ВИДИ САМОСТІЙНИХ ГАЗОВИХ РОЗРЯДІВ
Залежно від властивостей і стану газу, характеру і розташування електродів, а також від прикладеної до електродів напруги виникають різні види самостійного розряду.
Тліючий розряд (рис.9.4). Тліючий розряд спостерігається в газах при низькому тиску (в декілька десятків міліметрів ртутного стовпа і менше). Якщо розглянути трубку з тліючим розрядом, то можна побачити, що основними частинами тліючого розряду є катодний темний простір, різко віддалене від нього негативне, або тліюче свічення, яке поступово переходить в область фарадєєвського темного простору. Ці три області утворюють катодну частину розряду, за якою слідує основна світиться частина розряду, що визначає його оптичні властивості і звана позитивним стовпом.
Основну роль в підтримці тліючого розряду виконують перші дві області його катодної частини. Характерною особливістю цього типу розряду є різке падіння потенціалу поблизу катода, яке пов’язане з великою концентрацією позитивних іонів на межі I і II областей, обумовленою порівняно малою швидкістю руху іонів до катоду. У катодному темному просторі відбувається сильне прискорення електронів і позитивних іонів, що вибивають електрони з катода. У області тліючого свічення електрони створюють інтенсивну ударну іонізацію молекул газу і втрачають свою енергію. Тут утворюються позитивні іони, необхідні для підтримки розряду. Напруженість електричного поля в цій області мала. Тліюче свічення в основному викликається рекомбінацією іонів і електронів. Протяжність катодного темного простору визначається властивостями газу і матеріалу катода.
У області позитивного стовпа концентрація електронів і іонів приблизно однакова і досить велика, що викликає високу електропровідність позитивного стовпа і незначне падіння в ньому потенціалу. Свічення позитивного стовпа визначається свіченням збуджених молекул газу. Поблизу анода знов спостерігається порівняно різка зміна потенціалу, пов’язана з процесом генерації позитивних іонів. У ряді випадків позитивний стовп розпадається на окремі ділянки, що світяться, розділені темними проміжками.
Позитивний стовп не виконує істотної ролі в підтримці тліючого розряду, тому при зменшенні відстані між електродами трубки довжина позитивного стовпа скорочується і він може зникнути зовсім. Інакше йде справа з довжиною катодного темного простору, яка при зближенні електродів не змінюється. Якщо електроди зближувати настільки, що відстань між ними стане менше довжини катодного темного простору, то тліючий розряд в газі припиниться. Досліди показують, що за інших рівних умов довжина катодного темного простору обернено пропорційна тиску газу. Отже, при достатньо низькому тиску електрони, що вибиваються з катода позитивними іонами, проходять через газ майже без зіткнень з його молекулами, утворюючи електронні, або катодні промені.
Тліючий розряд використовується в газосвітних трубках, лампах денного світла, стабілізаторах напруги, для отримання електронних і іонних пучків. Якщо в катоді зробити щілину, то крізь неї в простір за катодом проходять вузькі іонні пучки − канальне проміння. Широко використовується явище катодного розпилювання, тобто руйнування поверхні катода під дією іонів, що об нього вдаряються. Ультрамікроскопічні осколки матеріалу катода летять у всі сторони прямолінійними траєкторіями і покривають тонким шаром поверхню тіл (особливо діелектриків), поміщених в трубку. У такий спосіб виготовляють дзеркала для ряду приладів, наносять тонкий шар металу на селенові фотоелементи.
Коронний розряд (рис.9.5). Коронний розряд виникає при нормальному тиску в газі, що знаходиться в сильно неоднорідному електричному полі (наприклад, біля вістрів або дротів ліній високої напруги). При коронному розряді іонізація газу і його свічення відбуваються лише поблизу коронуючих електродів. У разі коронування катода (негативна корона) електрони, що викликають ударну іонізацію молекул газу, вибиваються з катода при бомбардуванні його позитивними іонами. Якщо коронує анод (позитивна корона), то народження електронів відбувається унаслідок фотоіонізації газу поблизу анода. Корона – шкідливе явище, що супроводжується витоком струму і втратою електричної енергії. Для зменшення коронування збільшують радіус кривизни провідників, а їх поверхню роблять можливо гладшою. При достатньо високій напрузі між електродами коронний розряд переходить в іскровій.
