ma potrzeby utrzymywania jonizacji ze względu na energię źródeł zewnętrznych - wyładowanie staje się niezależne, zwane jest także niezależnym wyładowaniem Townsenda (jest to sekcja SE).

W sekcji EF wyładowanie Townsenda przekształca się w normalne wyładowanie jarzeniowe, co odpowiada sekcji FH. Napięcie na odcinku NK rośnie wraz ze wzrostem napięcia. Wyładowanie odpowiadające sekcji NK nazywane jest anomalnym wyładowaniem jarzeniowym.

Ponadto wraz ze wzrostem prądu wzrasta temperatura katody, wzrasta rola emisji termionowej, wyładowanie kurczy się i powstaje wyładowanie łukowe. Wyładowanie łukowe jest podtrzymywane przez emisję termionową z katody.

Stacjonarne wyładowanie jarzeniowe przy niskim ciśnieniu.

Wraz ze wzrostem prądu niezależny zrzut Townsella (sekcja CEF) może rozwijać się na różne sposoby i mieć kilka form. Jeśli przy ciśnieniu około 1 mm. rt. Sztuka. wyładowanie następuje pomiędzy elektrodami podłączonymi do źródła prąd stały, następuje normalne rozładowanie.

Sekcja FH charakterystyki prądowo-napięciowej odpowiada wyładowaniu jarzeniowemu. Charakterystyczną cechą wyładowania jarzeniowego jest specyficzny rozkład potencjału na długości przerwy międzyelektrodowej. Rozkład potencjałów powoduje, że wyładowanie jarzeniowe ma charakterystyczny niejednorodny wygląd, a co za tym idzie niejednorodną strukturę, wyładowanie wydaje się być podzielone na części. Wyładowanie jarzeniowe składa się z obszaru katody i kolumny dodatniej.

Przyjrzyjmy się różnym częściom wyładowania. Zaczynając od katody do anody.

Obszar katody wyładowania.

Elektrony potrzebne do podtrzymania wyładowania są emitowane głównie podczas bombardowania katody jonami dodatnimi. Elektrony wtórne opuszczają katodę z małymi prędkościami, w efekcie (przy powierzchni tworzą ujemny ładunek przestrzenny) nie mają jeszcze wystarczającej energii, aby wzbudzić cząsteczki gazu, więc cząsteczki nie emitują, a ciemna przestrzeń wypełniona jest wolnymi elektrony powstają bezpośrednio na powierzchni katody. Ta bardzo cienka, nieświecąca warstwa gazu nazywana jest ciemną przestrzenią Astona. Prąd w tym obszarze jest generowany głównie przez jony dodatnie.

Następnie elektrony są przyspieszane przez pole, energia kinetyczna elektronów staje się wystarczająca do wzbudzenia cząsteczek gazu, co powoduje pojawienie się cienkiej świetlistej warstwy gazu, zwanej świeceniem pierwszej katody. W tym obszarze elektrony podczas zderzeń częściowo lub całkowicie tracą prędkość. Dlatego po pierwszym świeceniu katody tworzy się kolejna ciemna przestrzeń katodowa. W tym obszarze zachodzi słaba rekombinacja elektronów z jonami dodatnimi, dlatego występuje tu bardzo mała emisja. W ciemnej przestrzeni katodowej elektrony są silnie przyspieszane do prędkości, przy których intensywnie jonizują cząsteczki gazu i w konsekwencji ulegają namnażaniu.

Na końcu drugiej ciemnej przestrzeni katodowej liczba elektronów jest już tak duża, że ​​prąd jest prawie w całości przenoszony przez elektrony, które zauważalnie zmniejszają dodatni ładunek przestrzenny, tworząc nawet obszar ujemnego ładunku przestrzennego. W tym obszarze dalsze przyspieszanie elektronów zatrzymuje się, a energia zgromadzona w obszarze ciemnej przestrzeni drugiej katody jest zużywana głównie na intensywne wzbudzenie i jonizację cząsteczek. Dzieje się tak w obszarze jarzenia drugiej katody (jarzenia katody ujemnej). W rezultacie energia elektronów maleje, stopniowo maleje również intensywność wzbudzenia i jonizacji, dlatego liczba elektronów maleje (i na skutek rekombinacji i dyfuzji) tak bardzo, że ujemny ładunek kosmiczny wynosi zero. W związku z tym zmienia się natężenie pola elektrycznego i w momencie zaniku ładunku ujemnego E przyjmuje stałą wartość (około 1 V/cm) i nie zmienia się aż do obszaru ładunku anody. W tym momencie rozpoczyna się dodatnia kolumna wyładowania jarzeniowego.

Przestrzeń zajmowana przez ciemną przestrzeń Astona pierwszej poświaty katody i drugiej ciemnej przestrzeni nazywana jest obszarem spadku potencjału katody. Jak widać na rysunku, spadek potencjału pomiędzy elektrodami jest prawie całkowicie realizowany na małym obszarze w pobliżu katody. Długość tego odcinka zmienia się odwrotnie proporcjonalnie do ciśnienia gazu. Przy P = 1 mm Hg. DC wynosi około 10 mm, a U=100-250 V.

W normalnym wyładowaniu jarzeniowym gęstość prądu pozostaje stała w miarę wzrostu lub spadku prądu wyładowania. Ale to zależy od ciśnienia P i zmienia się zgodnie z prawem P 2. Na przykład przy P = 1 mm Hg. średnia gęstość J= 0,1 mA/cm2 = 1,104 A/cm2. Ale J zależy także od rodzaju gazu i materiału katody. Z Ja=jS wynika z tego, że przy niskim natężeniu prądu część obszaru bierze udział w wyładowaniu.

W tych warunkach spadek potencjału katody Uk również pozostaje stały. Dla zakresu ciśnienia od 1-10 mm Hg. wartość U k nie zależy od ciśnienia i jest jednoznacznie określona przez charakter gazu i materiał katody. Przykłady

Wraz ze wzrostem prądu rozładowania następuje moment, w którym w wyładowaniu bierze udział cała powierzchnia katody i od tego momentu, wraz z dalszym wzrostem prądu, spadek potencjału katody zaczyna się zwiększać. Natężenie pola E wzrasta aż do osiągnięcia wymaganej jonizacji, aby utrzymać wzrost prądu. W tych warunkach normalne wyładowanie jarzeniowe zamienia się w anomalne wyładowanie jarzeniowe.

gdzie k jest stałą zależną od rodzaju gazu i materiału katody.

Pozytywny filar.

Kolumna dodatnia składa się z plazmy, a plazma jest neutralnym ośrodkiem przewodzącym prąd elektryczny. Dlatego dodatnia kolumna jarzeniowa pełni rolę zwykłego przewodnika łączącego obszar w pobliżu katody z częścią w pobliżu anody wyładowania. W przeciwieństwie do innych części wyładowania jarzeniowego, które mają określone wymiary i budowę w zależności od rodzaju gazu, jego ciśnienia i gęstości prądu rozładowania, o długości kolumny dodatniej decydują wymiary komory wyładowczej i konstrukcja kolumny jest zjonizowanym gazem ( n mi ≈ n ja), tj. może mieć dowolną długość. Natężenie pola wynosi około 1 V/cm i ma tendencję do wzrostu wraz ze wzrostem ciśnienia. Natężenie zmienia się także wraz ze zmianą promienia komory (rury) - ściskanie wyładowania zwiększa pole: E zawsze przyjmuje wartość wystarczającą do utrzymania w kolumnie stopnia jonizacji potrzebnego do stacjonarnego spalania wyładowania. Energia w kolumnie jest wystarczająca do jonizacji. Proces jonizacji kompensuje utratę elektronów i jonów w wyniku rekombinacji i dyfuzji, po której następuje neutralizacja na elektrodach i ściankach komory, wszystkie te procesy łączą blask kolumny dodatniej. W przeciwieństwie do innych części, w dodatniej kolumnie wyładowania jarzeniowego chaotyczny ruch naładowanych cząstek przeważa nad ukierunkowanym.

Region anodowy.

Anoda przyciąga elektrony z kolumny dodatniej, w pobliżu miejsca wiązania powstaje ujemny ładunek przestrzenny, a natężenie pola wzrasta, w wyniku czego prąd wyładowania jest przenoszony na powierzchnię anody. Obszar opadania anody jest pasywną częścią wyładowania. Anoda nie emituje ładunków. Wyładowanie jarzeniowe może występować bez obszaru anodowego, a także bez kolumny dodatniej. Kolumna wyładowania dodatniego nie zależy od procesów przyelektrodowych. Różnica między częściami katody polega na głównie ukierunkowanym ruchu elektronów i jonów.

Zastosowanie wyładowań jarzeniowych.

Wyładowanie jarzeniowe w odprowadzanych gazach znajduje różnorodne zastosowanie w wypełnionych gazem prostownikach, przetwornicach, wskaźnikach, stabilizatorach napięcia i gazowych lampach fluorescencyjnych. Przykładowo w lampach neonowych (w celach sygnalizacyjnych) w neonach stosuje się wyładowanie jarzeniowe, elektrody są pokryte warstwą baru i mają spadek potencjału katody około 70 V i zapalają się po podłączeniu do sieci oświetleniowej.

W świetlówkach wyładowanie jarzeniowe następuje w parach rtęci. Promieniowanie par rtęci jest pochłaniane przez warstwę luminoforu pokrywającą wewnętrzną powierzchnię świetlówki gazowej.

Wyładowanie jarzeniowe jest również wykorzystywane do napylania katodowego metali. Podczas wyładowania jarzeniowego powierzchnia katody w wyniku bombardowania dodatnimi jonami gazu nagrzewa się w poszczególnych małych obszarach do bardzo wysokiej temperatury i dlatego stopniowo przechodzi w stan pary. Umieszczając przedmioty w pobliżu katody wyładowczej, można je pokryć jednolitą warstwą metalu.

W ostatnich latach wyładowania jarzeniowe znalazły zastosowanie w chemii plazmy i technologii laserowej. W nich wyładowanie jarzeniowe stosuje się w trybie anomalnym przy podwyższonym ciśnieniu.

1. p = 6,7 kPa ≈ 50 mm. rt. Sztuka.

w= 15,7 m/s

2. p = 8 kPa ≈ 60 mm. rt. Sztuka.

w= 21 m/s

Typowa charakterystyka prądowo-napięciowa wyładowania jarzeniowego w poprzecznym przepływie powietrza.

1 mm. rt. Sztuka. = 133 Pa. 1kPa=1000/133 = 8mmHg.

Wraz z dalszym wzrostem napięcia od U 3 i więcej, siła prądu zaczyna gwałtownie rosnąć. Jeśli usuniesz zewnętrzny jonizator, wyładowanie będzie kontynuowane. Oznacza to, że ładunki niezbędne do utrzymania przewodności elektrycznej gazu są teraz tworzone przez samo wyładowanie. Wyładowanie gazowe, które występuje bez działania zewnętrznego jonizatora, nazywane jest wyładowaniem niezależnym. Napięcie Uz, przy którym wyładowanie staje się niezależne, nazywane jest napięciem zapłonu wyładowania gazowego lub napięciem przebicia. Samopodtrzymujący się wyładowanie gazowe jest utrzymywane dzięki jonizacji uderzeniowej przez elektrony przyspieszane przez pole elektryczne. Pod wpływem pola elektrycznego prędkość elektronów wzrasta tak bardzo, że gdy elektron zderza się z atomem, atom traci elektron. Jeśli natężenie pola elektrycznego jest wystarczające, oba elektrony zyskują wystarczającą energię przed kolejnym zderzeniem, aby zjonizować następny atom. Liczba elektronów rośnie bardzo szybko, mówi się, że tworzy się lawina elektronowo-jonowa. To nie wystarczy, należy zrekompensować utratę elektronów na anodzie. Elektrony te mogą wydostać się z katody poprzez bombardowanie katody jonami dodatnimi i fotonami (gdy katoda jest oświetlona) przemieszczającymi się w kierunku katody pod wpływem pola elektrycznego.

Rodzaje niezależnych wyładowań:

A) Wyładowanie koronowe

zachodzi pod ciśnieniem atmosferycznym w silnie niejednorodnym polu elektrycznym w pobliżu elektrod o dużej krzywiźnie powierzchni

B) Wyładowanie iskrowe

występuje przy dużym natężeniu pola elektrycznego.

V) Wyładowanie łukowe

Jeżeli po zapaleniu wyładowania iskrowego z silnego źródła odległość między elektrodami stopniowo się zmniejsza, wówczas wyładowanie staje się ciągłe - następuje wyładowanie łukowe. W tym przypadku prąd gwałtownie wzrasta, osiągając setki amperów, a napięcie na szczelinie wyładowczej spada do kilkudziesięciu woltów. Wyładowanie łukowe można uzyskać ze źródła niskiego napięcia, z pominięciem stopnia iskrowego. W tym celu elektrody są zbliżane do siebie, aż się zetkną; stają się bardzo gorące. wstrząs elektryczny, następnie rozdziela się je i powstaje łuk elektryczny (tak odkrył V.V. Pietrow). Przy ciśnieniu atmosferycznym temperatura katody wynosi około 3900 K. Wyładowanie łukowe jest podtrzymywane przez wysoką temperaturę katody wynikającą z intensywnej emisji termojonowej, a także termiczną jonizację cząsteczek ze względu na wysoką temperaturę gazu. Wyładowanie łukowe służy do spawania i cięcia metali, produkcji wysokiej jakości stali w piecach łukowych oraz oświetlenia (reflektory).

G) Wyładowanie jarzeniowe występuje przy niskich ciśnieniach. Wyładowanie jarzeniowe to blask lamp gazowych w napisach i reklamach; są to świetlówki. Charakter blasku zależy od skład chemiczny gazu w rurze i składu substancji pokrywającej wewnętrzną powierzchnię rury.

2. Promieniotwórczość naturalna. Rodzaje promieniowania radioaktywnego i ich właściwości.

Potwierdza się zjawisko radioaktywności złożony skład atom. Radioaktywność polega na tym, że jądro niektórych pierwiastki chemiczne samoistnie, bez działania czynników zewnętrznych, tworzą niewidzialne promieniowanie, które ma określone właściwości. Radioaktywność odkryto w 1896 r. Henri Becquerel dla uranu. Niewidzialne promienie działały na kliszę fotograficzną, jonizowały gaz i miały wysoką zdolność penetracji. Badanie radioaktywności (termin ten pojawił się później) było kontynuowane przez wielu naukowców. W 1898 r Francuscy fizycy Marie Curie i Pierre Curie uzyskali dwa nowe pierwiastki chemiczne z odpadów rudy uranu. Najpierw polon (Po), który zajmował 84. komórkę układu okresowego, a następnie rad (Ra), który zajmował 88. komórkę. Promieniowanie radu było bardzo silne, a po odkryciu radu zaczęto używać określenia radioaktywność. Curie odkryli również, że wszystkie pierwiastki, począwszy od 83, są w różnym stopniu radioaktywne.

E. Rutherford badając promieniowanie radioaktywne odkrył jego niejednorodność. W polu magnetycznym i elektrycznym promieniowanie podzielono na trzy części. Nazwano składniki promieniowania: promienie alfa (α), promienie beta (ß), promienie gamma (γ).

Promienie α są słabo odchylane w polach elektrycznych i magnetycznych jako cząstki naładowane dodatnio. Masa tych cząstek jest czterokrotnie większa od masy atomu wodoru. Później ustalono, że promienie α są jądrami atomów helu. Promienie α mają bardzo silną zdolność jonizacyjną, ale ich zdolność penetracji jest słaba, tj. promieniowanie to jest dobrze pochłaniane przez materię.

ß -promienie zostały odbite w polu magnetycznym i elektrycznym przeciwnym do promieni α, ale znacznie silniejsze; reprezentują strumień szybkich elektronów. Zdolność penetracji ß -promienie są znacznie większe niż promienie α, a jonizujące są znacznie słabsze.

γ -promienie nie uległy załamaniu w polu elektrycznym i magnetycznym, okazały się bardzo twarde promieniowanie elektromagnetyczne(fale elektromagnetyczne o bardzo krótkiej długości i dużej sile przenikania). Odkryć γ -promienie są możliwe nawet po przejściu przez żelazną płytę o grubości metra.

Bilet numer 7

1. Prąd elektryczny w półprzewodnikach. Przewodnictwo wewnętrzne i domieszkowe półprzewodników.

Istnieje duża grupa substancji, które na swój sposób właściwości elektryczne zajmują pozycję pośrednią między przewodnikami i dielektrykami. Substancje te nazywane są półprzewodnikami. Należą do nich krzem, german, fosfor, arsen, antymon, selen, tlenki niektórych metali, siarczki i tellurki.

Półprzewodniki różnią się od metali stężeniem wolnych ładunków; w półprzewodnikach przy normalne warunki stężenie wolnych elektronów jest miliard razy mniejsze niż w metalach. Dlatego rezystywność półprzewodników jest o kilka rzędów wielkości większa niż rezystywność metali. Jeżeli po nagrzaniu metalu opór przewodnika wzrasta, to po nagrzaniu półprzewodnika opór znacznie maleje. Przewodność niektórych półprzewodników znacznie wzrasta pod wpływem oświetlenia. Zanieczyszczenia w metalach znacznie zmniejszają ich przewodność elektryczną; zanieczyszczenia w półprzewodnikach mogą w niektórych przypadkach zwiększyć przewodność elektryczną dziesiątki tysięcy razy. Przewodność elektryczna kryształów niemetalicznych zależy w dużym stopniu od ciśnienia, przy ciśnieniu 3-4 atm. Może stać się równy przewodności kryształów metali.

Przewodność elektryczną półprzewodników tłumaczy się osobliwością ich struktura krystaliczna. Rozważmy sieć krystaliczną germanu. German jest typowym półprzewodnikiem (z=32). Cztery powłoki elektronowe germanu zawierają 32 elektrony - 2, 8, 18, 4. Trzy powłoki wewnętrzne są stabilne, tj. reakcje chemiczne nie uczestniczą, ich elektrony mają silne połączenie z jądrem. Zewnętrzna powłoka atomów germanu ma 4 elektrony walencyjne. Kiedy dany atom zbliża się do sąsiadów, elektrony walencyjne sąsiednich atomów oddziałują ze sobą. Każdy atom germanu znajduje się w tej samej odległości od czterech sąsiednich atomów i tworzy z nimi wiązania kowalencyjne, czyli takie, w których każdy z elektronów walencyjnych należy jednocześnie do dwóch sąsiednich atomów. Elektrony walencyjne mogą przemieszczać się od jednego wiązanie kowalencyjne do drugiego, poruszaj się po krysztale. Ruch taki jest chaotyczny, więc nie wytwarza prądu.

Przewodnictwo wewnętrzne półprzewodników.

Energia jonizacji atomów germanu jest porównywalna z energią ruchu termicznego już przy temperatura pokojowa. Dlatego część zewnętrznych elektronów jest współdzielona przez sąsiednie atomy i łatwo przemieszcza się z jednego atomu do drugiego, stając się wędrującymi cząstkami (elektrony stały się wolne). Liczba takich elektronów znacznie wzrasta po podgrzaniu lub oświetleniu. Pod wpływem pola elektrycznego swobodne elektrony będą poruszać się w określonym kierunku i wytwarzać prąd elektryczny zwany prądem elektronowym. Równocześnie z pojawieniem się wędrującego (wolnego) elektronu w atomie półprzewodnika pojawia się wolne miejsce w wiązaniu kowalencyjnym, które zwykle nazywa się otwór. Dziurę tę może zająć elektron z wiązania kowalencyjnego sąsiedniego atomu, co z kolei tworzy dziurę. Zatem wędrówka elektronów w sieci krystalicznej pociąga za sobą wędrówkę dziur.

„Ruch” dziur z jednego atomu na drugi jest podobny do ruchu ładunku dodatniego, tj. dziurom przypisuje się ładunek dodatni. Pod wpływem pola elektrycznego dziury będą się poruszać w kierunku przeciwnym do ruchu elektronów, tworząc przewodzenie dziurowe. Prąd w półprzewodniku składa się z prądu elektronowego i dziurowego. W chemicznie czystych półprzewodnikach prąd elektronowy jest równy prądowi dziury, a przewodność czystych półprzewodników nazywa się własny.