При підвищеній напрузі коронний розряд на вістрях набуває вигляд витоку з вістря і руху в часі світлих ліній. Ці лінії, що мають ряд зламів і вигинів, утворюють подібність кисті, унаслідок чого такий розряд називають кистьовим.
Заряджена грозова хмара індукує на поверхні Землі під собою електричні заряди протилежного знаку. Особливо великий заряд накопичується на вістрях. Тому перед грозою або під час грози нерідко на вістрях і гострих кутах високо піднятих предметів спалахують схожі на пензлики конуси світла (рис.9.6). З давніх часів це свічення називають вогнями святого Ельма.
Особливо часто свідками цього явища стають альпіністи. Іноді не тільки металеві предмети, але і кінчики волосся на голові прикрашаються маленькими пензликами, що світяться.
На коронний розряд доводиться зважати, маючи справу з високою напругою. За наявності виступаючих частин або дуже тонких дротів може початися коронний розряд. Це приводить до витоку електроенергії. Чим вище напруга високовольтної лінії, тим товщими повинні бути дроти.
Іскровий розряд (рис. 9.7, а,б). Іскровий розряд має вид яскравих зигзагоподібних ниток-каналів, що розгалужуються, які пронизують розрядний проміжок і зникають, змінившись новими. Дослідження показали, що канали іскрового розряду починають рости іноді від позитивного електроду, іноді від негативного, а іноді і від якої-небудь точки між електродами. Це пояснюється тим, що іонізація ударом у разі іскрового розряду відбувається не в усьому об’ємі газу, а окремими каналами, що проходять в тих місцях, в яких концентрація іонів випадково виявилася найбільшою. Іскровий розряд супроводжується виділенням великої кількості теплоти, яскравим свіченням газу, тріском або громом. Всі ці явища викликаються електронною і іонною лавиною, яка виникає в іскрових каналах і приводить до величезного збільшення тиску, ~107−108 Па, і підвищенню температури до 10 5 0С.
Характерним прикладом іскрового розряду є блискавка. Головний канал блискавки має діаметр від 10 до 25 см., а довжина блискавки може досягати декількох кілометрів.
Блискавка є гігантською електричною іскрою. Електрична природа блискавки була вперше доведена відомими дослідами Франкліна з повітряним змієм і численними дослідженнями Ломоносова і Ріхмана. Ломоносов створив першу теорію виникнення електричних розрядів в атмосфері і цим поклав початок науки про атмосферну електрику. Блискавки виникають або між хмарами, або між хмарою і землею. Сила струму в блискавці величезна (від 10 до 1000 кА), а напруга між хмарою і землею перед виникненням блискавки досягає 108 до 109 В. Тривалість окремого розряду порядка мікросекунд. Тому загальний заряд, що переноситься окремою блискавкою, звичайно невеликий (0,1−10 Кл). Число розрядів блискавки може досягати декількох десятків, а загальна тривалість ~1 c.
Окрім звичних блискавок, спостерігаються так звані кулевидні блискавки (рис.9.7,в). Вони мають вид куль, що світяться, діаметром 10-20 см, які або поволі рухаються, або прикріпляються до нерухомих предметів. Кулевидні блискавки звичайно зароджуються при ударі дуже сильних блискавок і через декілька секунд зникають з сильним вибухом.
При малій довжині розрядного проміжку іскровий розряд викликає специфічне руйнування анода, зване ерозією. Це явище було використане в електроіскровому методі різання, свердління і інших видах точної обробки металу.