Przewodnictwo zanieczyszczeń w półprzewodnikach.

Przewodnictwo półprzewodników zależy nie tylko od warunków zewnętrznych, w szczególności od temperatury i ciśnienia. Przewodność wzrasta w obecności specjalnie dobranych zanieczyszczeń. Następnie wraz z przewodnictwem wewnętrznym pojawia się przewodnictwo zanieczyszczeń. Zazwyczaj głównym półprzewodnikiem jest german lub krzem.

Jeśli do czterowartościowego krzemu doda się substancję pięciowartościową, na przykład arsen, jako zanieczyszczenie, wówczas wystarczą cztery elektrony walencyjne z każdego atomu, aby utworzyć wiązanie kowalencyjne między atomami krzemu i arsenu. W tym przypadku piąty elektron walencyjny arsenu okazuje się wolny, tj. elektron przewodzący. Zanieczyszczenie, którego wartościowość jest większa niż wartościowość głównego półprzewodnika, nazywa się donorem (oddawaniem elektronu). Półprzewodniki z domieszką donora nazywane są półprzewodnikami typu n. W półprzewodnikach przewodność elektronowa ma przewagę nad przewodnością dziurową. Elektrony nazywane są większościowymi nośnikami ładunku, dziury nazywane są mniejszościowymi nośnikami ładunku.

Jeśli do krzemu doda się substancję trójwartościową, na przykład ind, jako zanieczyszczenie, wówczas gdy między atomami krzemu i indu utworzy się wiązanie kowalencyjne, zabraknie jednego elektronu. Dlatego dla każdego atomu indu powstaje jedna dodatkowa dziura.Zanieczyszczenie, którego wartościowość jest mniejsza niż wartościowość głównego półprzewodnika, nazywa się akceptor(gospodarz). Półprzewodniki z domieszką akceptora nazywane są półprzewodnikami typu p. W półprzewodnikach typu p przewodność dziurowa dominuje nad przewodnością elektronową. Głównymi nośnikami ładunku są dziury.

2. Przemiany jądrowe. Prawo rozpadu promieniotwórczego.

Rozpad promieniotwórczy to radioaktywna przemiana jąder atomowych, której towarzyszy pojawienie się jądra innego pierwiastka chemicznego i uwolnienie jednego z cząstki elementarne. Rozpad promieniotwórczy jest posłuszny zasada przemieszczenia.

Podczas rozpadu α ​​otrzymuje się jądro pierwiastka chemicznego przesunięte o dwie komórki na początek układu okresowego, przy czym liczba masowa zmniejsza się o cztery jednostki.

Te. Rozpad α następuje zgodnie ze schematem

Na przykład

ß -rozpad występuje w dwóch odmianach: elektronowej i pozytonowej. Na ß- rozpad elektronu powoduje powstanie jądra umieszczonego na przykład jedną komórkę na prawo od pierwotnej

Podczas rozpadu pozytonu (pozyton jest antycząstką elektronu, różni się od elektronu jedynie znakiem ładunku) powstaje jądro pierwiastka chemicznego, przesuniętego o jedną komórkę na początek układu okresowego, np.

Rozpad prowadzi do zmniejszenia liczby atomów substancji promieniotwórczej i ma charakter losowy. Nie da się z góry przewidzieć, który z atomów ulegnie rozpadowi i kiedy.

Do momentu rozpadu ani w jądrze, ani w powłoka elektronowa atomu nie zachodzą żadne procesy determinujące rozpad. Dlatego możemy mówić jedynie o prawdopodobieństwie rozpadu atomu w danym okresie czasu. Czas T, w którym rozpada się połowa pierwotnej liczby atomów promieniotwórczych, nazywany jest okresem półtrwania.

Prawo rozpadu promieniotwórczego jest prawem statystycznym i ma postać:

N= N 0 ·2 - t/ T, gdzie N 0 to początkowa liczba jąder promieniotwórczych, N to liczba nierozłożonych jąder po czasie t od początku rozpadu, T to okres półtrwania.

Okresy półtrwania pierwiastków promieniotwórczych są bardzo zróżnicowane. Przykładowo dla uranu-238 jest to 4,5·10 9 lat, dla toru-234 24,1 dnia, a dla polonu-214 tylko 1,5·10 -4 s.

Niezależność okresu półtrwania pierwiastków promieniotwórczych wykorzystywana jest do określenia wieku skały, w której zawarte są te pierwiastki (zwykle wykorzystuje się izotop uranu. Wiek). związki organiczne zwykle określana na podstawie zawartości węgla.

Bilet numer 8

1. Kontakt dwóch półprzewodników o różnych rodzajach przewodnictwa. Jego właściwości i zastosowanie w urządzeniach elektronicznych.

Jeśli zetkniesz dwa półprzewodniki o różnych rodzajach przewodnictwa, rozpocznie się przeciwdyfuzja elektronów i dziur. Elektrony przewodnictwa z półprzewodnika typu n przesuną się do półprzewodnika typu p, a dziury z półprzewodnika typu p do półprzewodnika typu n. Dlatego proces zachodzi w warstwie kontaktowej półprzewodników różne rodzaje zwane złączem p-n lub złączem elektron-dziura. W wyniku przeciwdyfuzji elektronów i dziur półprzewodnik typu n otrzyma ładunek dodatni, a półprzewodnik typu p otrzyma ładunek ujemny. W warstwie kontaktowej powstaje pole elektryczne (różnica potencjałów stykowych), które uniemożliwia dalszą dyfuzję elektronów i dziur.

Właściwości przejścia elektron-dziura.

Jeśli podłączysz półprzewodnik typu n do bieguna ujemnego źródła prądu, a półprzewodnik typu p do bieguna dodatniego, wówczas pole elektryczne źródła skompensuje pole warstwy kontaktowej i dyfuzję elektronów a dziury w warstwie kontaktowej będą pojawiać się w sposób ciągły. Przez styk przepływa prąd elektryczny zwany prądem stałym. skrzyżowanie р-n.

Jeśli półprzewodnik typu n zostanie podłączony do bieguna dodatniego źródła prądu, a półprzewodnik typu p do bieguna ujemnego źródła prądu, wówczas pole źródłowe będzie pokrywać się z polem warstwy stykowej. Rezystancja warstwy stykowej będzie bardzo duża i praktycznie nie będzie przez nią płynął żaden prąd (słaby rewers aktualny р-n przejście jest tworzone przez przewoźników opłat mniejszościowych).

Zatem, warstwa kontaktowa dwóch półprzewodników różne rodzaje ma przewodność jednokierunkową.

Urządzenie półprzewodnikowe oparte na jednym pn nazywa się diodą półprzewodnikową. Dioda służy do prostowania prądu przemiennego.

Urządzenie półprzewodnikowe oparte na dwóch pn nazywa się triodą półprzewodnikową lub tranzystorem. Tranzystory dzielą się na p-n-p i n-p-n. Środkowy, węższy obszar tranzystora nazywany jest bazą i dzieli kryształ na dwa obszary o równej przewodności, zwane emiterem i kolektorem. Tranzystory służą do wytwarzania i wzmacniania oscylacji elektrycznych o wysokiej częstotliwości.

2. Struktura jądro atomowe. Energia wiązania jąder atomowych.

W 1919 r. Rutherford, przeprowadzając pierwszą sztuczną reakcję jądrową, uzyskał cząstkę elementarną w stanie wolnym, której ładunek był równy modułowi ładunku elektronu, a jej masa okazała się w przybliżeniu równa 1 amu. (jednostka masy atomowej). Cząsteczkę nazwano protonem (później okazało się, że było to jądro izotopu wodoru). Zgodzili się wyznaczyć proton P Lub

Przez pewien czas uważano, że jądra składają się wyłącznie z protonów, ale ta koncepcja jądra zaprzeczała niektórym faktom eksperymentalnym. W 1932 r Chadwick otrzymał cząstkę elementarną w stanie swobodnym, która nie miała ładunku; masa cząstki okazała się w przybliżeniu równa masie protonu. Cząstkę tę nazwano neutronem. Po odkryciu neutronu D.D. Iwanenko i niemiecki fizyk Heisenberg zaproponowali model jądra protonowo-neutronowego: jądro składa się z protonów i neutronów. Ogólna nazwa cząstek jądrowych to nukleony. Liczba protonów Z pokrywa się z numer seryjny pierwiastek układu okresowego, tj. liczba protonów określa ładunek jądra. Suma protonów Z i neutronów N jest równa liczbie masowej A (masa pierwiastka chemicznego zaokrąglona do najbliższej całkowitej wartości). Z+N=A Protonowo-neutronowy model jądra wyjaśnił istnienie izotopów. Izotopy to substancje, które mają te same właściwości chemiczne (zajmujące to samo miejsce w układzie okresowym), ale mają różne właściwości właściwości fizyczne(głównie różna radioaktywność). Wszystkie pierwiastki chemiczne mają izotopy, niektóre pierwiastki chemiczne mają je w sposób naturalny, a niektóre mają je sztucznie, tj. otrzymywany w procesie reakcji jądrowych. Jądra izotopów tego samego pierwiastka chemicznego mają tę samą liczbę protonów i różną liczbę neutronów.

Przykładowo: izotopy wodoru - Z=1, N=0 - wodór lekki

Z=1, N=1 - deuter

Z=1, N=2 - tryt

izotopy uranu - Z=92, N=143

Substancje o tej samej liczbie masowej nazywane są na przykład izobarami

Siły nuklearne– siły zapewniające istnienie jąder stabilnych, przykład oddziaływań silnych. Siły jądrowe są siłami o szczególnej naturze. Cechy sił nuklearnych: 1) siły nuklearne są jedynie siłami przyciągania; 2) siły nuklearne są siłami krótkiego zasięgu; 3) siły jądrowe mają właściwości niezależności ładunku; 4) siły nuklearne nie są w centrum; 5) siły jądrowe mają właściwości nasycenia, tj. w jądrze nie może być dowolnej liczby nukleonów

Wada masowa Energia wiązania jądrowego. Energia wiązania to energia potrzebna do rozbicia jądra na nukleony bez przekazywania im energii kinetycznej. Obliczono ją w oparciu o wzór na zależność masy od energii (wzór Einsteina) E=mc 2.

Е св =Δmс 2, Δm – defekt masy, Δm=Zm p +Nm n -M i; Zm p to masa protonów wchodzących do jądra, Nm n to masa neutronów wchodzących do jądra, M i to masa całego jądra, c to prędkość światła w próżni.

Specyficzna energia wiązanie E beat – energia wiązania na nukleon.

E beat = E St / A. Największą energię wiązania charakteryzują pierwiastki chemiczne o liczbie masowej od 40 do 120. Przy A>120 specyficzna energia wiązania maleje monotonicznie. w A< 20 удельная энергия связи имеет характерные максимумы и минимумы. Удельная энергия связи определена для всех химических элементов.

Bilet numer 9

1. 1. Pole magnetyczne. Źródła pole magnetyczne. Indukcja pola magnetycznego. Linie magnetyczne siły.

  • zasada działania lasera helowo-neonowego Zasada działania lasera helowo-neonowego. Świecąca wiązka w środku to wyładowanie elektryczne.

    • Wyładowanie jarzeniowe

    Wyładowanie jarzeniowe nazywane jest zwykle wyładowaniem samopodtrzymującym, w którym katoda emituje elektrony w wyniku bombardowania jonami dodatnimi i fotonami wytwarzanymi w gazie.

    W przeciwieństwie do wyładowania Townsenda, gdzie gęstość prądu elektrycznego jest mała, a wpływ ładunku przestrzennego niewielki, w wyładowaniu jarzeniowym gęstości prądu są znacznie wyższe, a ładunki przestrzenne powstają w wyniku dużej różnicy mas elektronów i ładunków dodatnich. jony powodują, że pole elektryczne w gazie jest niejednorodne. Wyładowanie jarzeniowe charakteryzuje się dużym natężeniem pola elektrycznego i odpowiednio dużym spadkiem potencjału w pobliżu katody (spadek katody).

    Obniżenie ciśnienia do 0,1 0,01 mm Hg. Sztuka. prowadzi do pojawienia się różne części objętość gazu w charakterystycznych obszarach, choć nie zawsze jasno określona. Główne i najbardziej zauważalne z nich w kolejności od strony katody (ryc. 7.8) to:

    1) warstwa katody to cienka warstwa świetlna, w której atomy i cząsteczki są wzbudzane przez uderzenia elektronów, ale nie ma jeszcze jonizacji. Wracając do stanu normalnego, wzbudzone atomy emitują kwanty światła, co wyjaśnia świecenie;

    2) ciemna przestrzeń katodowa (ciemna przestrzeń Crookesa lub ciemna przestrzeń Gittorffa). W rzeczywistości nie jest całkowicie ciemno, ale wydaje się tak tylko na tle sąsiednich jaśniejszych obszarów wyładowania. W tej części przestrzeni rozpoczyna się jonizacja atomów i cząsteczek oraz wzrost lawin elektronowych. Ze względu na możliwość jonizacji zmniejsza się prawdopodobieństwo wzbudzenia atomów i cząsteczek, co wiąże się z osłabieniem jarzenia gazu. Obszar ciemnej przestrzeni katodowej jest najważniejszy dla utrzymania wyładowania, ponieważ utworzone tutaj jony dodatnie zapewniają niezbędną emisję elektronów z katody;

    3) ujemny blask tlący (blask tlący), w który przechodzi przestrzeń ciemnej katody. Ten blask jest mocno ograniczony tylko po stronie katody. Świecenie następuje w wyniku rekombinacji elektronów z jonami dodatnimi, a także w wyniku przejść kwantowych wzbudzonych atomów do niższych poziomów energii;

    4) w miarę zbliżania się do anody jasność tlącego się blasku słabnie i stopniowo przechodzi w tzw. ciemną przestrzeń Faradaya, do której nie docierają już szybkie elektrony lawin elektronowych (patrz ryc. 7.8);

    5) rdzeniem wyładowania jest kolumna zjonizowanego świecącego gazu w mniej lub bardziej wąskich rurkach. Czasami nazywa się to dodatnim blaskiem lub dodatnią kolumną wyładowczą. Zwykle rozciąga się aż do powierzchni anody. W pewnych warunkach pomiędzy kolumną dodatnią a anodą widoczna jest ciemna przestrzeń anodowa, a na samej powierzchni widać blask anody lub warstwę świetlną anody. Kolumna dodatnia jest czasami podzielona na osobne, naprzemienne jasne i ciemne paski (warstwy). W tym przypadku wyładowanie nazywa się złożonym. Obecność kolumny dodatniej nie jest niezbędna do utrzymania wyładowania, chociaż ma bardzo ważne w zastosowaniach absolutoryjnych.

    Świecenie w kolumnie dodatniej następuje głównie w wyniku rekombinacji elektronów z jonami dodatnimi. Podczas kilku ostatnich swobodnych ścieżek (w tak zwanym obszarze opadania anodowego) elektrony mogą zgromadzić wystarczającą energię kinetyczną, aby spowodować wzbudzenie atomów, podczas gdy jony dodatnie są odciągane od anody. Prowadzi to do świecenia anody.

    Pierwsze cztery wymienione obszary nazywane są częściami katodowymi wyładowania. Zachodzą w nich wszystkie procesy niezbędne do utrzymania wyładowania.

    Przy dużych oporach zewnętrznych, gdy natężenie prądu w lampie wyładowczej jest małe, powierzchnia katody pokryta luminescencją i biorąca udział w wyładowaniu jest proporcjonalna do natężenia prądu w rurze wyładowczej (prawo Gela). Gdy prąd się zmienia, jego gęstość pozostaje w przybliżeniu stała. Wraz z nim spadek potencjału katody pozostaje stały. W tym przypadku nazywa się to normalnym spadkiem katodowym. W większości przypadków mieści się ono w przedziale 100 - 300 V. Temperatura katody nie ma wpływu na wartość spadku normalnej katody do czasu wzrostu emisji termoelektrycznej z powierzchni katody. W dobrym przybliżeniu normalny spadek katody jest proporcjonalny do pracy elektronu opuszczającego katodę. Służy do projektowania rur o bardzo niskim potencjale zapłonu. Taka jest na przykład żarówka neonowa, w której elektrodami są dwa żelazne listki pokryte warstwą baru w celu zmniejszenia funkcji pracy. Spadek katody w tym przypadku wynosi tylko 70 V, a wyładowanie jarzeniowe zapala się w żarówce neonowej, gdy jest ona podłączona do zwykłej sieci oświetleniowej.

    Kiedy wraz ze wzrostem prądu cała powierzchnia katody pokryje się luminescencją, spadek katody zaczyna się zwiększać. W tym przypadku nazywa się to anomalnym spadkiem katody, a wyładowanie nazywa się anomalnym wyładowaniem jarzeniowym.

    Elektrony wybijane z powierzchni katody przez jony dodatnie są przyspieszane w obszarze spadku potencjału katody. Wraz ze spadkiem ciśnienia gazu wzrasta średnia swobodna droga elektronów, a wraz z nią ciemna przestrzeń katodowa. Przy ciśnieniu 0,01 0,001 mm Hg. Sztuka. (w zależności od wielkości lampy) ciemna przestrzeń katodowa wypełnia niemal całą lampę, a wiązka elektronów porusza się w niej niemal bezkolizyjnie. Takie wiązki elektronów nazywane są promieniami katodowymi. Zostały odkryte przez Crookesa jeszcze zanim zostały ustalone natura fizyczna(przed odkryciem samego elektronu). Jeśli na drodze promieni katodowych umieścimy metalowy ekran, wówczas jego cień będzie widoczny za nim, po przeciwnej stronie lampy. Gdy magnes zostanie zbliżony, wiązka promieni i tworzony przez niego cień przesuwają się na bok. Elektrony promieni katodowych uwalniane z katody są przyspieszane przez pole elektryczne w pobliżu jej powierzchni, a następnie poruszają się prostopadle do niej na skutek bezwładności. Kiedy elektrony uderzają w ścianki rury, przekazują im ładunek ujemny. Jednakże katoda jest neutralizowana przez jony dodatnie przepływające z gazu do ścianek rury, a jony ujemne gazu opadają na anodę. Jeżeli powierzchni katody nabierze wklęsłego kształtu kulistego, wówczas promienie katodowe będą skupiane w środku tej kuli. Kiedy ciśnienie w rurze jest tak niskie, że ciemny obszar przestrzeni katody pochłania anodę, wyładowanie jarzeniowe w rurze ustaje. Wraz z nim zatrzymuje się także emisja promieni katodowych i jarzenie ścianek lamp.

    Promienie katodowe są wykorzystywane w tak zwanych jonowych lampach rentgenowskich do wytwarzania promieni rentgenowskich. Jonowe lampy rentgenowskie mają tę wadę, że w wyniku różnych procesów ilość gazu w lampie maleje z czasem. Gdy ciśnienie gazu w rurce spadnie poniżej 0,001 ¸ 0,0001 mmHg. Art., nie powstaje w nich wyładowanie jarzeniowe i lampa przestaje działać. Obecnie prawie wyłącznie stosuje się elektronowe lampy rentgenowskie, które są stabilniejsze w działaniu niż lampy jonowe. Nie używają wyładowania jarzeniowego.

    Jeśli w katodzie wywierci się małe otwory, wówczas bombardujące katodę jony dodatnie, przechodząc przez otwory, wpadną do przestrzeni katodowej i będą się tam propagować w postaci prostych promieni. Promienie te nazwano promieniami dodatnimi lub kanałowymi, ponieważ wychodziły z otworów katodowych tak, jakby były kanałami. Promienie kanałowe są widoczne w rurze w postaci słabo świecących wiązek.

    One, podobnie jak promienie katodowe, powodują świecenie szkła lampy. Ze względu na występowanie procesów wymiany ładunku wiązka wiązek kanałowych zawiera nie tylko jony dodatnie, ale i ujemne, a także szybkie, częściowo wzbudzone cząstki obojętne. W polu magnetycznym wiązka taka dzieli się na trzy wiązki: jony dodatnie odchylane są w jednym kierunku, jony ujemne w przeciwnym, a cząsteczki i atomy obojętne nie ulegają żadnemu odchyleniu. Kiedy wiązki ponownie przechodzą przez pole magnetyczne, każda z nich ponownie rozdziela się na trzy wiązki. Wynika z tego, że procesy wymiany ładunku zachodzą nie tylko przed katodą, ale przebiegają także w przestrzeni za katodą.