Іскровий проміжок застосовується як запобіжник від перенапруження в електричних лініях передач (наприклад, в телефонних лініях). Якщо поблизу лінії проходить сильний короткочасний струм, то в дротах цієї лінії індукуються струми, які можуть зруйнувати установку і небезпечні для життя людей. Щоб уникнути цього використовуються спеціальні запобіжники, що складаються з двох зігнутих електродів, один з яких приєднаний до лінії, а інший заземлений. Якщо потенціал лінії щодо землі сильно зростає, то між електродами виникає іскровий розряд.
Електрична іскра застосовується також для вимірювання великих різниць потенціалів за допомогою кульового розрядника, електродами якого служать дві металеві кулі з полірованою поверхнею. Кулі розсовують, і на них подається вимірювана різниця потенціалів. Потім кулі зближують до тих пір, поки між ними не проскочить іскра. Знаючи діаметр куль, відстань між ними, тиск, температуру і вогкість повітря, знаходять різницю потенціалів між кулями за спеціальними таблицями. Цим методом можна вимірювати з точністю до декількох відсотків різницю потенціалів у десятка тисяч вольт.
Дуговий розряд (рис.9.8). Дуговий розряд був відкритий В. В. Петровим у 1802 році. Цей розряд є однією з форм газового розряду, що здійснюється при великій густині струму і порівняльно невеликій напрузі між електродами (у декілька десятків вольт). Основною причиною дугового розряду є інтенсивний випуск термоелектронів розжареним катодом. Ці електрони прискорюються електричним полем і виробляють ударну іонізацію молекул газу, завдяки чому електричний опір газового проміжку між електродами порівняно малий. Якщо зменшити опір зовнішнього ланцюга, збільшити силу струму дугового розряду, то провідність газового проміжку так сильно зросте, що напруга між електродами зменшується. Тому дуговий розряд має спадну вольтамперну характеристику. При атмосферному тиску температура катода досягає 3000 0С. Електрони, бомбардуючи анод, створюють в ньому поглиблення (кратер) і нагрівають його. Температура кратера близько 4000 0С, а при великому тиску повітря досягає 6000−7000 0С. Температура газу в каналі дугового розряду досягає 5000−6000 0С, тому в ньому відбувається інтенсивна термоіонізація.
У ряді випадків дуговий розряд спостерігається і при порівняно низькій температурі катода (наприклад, в ртутній дуговій лампі).
У 1876 році П. Н. Яблочков вперше використав електричну дугу як джерело світла. У «свічці Яблочкова» вугілля було розташоване паралельно і розділене зігнутим прошарком, а їх кінці сполучені провідним «запальним містком». Коли струм вмикався, запальний місток згорав і між вугіллям утворювалася електрична дуга. У міру згорання вугілля ізолюючий прошарок випаровувався.
Дуговий розряд застосовується як джерело світла і в наші дні, наприклад в прожекторах і проекційних апаратах.
Висока температура дугового розряду дозволяє використовувати його для пристрою дугової печі. В даний час дугові печі, живлені струмом дуже великої сили, застосовуються у ряді областей промисловості: для виплавки сталі, чавуну, феросплавів, бронзи, отримання карбіду кальцію, окислу азоту і т.д.
У 1882 році М. Бенардосом дуговий розряд вперше був використаний для різання і зварювання металу. Розряд між нерухомим вугільним електродом і металом нагріває місце з’єднання двох металевих листів (або пластин) і зварює їх. Цей же метод Бенардос застосував для різання металевих пластин і отримання в них отворів. У 1888 році М. Славянов удосконалив цей метод зварювання, замінивши вугільний електрод металевим.
Дуговий розряд знайшов застосування в ртутному випрямлячі, що перетворює змінний електричний струм в струм постійного напряму.
ДОМАШНЄ ЗАВДАННЯ: виписати види самостійних газових розрядів.
Коментарі
Дописати коментар