    Wyładowanie iskrowe

    Wyładowanie iskrowe charakteryzuje się charakterem przerywanym nawet przy zastosowaniu źródeł prądu stałego. Zwykle występuje w gazach pod ciśnieniem rzędu ciśnienia atmosferycznego. W naturalnym naturalne warunki wyładowanie iskrowe obserwuje się w postaci błyskawicy. Przez wygląd jest to wiązka jasnych, zygzakowatych, rozgałęzionych cienkich pasków, które natychmiast przenikają przez szczelinę wyładowczą, szybko gasną i stopniowo zastępują się nawzajem (ryc. 7.9). Paski te nazywane są kanałami iskrowymi. Zaczynają się zarówno na elektrodzie dodatniej, jak i ujemnej oraz w dowolnym punkcie pomiędzy. Kanały wychodzące z elektrody dodatniej mają wyraźny nitkowaty zarys, natomiast kanały wychodzące z elektrody ujemnej mają rozmyte krawędzie i delikatniejsze rozgałęzienia.

    Ponieważ wyładowanie iskrowe występuje przy wysokich ciśnieniach gazu, potencjał zapłonu jest bardzo wysoki. Jednak po „przebiciu” szczeliny wyładowczej kanałem iskrowym rezystancja tej szczeliny staje się bardzo mała, przez kanał przepływa krótkotrwały impuls prądu o dużym natężeniu, podczas którego na szczelinę wyładowczą spada tylko niewielkie napięcie. Jeśli moc źródła nie jest zbyt duża, to po takim impulsie prądowym wyładowanie ustaje. Napięcie między elektrodami zaczyna rosnąć do poprzedniej wartości, a rozkład gazu powtarza się wraz z utworzeniem nowego kanału iskrowego. Im większa pojemność C pomiędzy elektrodami, tym większy jest czas narastania napięcia t. Dlatego podłączenie kondensatora równolegle do szczeliny wyładowczej zwiększa czas między dwiema kolejnymi iskrami, a same iskry stają się mocniejsze. Przez kanał iskry przechodzi duży ładunek elektryczny, w związku z czym zwiększa się amplituda i czas trwania impulsu prądowego. Przy dużych pojemnościach kanał iskry świeci jasno i ma wygląd szerokich pasków. To samo dzieje się, gdy wzrasta moc źródła prądu. Następnie mówią o wyładowaniu iskrowym skondensowanym lub iskrze skondensowanej. Maksymalna siła prądu w impulsie podczas wyładowania iskrowego zmienia się znacznie w zależności od parametrów obwodu wyładowczego i warunków panujących w szczelinie wyładowczej, osiągając kilkaset kiloamperów. Wraz z dalszym wzrostem mocy źródła wyładowanie iskrowe zamienia się w wyładowanie łukowe.

    W wyniku przejścia impulsu prądu przez kanał iskrowy w kanale wydziela się iskra duża liczba energia (około 0,1 - 1 J na centymetr długości kanału). Wyzwolenie energii wiąże się z gwałtownym wzrostem ciśnienia w otaczającym gazie, powstaniem cylindrycznej fali uderzeniowej, a temperatura na jej froncie wynosi ~10 4 K. Gwałtowne rozszerzanie się kanału iskry następuje z prędkością rzędu prędkości termicznej atomów gazu. W miarę postępu fali uderzeniowej temperatura na jej froncie zaczyna spadać, a sam front oddala się od granicy kanału. Pojawienie się fal uderzeniowych wyjaśnia efekty dźwiękowe towarzyszące wyładowaniom iskrowym: charakterystyczny trzaskający dźwięk przy słabych wyładowaniach i potężne dudnienie grzmotów w przypadku błyskawicy.

    Gdy kanał istnieje, szczególnie przy wysokich ciśnieniach, obserwuje się najjaśniejszy blask wyładowania iskrowego. Jasność blasku jest nierównomierna w przekroju kanału i ma maksimum w jego środku.

    Mechanizm wyładowania iskrowego, z punktu widzenia współczesnej, ogólnie przyjętej teorii, tzw. streamerowej teorii przebicia iskry, potwierdzonej eksperymentalnie, polega na tym, że jeśli w pobliżu katody powstanie lawina elektronów, wówczas następuje jonizacja i wzbudzenie cząsteczek gazu i atomów następuje na jego drodze. Ważne jest, aby kwanty światła emitowane przez wzbudzone atomy i cząsteczki, rozchodzące się z prędkością światła do anody, same powodowały jonizację gazu i powodowały powstawanie nowych lawin elektronowych. W ten sposób w całej objętości gazu pojawiają się słabo świecące skupiska zjonizowanego gazu, zwane streamerami. W procesie swojego rozwoju poszczególne lawiny elektronów doganiają się i łącząc ze sobą tworzą dobrze przewodzący most streamerów. W następnym momencie potężny strumień elektronów przepływa wzdłuż tego mostu, tworząc kanał wyładowania iskrowego. Ponieważ mostek przewodzący powstaje w wyniku łączenia się strumieni, które powstają niemal jednocześnie, czas jego powstawania jest znacznie krótszy niż czas potrzebny pojedynczej lawinie elektronów na przebycie drogi od katody do anody. Rozwój negatywnego streamera pokazano na ryc. 7.10. Wraz z negatywnymi streamerami, tj. strumienie rozchodzące się od katody do anody, istnieją również strumienie dodatnie, które rozchodzą się w przeciwnym kierunku.

    Należy zauważyć, że teoria ta wyjaśnia główne cechy wyładowania iskrowego, chociaż ilościowo nie można jej uznać za kompletną.

    Wyładowanie koronowe

    Wyładowanie koronowe zachodzi przy stosunkowo wysokich ciśnieniach gazu (rzędu atmosferycznego) w wysoce niejednorodnym polu elektrycznym, które można uzyskać pomiędzy dwiema elektrodami, z których powierzchnia jednej ma dużą krzywiznę (cienki drut, końcówka). Schemat uzyskania wyładowania koronowego pokazano na ryc. 7.11. Należy zauważyć, że obecność drugiej elektrody nie jest konieczna, jej rolę mogą odegrać otaczające elektrody uziemione. Kiedy natężenie pola elektrycznego w pobliżu elektrody o dużej krzywiźnie osiągnie wartość rzędu 3×10 4 V/m, wokół tej elektrody pojawia się jarzmo w postaci otoczki lub korony i stąd nazwa wyładowania pochodzi z. Jeśli korona pojawia się wokół elektrody ujemnej, nazywa się ją ujemną. W przeciwnym przypadku koronę nazywa się dodatnią. Widok dodatniej korony pokazano na ryc. 7.12 po lewej stronie, widok ujemnej korony po prawej. Mechanizm powstawania wyładowań w tych dwóch przypadkach jest inny.

    W przypadku korony ujemnej jony dodatnie wytwarzane przez lawiny elektronów są przyspieszane w wysoce niejednorodnym polu elektrycznym w pobliżu katody. Kiedy uderzają w katodę, wybijają z niej elektrony (emisja elektronów wtórnych). Wybite elektrony po oddziale z katodą generują na swojej drodze nowe lawiny elektronowe. Ponieważ pole elektryczne maleje wraz z odległością od elektrody, w pewnej odległości lawiny elektronów odrywają się, elektrony wpadają do „ciemnego” obszaru i tam przyczepiają się do cząsteczek gazu obojętnego. Powstałe jony ujemne są głównymi nośnikami prądu w „ciemnym” obszarze. Przestrzenny ładunek ujemny tych jonów w pobliżu anody ogranicza całkowity prąd rozładowania. W przypadku czystych gazów elektrododatnich nie tworzą się jony ujemne, a nośnikami ładunku w „ciemnym” obszarze są same elektrony. W „ciemnym” obszarze wyładowanie nie jest samopodtrzymujące.

    W koronie dodatniej, gdy katoda jest elektrodą o dużym promieniu krzywizny, pole elektryczne na katodzie jest słabe. Dlatego lawiny elektronowe nie mogą być generowane przez elektrony wybijane z katody w wyniku emisji wtórnej. Lawiny elektronowe generowane są przez elektrony powstające w pobliżu anody podczas jonizacji objętościowej gazu przez fotony emitowane przez warstwę koronową. Pochodzą one z zewnętrznej granicy warstwy koronowej i rozprzestrzeniają się do elektrody dodatniej (która ma większą krzywiznę). Jony dodatnie, przemieszczając się przez „ciemny” obszar do katody, tworzą ładunek kosmiczny, co ponownie ogranicza siłę prądu rozładowania.

    Wraz ze wzrostem napięcia między elektrodami „ciemny” obszar wyładowania koronowego znika i następuje wyładowanie iskrowe z całkowitym przebiciem szczeliny wyładowczej.

    Korona czasami pojawia się naturalnie pod wpływem elektryczności atmosferycznej na wierzchołkach drzew, masztach statków itp.

    W technologii wysokiego napięcia należy uwzględnić występowanie wyładowań koronowych. Korona tworząca się wokół przewodów linii przesyłowych wysokiego napięcia jonizuje otaczające powietrze, powodując szkodliwe prądy upływowe. Aby ograniczyć te prądy upływowe, przewody linii wysokiego napięcia, a także przewody zasilające instalacje wysokiego napięcia, muszą być odpowiednio grube. Wyładowania koronowe, ponieważ mają charakter przerywany, są źródłem znacznych zakłóceń radiowych.

    Wyładowanie koronowe stosowane jest w elektrofiltrach przeznaczonych do oczyszczania gazów przemysłowych z zanieczyszczeń cząstek stałych i ciekłych (dym przy produkcji kwasu siarkowego, w odlewniach fabryk itp.).

    Wyładowanie łukowe

    Jeżeli po otrzymaniu wyładowania iskrowego z silnego źródła odległość między elektrodami (lub rezystancja obwodu zewnętrznego) stopniowo się zmniejsza, wówczas wyładowanie przerywane staje się ciągłe. Występuje nowa forma wyładowania gazowego, zwana wyładowaniem łukowym. W tym przypadku prąd gwałtownie wzrasta, osiągając dziesiątki i setki amperów, a napięcie na szczelinie wyładowczej spada do kilkudziesięciu woltów.

    Wyładowanie łukowe można uzyskać ze źródeł niskiego napięcia, z pominięciem stopnia iskrowego. W tym celu elektrody są zbliżane do siebie, w wyniku czego stają się bardzo gorące (rozżarzone) pod wpływem prądu elektrycznego, po czym są rozrywane, w wyniku czego powstaje jasny łuk elektryczny. W ten sposób po raz pierwszy łuk elektryczny uzyskał w 1802 roku rosyjski fizyk V.V. Pietrow.

    Obecnie najczęściej łuk elektryczny płonący pod ciśnieniem atmosferycznym powstaje pomiędzy specjalnymi elektrodami węglowymi wykonanymi z prasowanego grafitu ze spoiwami (rys. 7.13).

    Według V.F. Mitkiewicza wyładowanie łukowe utrzymuje się głównie dzięki emisji termoelektrycznej z powierzchni katody. Potwierdzeniem tego punktu widzenia może być stwierdzony eksperymentalnie fakt, że w wielu przypadkach stabilny łuk uzyskuje się tylko wtedy, gdy temperatura katody jest odpowiednio wysoka. W miarę ochładzania się katody łuk pali się niestabilnie, okresowo gaśnie i ponownie się zapala. Chłodzenie anody nie zakłóca stabilnego trybu spalania łukowego.

    Wraz ze wzrostem prądu rozładowania rezystancja łuku R znacznie maleje z powodu wzrostu emisji termojonowej z katody i jonizacji gazu w szczelinie wyładowczej. W tym przypadku rezystancja maleje bardziej niż wzrasta prąd. W rezultacie wraz ze wzrostem prądu napięcie na szczelinie wyładowczej nie wzrasta, ale maleje. Mówią, że łuk ma charakterystykę opadającą prądowo-napięciową, tj. taka charakterystyka, gdy napięcie na szczelinie wyładowczej maleje wraz ze wzrostem prądu. Dlatego, aby utrzymać stabilny łuk podczas przypadkowych zmian prądu, na przykład na skutek ochłodzenia katody, należy zwiększyć napięcie na elektrodach łuku. W tym celu rezystor balastowy jest włączany szeregowo w obwód łuku. Jeśli prąd przypadkowo spadnie, napięcie na rezystancji statecznika maleje. Dlatego przy stałym całkowitym napięciu wejściowym napięcie na szczelinie wyładowczej powinno rosnąć, co zapewnia stabilne spalanie łuku.

    Oprócz wyładowań łukowych wywołanych emisją termionową występują także wyładowania innego typu. Przykładem są wyładowania łukowe w lampach rtęciowych. Lampa rtęciowa to wstępnie próżniowy cylinder kwarcowy lub szklany, który przepuszcza promienie ultrafioletowe, wypełniony parami rtęci (ryc. 7.14). Wyładowanie łukowe jest zapalane przez iskrę elektryczną pomiędzy dwoma kolumnami rtęci, które służą jako elektrody lampy. Łuk rtęciowy jest potężnym źródłem promieni ultrafioletowych. Dlatego takie lampy są wykorzystywane w medycynie i badaniach naukowych.

    Badania wykazały, że źródłem silnej emisji elektronów w lampie rtęciowej jest mała, jasno świecąca plamka, która pojawia się na katodzie i biegnie w sposób ciągły wzdłuż jej powierzchni (tzw. plamka katodowa). Gęstość prądu w miejscu katody jest ogromna i może osiągnąć 10 6 ¸ 10 7 A/cm 2 . Plamka katodowa może wystąpić nie tylko na powierzchni elektrody rtęciowej, ale także na dowolnej innej elektrodzie metalowej.

    Łuki rtęciowe i podobne łuki z elektrodami metalowymi nazywane są łukami z zimną katodą. Faktem jest, że wcześniej uważano, że katoda jest naprawdę zimna na całej swojej powierzchni. Dlatego emisja termoelektryczna z katody nie występuje lub nie odgrywa praktycznie żadnej roli. Langmuir zasugerował, że w przypadku zimnej katody wyładowanie łuku jest wspomagane emisją pola z katody. Rzeczywiście, spadek potencjału katody (~10 V) występuje w okresie rzędu ścieżki swobodnej elektronów. Dlatego w pobliżu katody powstaje silne pole elektryczne, wystarczające do wywołania zauważalnej emisji pola. Niewątpliwie znaczącą rolę odgrywa emisja polowa w łukach z „zimną” katodą. Później pojawiły się przesłanki wskazujące na możliwość nagrzewania takich katod w poszczególnych punktach do temperatur, w których występuje duża emisja termoelektryczna, która wraz z emisją polową sprzyja wyładowaniu łukowemu. Chociaż kwestia ta nie została jeszcze wystarczająco zbadana.


    7.4. Pojęcie plazmy. Częstotliwość plazmy.
    Długość Debye’a. Przewodność elektryczna plazmy

    Plazma to zjonizowany gaz quasi-neutralny, który zajmuje tak dużą objętość, że nie dochodzi w nim do zauważalnego naruszenia quasineutralności z powodu wahań termicznych. Kwasineutralność plazmy oznacza, że ​​ilość znajdujących się w niej ładunków dodatnich i ujemnych jest prawie taka sama. Każdy fizycznie nieskończenie mały element objętości jest obojętny (objętość jest mała makroskopowo, ale nadal zawiera dużą liczbę elektronów i jonów). Ładunki jonów dodatnich i ujemnych są takie same i równe ładunkowi elektronu.

    Wystarczająco silne oddziaływanie na plazmę może doprowadzić do rozdzielenia ładunków w niektórych jej obszarach. Taki efekt może wywołać na plazmę np. szybko naładowana cząstka spośród elektronów lub jonów samej plazmy (w odpowiednio wysokiej temperaturze – fluktuacje termiczne) lub przychodząca z zewnątrz.

    Oddzielenie ładunków dodatnich i ujemnych w plazmie przebiega podobnie do procesu polaryzacji dielektrycznej. Jednak w dielektrykach naładowane cząstki nie mogą przemieszczać się na duże odległości (~10 -10 m), a w plazmie możliwy jest dowolny ruch cząstek.

    Jeżeli w wyniku wahań termicznych ładunki ujemne zostaną przesunięte o odległość x, wówczas na granicach plazmy pojawią się ładunki makroskopowe o przeciwnych znakach o gęstości powierzchniowej

    gdzie n jest stężeniem cząstek o tym samym znaku ładunku.

    Biorąc pod uwagę, że , to w rozpatrywanym przypadku

    , (7.31)

    gdzie P jest elektrycznym momentem dipolowym na jednostkę objętości plazmy.

    Jeśli plazma jest nieskończona i nie ma wolnych ładunki elektryczne, które są źródłami wektora D, mamy

    . (7.32)

    Ze wzoru (7.32) na natężenie pola elektrycznego generowanego w plazmie otrzymujemy

    Dla gęstości energii pola elektrycznego

    . (7.34)

    Siła działająca na każdy elektron wynosi

    . (7.35)

    Z wyrażenia (7.35) wynika, że ​​siła jest proporcjonalna do przemieszczenia i skierowana w kierunku przeciwnym do przemieszczenia, tj. jest ona podobna do siły quasi-sprężystej. W konsekwencji siła działająca na elektrony w plazmie powoduje drgania harmoniczne z częstotliwością

    gdzie m jest masą elektronu.

    Częstotliwość ta nazywana jest częstotliwością plazmy.

    Oscylacje elektronów występujące w określonym miejscu plazmy powodują powstanie fali o tej samej częstotliwości rozchodzącej się w plazmie.

    Ponieważ energia pola elektrycznego czerpie się z energii kinetycznej ruchu termicznego cząstek gazu, wartość w 0 nie może przekraczać 3nkT. Średnio udział cząstek ujemnych w jednostce objętości stanowi energię kinetyczną (i ta sama energia dotyczy udziału cząstek dodatnich). Jeżeli więc pominiemy współczynnik liczbowy 3, to relacja musi być spełniona

    (nxe) 2<(nkT)×2e 0 ,

    . (7.37)

    Wielkość D nazywana jest długością Debye'a lub promieniem Debye'a. Zatem, aby plazma zachowała quasineutralność, jej wymiary liniowe muszą znacznie przekraczać promień Debye'a.

    W zależności od stopnia jonizacji A wyróżnić: słabo zjonizowaną plazmę (at A rząd ułamków procenta), plazma umiarkowanie zjonizowana ( A kilka procent) i w pełni zjonizowaną plazmę. W ziemskich warunkach naturalnych plazma występuje dość rzadko (na przykład w kanale piorunowym). W górnych warstwach atmosfery, które są bardziej narażone na działanie czynników jonizujących (promieniowanie ultrafioletowe i kosmiczne), stale występuje słabo zjonizowana plazma (jonosfera). Jonosfera odbija fale radiowe i umożliwia komunikację radiową na duże odległości (rzędu odległości między diametralnie przeciwległymi punktami na kuli ziemskiej). W przestrzeni kosmicznej plazma jest najpowszechniejszym stanem materii. Słońce i gorące gwiazdy o wysokich temperaturach składają się z całkowicie zjonizowanej plazmy. Dlatego wiele problemów astrofizyki wiąże się z badaniem właściwości fizycznych plazmy. Na gruncie astrofizyki powstała hydrodynamika magnetyczna, w której plazmę poruszającą się w polach magnetycznych uważa się za ciągłe ciekłe medium o dużej przewodności. Plazma powstaje w różnych postaciach wyładowań gazowych, na przykład w kolumnie dodatniej wyładowania jarzeniowego, a także w głównym kanale wyładowania iskrowego. Fizyka plazmy jest stosunkowo nową, szybko rozwijającą się gałęzią fizyki, której poświęcone są specjalne kursy.

    Oszacujmy przewodność właściwą G w pełni zjonizowana plazma składająca się z elektronów i dodatnio naładowanych jonów, z których każdy ma ładunek Ze. Ruch jonów, ze względu na ich duże masy, można pominąć i przyjąć, że cały prąd powstaje w wyniku ruchu lekkich elektronów. Ogrom G zdeterminowane przez zderzenie elektronów z jonami. Zderzenia elektronów ze sobą nie wpływają na wartość prądu, ponieważ podczas takich zderzeń całkowity pęd elektronów nie zmienia się. Możesz oderwać myśli od tych starć. Pomiędzy jonami i elektronami plazmy działają siły przyciągania kulombowskiego - są to siły dalekiego zasięgu. Stosunkowo rzadko zdarza się, aby elektron zbliżał się do jonu na tak małą odległość, że kierunek jego ruchu zmienia się gwałtownie i ma charakter skoku. Dużo ważniejsze są oddziaływania elektronu z bardzo dużą liczbą jonów jednocześnie, podczas których kierunek trajektorii elektronu zmienia się płynnie i w sposób ciągły. Odchylenie elektronu pod dużymi kątami od początkowego kierunku ruchu następuje w wyniku kumulacji małych odchyleń podczas jego oddziaływania z „odległymi” jonami. Dlatego o kolizjach, długości i czasie swobodnej ścieżki możemy mówić tylko w sensie warunkowym. Przedział czasowy T Za czas ścieżki swobodnej powszechnie uważa się, że kierunek ruchu elektronu zmienia się o kąt rzędu 90 o.

    Aby oszacować wartość i, zakładamy, że elektron porusza się w polu jonu dodatniego o ładunku Ze. Jeżeli v jest prędkością elektronu w nieskończoności, a r p jest parametrem uderzenia, to przy przejściu obok jonu trajektoria elektronu odchyla się o kąt Q określony wzorem

    , (7.38)

    gdzie m jest masą elektronu.

    Parametr uderzenia r p, dla którego Q = 90 o, określa się za pomocą wyrażenia

    Odpowiada to „efektywnemu przekrojowi poprzecznemu”:

    . (7.40)

    Uwzględnienie odległych interakcji prowadzi do tego samego wyniku, ale powiększonego o L razy:

    . (7.41)

    Współczynnik L nazywany jest logarytmem Coulomba. Jest to prawie niezależne od temperatury i gęstości plazmy. Dla plazmy składającej się z całkowicie zjonizowanego deuteru, przy kT ~ 10 keV i stężeniu elektronów n ~ 10 12 ¸ 10 15 cm -3, L » 15. Ponieważ każdy jon dodatni zawiera Z ładunków elementarnych, stężenie takich jonów będzie wynosić , i średnia długość i czas „swobodnej drogi” Duża różnica mas elektronów i jonów plazmy powoduje, że w plazmie mogą istnieć takie stany quasi-równowagowe, które w pewnym przybliżeniu można scharakteryzować dwiema temperaturami. Rzeczywiście, załóżmy, że początkowy rozkład prędkości elektronów i jonów w plazmie jest izotropowy, ale nie Maxwellowski. Kiedy elektron zderza się z innym elektronem, wymieniają energię, której wielkość odpowiada rzędowi energii początkowej samych elektronów. Dlatego czas ustalenia rozkładu energii elektronów (tj. rozkładu Maxwella) w wyniku zderzeń między nimi można oszacować za pomocą wzoru (7.41), jeśli w nim masę elektronu m zastąpi się masą zredukowaną . Czas ten nazywany jest czasem elektronicznego relaksu , proporcjonalnie do pierwiastka kwadratowego z masy elektronu .

    W ten sam sposób wyznacza się czas relaksacji jonów, podczas którego ustala się rozkład energii pomiędzy jonami w wyniku zderzeń między nimi: .

    Kiedy elektrony zderzają się z jonami, szybka cząstka przekazuje wolnej cząstce tylko niewielką część swojej energii, co średnio odpowiada ułamkowi rzędu energii początkowej szybkiej cząstki. Aby wyrównać energie, potrzebny będzie czas relaksu więcej niż . Zatem,

    . (7.45)

    Z (7.45) wynika:

    .

    Jeżeli plazmę pozostawimy samej sobie, to najpierw ustalimy maxwellowski rozkład prędkości elektronów, a potem jonów. Powstaje stan quasi-równowagi, w którym elektrony będą miały temperaturę Te, a jony temperaturę Ti. W tym przypadku T e ¹ T i . W tym przypadku plazma nazywana jest nieizotermiczną lub dwutemperaturową. Następnie, w wyniku wymiany energii pomiędzy elektronami i jonami, dla całej plazmy ustali się rozkład Maxwella, charakteryzujący się wspólną temperaturą elektronów i jonów (plazma izotermiczna).

    Kiedy plazma znajdzie się w polu elektrycznym, zaczyna w niej istnieć prąd elektryczny i wydziela się ciepło Joule'a. W tym przypadku energię z pola odbierają niemal wyłącznie elektrony, jako najbardziej mobilne cząstki. Jony nagrzewają się głównie dzięki energii, którą otrzymują od „gorących” elektronów podczas oddziaływań kulombowskich z nimi. Ponieważ ten ostatni proces zachodzi stosunkowo wolno, temperatura elektronów w plazmie okazuje się wyższa od temperatury jonów. Różnica między nimi może być dość znacząca. Zatem w dodatniej kolumnie wyładowania jarzeniowego przy ciśnieniach rzędu 0,1 mm Hg. temperatura elektronów może sięgać 50 000 o C i więcej, natomiast temperatura jonów nie przekracza kilkuset stopni.

    Główne zainteresowania praktyczne fizyki plazmy związane są z rozwiązaniem problemu kontrolowanej syntezy termojądrowej. Aby w substancji rozpoczęły się wystarczająco intensywne reakcje termojądrowe, należy ją podgrzać do temperatury kilku keV lub kilkudziesięciu keV i w takich temperaturach każda substancja znajduje się w stanie plazmowym. Najbardziej obiecującymi „substancjami roboczymi” reaktora termojądrowego są izotopy wodoru: deuter i tryt. Reakcję syntezy termojądrowej łatwiej jest uzyskać nie w czystym deuterze, ale w jego mieszaninie z trytem. Całkowita ilość deuteru w oceanach wynosi ~ 4 × 10 13 ton, co odpowiada energii ~ 10 20 kW rocznie (całkowita moc zużywana na całym świecie wynosi ~ 10 10 kW). Tryt, jako pierwiastek wysoce radioaktywny, nie występuje naturalnie, ale jest wytwarzany sztucznie. W przyszłych reaktorach termojądrowych zużycie trytu powinno być obficie uzupełniane poprzez jego reprodukcję (regenerację) w wyniku napromieniania Li 6 neutronami wytwarzanymi w samych reaktorach termojądrowych.

    Ponieważ reakcje termojądrowe muszą zachodzić stosunkowo płynnie i powoli, konieczne staje się przetrzymywanie gorącej plazmy przez odpowiednio długi czas w ograniczonej objętości komory roboczej i odizolowanie jej od ścianek tej komory. W tym celu proponuje się zastosowanie magnetycznej izolacji termicznej, tj. umieścić plazmę w silnym polu magnetycznym, co zapobiega przemieszczaniu się jonów i elektronów w kierunku poprzecznym i przedostawaniu się do ścianek komory.

    Niezbędnym wymogiem, jaki musi spełniać każdy reaktor termojądrowy, jest to, że energia uwalniana w reakcjach jądrowych z nadwyżką kompensuje energię zużywaną ze źródeł zewnętrznych. Głównymi źródłami strat energii są promieniowanie bremsstrahlung elektronów podczas zderzeń Coulomba tego ostatniego, a także promieniowanie magnetobremsstrahlung (cyklotron lub betatron) powstające w wyniku przyspieszonego ruchu elektronów w polu magnetycznym. Do samopodtrzymujących się reakcji termojądrowych konieczne jest podgrzanie plazmy do określonej „krytycznej” temperatury (~50 keV). W tym przypadku musi być spełnione tzw. kryterium Lawsona (nt>10 16 s/cm 3), gdzie n to stężenie jonów plazmy (o tym samym znaku), a t to średni czas retencji osocza.

    Główna trudność stojąca na drodze do kontrolowanej syntezy termojądrowej wiąże się z uzyskaniem cichej lub stabilnej plazmy. Faktem jest, że ze względu na dalekosiężny charakter sił Coulomba w plazmie zachodzą różne procesy zbiorcze, na przykład spontanicznie pojawiający się szum i oscylacje, które powodują niestabilność plazmy. Główne wysiłki w rozwiązaniu problemu kontrolowanej syntezy termojądrowej mają na celu stłumienie tych niestabilności.

    Wyładowanie koronowe - jest to zjawisko związane z jonizacją powietrza w polu elektrycznym o dużym natężeniu (świecenie gazów w niejednorodnym polu elektrycznym o dużym natężeniu).

    Obszary wysokiego napięcia powstają często na skutek niejednorodności pola elektrycznego, która występuje:

    1) Przy doborze nieprawidłowych parametrów w procesie projektowania;

    2) w wyniku zanieczyszczeń powstałych podczas pracy;

    3) W wyniku uszkodzeń mechanicznych i zużycia sprzętu.

    Podobne pola powstają na elektrodach o bardzo dużej krzywiźnie powierzchni (punkty, cienkie druty). Kiedy natężenie pola osiągnie wartość graniczną dla powietrza (około 30 kV/cm), wokół elektrody pojawia się poświata przypominająca muszlę lub koronę (stąd nazwa). Wyładowanie koronowe służy do oczyszczania gazów z pyłów i innych zanieczyszczeń (elektrofiltr), do diagnozowania stanu konstrukcji (pozwala wykryć pęknięcia w produktach). Występowanie wyładowań koronowych na liniach elektroenergetycznych jest niepożądane, gdyż powoduje znaczne straty przesyłanej energii. W celu zmniejszenia krzywizny względnej elektrod stosuje się linie wielodrutowe (3, 5 lub więcej drutów ułożonych w określony sposób).

    Rodzaje koron i ich identyfikacja

    Korona negatywna, przypominająca płomień. Ten typ wyładowań koronowych zwykle występuje na ujemnie naładowanym przewodniku, na przykład podczas ujemnej półfali napięcia sieciowego. Ten rodzaj korony wygląda jak płomień, którego kształt, kierunek i rozmiar stale się zmieniają. Korona ta jest bardzo wrażliwa na zmiany parametrów środowisko. Jego wystąpienie prowadzi również do pojawienia się sygnału audio o częstotliwości około dwukrotnie większej niż częstotliwość przemysłowa (na przykład 100 Hz) lub jej wielokrotności.

    Wypryski

    Awarie zwykle występują pomiędzy dwiema izolowanymi, ale blisko siebie metalowymi płytami. Prąd upływowy wzdłuż wspornika indukuje określone poziomy napięcia między płytami, a tym samym wyładowanie między nimi. Wyładowania te są zwykle trudne do zlokalizowania, ponieważ nie ma bezpośredniego połączenia z linią wysokiego napięcia. W kamerze CoroCAM te iskierniki będą widoczne jako małe, trwałe i bardzo jasne obiekty. Dźwięk wytwarzany przez te wyładowania ma wyższą wysokość niż dźwięk wyładowań ujemnych i wydaje się niezwiązany z częstotliwością zasilania. Iskierniki zwykle powodują duże zakłócenia radiowe i telewizyjne (na przykład wysoki współczynnik RI - zakłócenia radiowe).

    Pozytywne wyładowanie koronowe

    Dodatnie wyładowanie koronowe powstaje na dodatnio naładowanym przewodniku (na przykład podczas dodatniej półfali napięcia sieciowego). Zwykle występuje w miejscach z ostre rogi. Ten typ korony jest niewielki i pojawia się jako poświata wokół określonego miejsca. Jest to stosunkowo słabe źródło wyładowań koronowych i wytwarza bardzo słaby sygnał dźwiękowy.

    Jak poważne są wyładowania koronowe/wyładowania pod względem powodowania napięcia zakłóceń radiowych (RIV)?

    Uwagi ogólne:

    Wszystkie iskierniki powodują poważne zakłócenia radiowe.

    Jeśli korona będzie całkowicie widoczna gołym okiem (w nocy), spowoduje to poważne zakłócenia radiowe. (Użyj CoroCAM, aby szybko zlokalizować wszystkie źródła korony, a następnie spróbuj zobaczyć je gołym okiem.)

    Dodatnia korona świecąca nie powoduje znaczących zakłóceń radiowych.

    Zastosowanie wyładowań koronowych

    Elektryczne oczyszczanie gazów (elektryczne elektrofiltry).

    Naczynie wypełnione dymem nagle staje się całkowicie przezroczyste, jeśli włoży się do niego ostre metalowe elektrody podłączone do maszyny elektrycznej, a na elektrodach osadzą się wszystkie cząstki stałe i płynne. Wyjaśnienie eksperymentu jest następujące: gdy tylko korona zostanie zapalona w drucie, powietrze wewnątrz rurki staje się silnie zjonizowane. Jony gazu przyczepiają się do cząstek pyłu i ładują je. Ponieważ wewnątrz rurki panuje silne pole elektryczne, naładowane cząstki pyłu przemieszczają się pod wpływem pola do elektrod, gdzie osiadają.

    Liczniki cząstek.

    Licznik cząstek Geigera-Müllera składa się z małego metalowego cylindra wyposażonego w okienko pokryte folią i cienkiego metalowego drutu rozciągniętego wzdłuż osi cylindra i odizolowanego od niego. Miernik jest podłączony do obwodu zawierającego źródło prądu o napięciu kilku tysięcy woltów. Napięcie dobiera się w miarę potrzeby pojawienia się wyładowania koronowego wewnątrz miernika.

    Kiedy szybko poruszający się elektron wchodzi do licznika, ten ostatni jonizuje cząsteczki gazu wewnątrz licznika, powodując nieznaczny spadek napięcia wymaganego do zapłonu korony. W liczniku następuje wyładowanie, a w obwodzie pojawia się słaby krótkotrwały prąd. Aby to wykryć, do obwodu wprowadza się bardzo dużą rezystancję (kilka megaomów) i równolegle z nim łączy się czuły elektrometr. Za każdym razem, gdy szybki elektron uderza w licznik, arkusz elektrometru wygina się.

    Liczniki takie umożliwiają rejestrację nie tylko szybkich elektronów, ale w ogóle wszelkich naładowanych, szybko poruszających się cząstek, zdolnych do wytworzenia jonizacji w wyniku zderzeń. Nowoczesne liczniki z łatwością wykrywają wejście do nich nawet jednej cząstki, dzięki czemu pozwalają z całkowitą wiarygodnością i bardzo wyraźną pewnością zweryfikować, czy elementarne cząstki naładowane rzeczywiście istnieją w przyrodzie.

    Piorunochron

    Szacuje się, że w atmosferze całego globu jednocześnie występuje około 1800 burz, powodując średnio około 100 uderzeń pioruna na sekundę. I chociaż prawdopodobieństwo, że piorun uderzy jakąkolwiek osobę, jest znikome, piorun powoduje jednak wiele szkód. Wystarczy wskazać, że obecnie około połowa wszystkich wypadków na dużych liniach energetycznych jest spowodowana przez wyładowania atmosferyczne. Dlatego ochrona odgromowa jest ważnym zadaniem.

    Łomonosow i Franklin nie tylko wyjaśnili charakter elektryczny piorun, ale także wskazał, jak zbudować piorunochron chroniący przed uderzeniem pioruna. Piorunochron to długi drut, którego górny koniec jest zaostrzony i wzmocniony nad samym drutem. wysoka temperatura chroniony budynek. Dolny koniec drutu łączy się z blachą, a blachę zakopuje się w ziemi na poziomie wody glebowej. Podczas burzy na Ziemi pojawiają się duże ładunki indukowane, a na powierzchni Ziemi pojawia się duże pole elektryczne. Jego napięcie jest bardzo wysokie w pobliżu ostrych przewodników, dlatego na końcu piorunochronu następuje zapłon wyładowania koronowego. Dzięki temu na budynku nie gromadzą się ładunki indukowane i nie dochodzi do wyładowań atmosferycznych. W przypadkach, gdy piorun rzeczywiście wystąpi (a takie przypadki są bardzo rzadkie), uderza on w piorunochron, a ładunki przedostają się do Ziemi, nie powodując uszkodzeń budynku.

    W niektórych przypadkach wyładowanie koronowe z piorunochronu jest tak silne, że na jego końcu pojawia się wyraźnie widoczna poświata. Poświata ta czasami pojawia się w pobliżu innych spiczastych obiektów, na przykład na końcach masztów statków, ostrych wierzchołkach drzew itp. Zjawisko to zostało zauważone kilka wieków temu i wywołało przesądny horror wśród żeglarzy, którzy nie rozumieli jego prawdziwej istoty.

    Pod wpływem wyładowań koronowych

    Elektrofiltry są najskuteczniejszymi urządzeniami do oczyszczania gazów, ponieważ... koszty eksploatacji związane z ich utrzymaniem w porównaniu do innych odpylaczy i popiołów są znacznie niższe. Jednocześnie elektrofiltry najpełniej spełniają wymagania urządzenia do absolutnego odpylania.

    Instalacja do elektrycznego oczyszczania gazów składa się z elektrofiltra i zespołu napędowego. Oczyszczony gaz trafia do elektrofiltra, którego elektrody zasilane są wysokim napięciem, pomiędzy elektrodami następuje wyładowanie koronowe, w wyniku czego przestrzeń międzyelektrodowa zostaje wypełniona ujemnie naładowanymi jonami gazu, które pod wpływem polu elektrycznym, przejdź od elektrod koronowych do elektrod opadów.

    Elektrody strącające dzielą się na elektrody płytowe, rurowe, skrzynkowe, prętowe, kieszeniowe, rowkowane, w kształcie litery C, w kształcie tulipana itp.

    Ze względu na sposób odpylania elektrofiltry dzielą się na mokre i suche. W elektrofiltrach suchych wytrząsanie elektrod odbywa się metodami uderzeń młotkowych, impulsów uderzeniowych, wibracji itp. W elektrofiltrach mokrych przeprowadza się okresowe lub ciągłe płukanie elektrod. Ze względu na kierunek ruchu oczyszczonego gazu elektrofiltry dzielą się na pionowe i poziome. Ponadto elektrofiltry mogą być jednostrefowe, w których ładowanie i sedymentacja cząstek odbywa się w jednej strefie, oraz dwustrefowe – w których ładowanie i sedymentacja odbywają się w różnych strefach: jonizatorze i osadzaczu.

    Elektrofiltr rurowy Sturtevant


    Zgodnie z zasadą tworzenia wyładowań koronowych, elektrofiltry dostępne są ze stałymi punktami wyładowań koronowych i niestałymi punktami wyładowań koronowych.

    Ze względu na rodzaj układów elektrod koronowych elektrofiltry można podzielić na dwie główne grupy: z elektrodami koronowymi ramowymi oraz z elektrodami koronowymi swobodnie zawieszonymi. Wytrząsanie elektrod zbiorczych i koronowych odbywa się za pomocą uderzenia, wytrząsania młotka, układu impulsów uderzeniowych, mechanizmów wibracyjnych, okresowego i ciągłego mycia.

    Fizykę wyładowań koronowych omówiono szczegółowo w książce N.A. Kaptsova „Wyładowanie koronowe i jego zastosowanie w elektrofiltrach”, opublikowanej w 1947 r. Zjawisko wyładowania elektrycznego w gazach wyjaśnia kilka teorii wyładowań. Podstawę pierwszej teorii – teorii lawin – położył Townsend w 1900 roku. 30 lat później została ona rozwinięta w pracach Rogowskiego i – jak pisze N.A. Kaptsov – „do dziś stanowi podstawę do wyjaśnienia zjawisko wyładowań koronowych.” Druga teoria – teoria plazmy wyładowań gazowych – jest rozwijana od 1924 roku przez Langruma i jego szkołę, jednak według N.A. Kaptsova nie jest ona bezpośrednio związana z wyjaśnieniem fizyki wyładowań koronowych. Trzecia teoria, teoria plazmy izotermicznej, została opracowana w latach przedwojennych przez Elenbasa i innych holenderskich fizyków.