Rodzaje wyładowań koronowych. Zastosowania wyładowań gazowych

Wyładowanie koronowe to proces jonizacji powietrza wzdłuż drutu pod wpływem silnych pól elektromagnetycznych.

Teoria jonizacji powietrza

Jonizację powietrza zauważono dawno temu, ale nie udało się jej poprawnie zinterpretować. Wraz z pojawieniem się pierwszych generatorów elektrostatycznych w połowie XVIII wieku wyładowania stały się powszechne. Zdążyłem nawet spróbować brutalnej akcji. Prawdziwe eksperymenty z elektrycznością rozpoczęły się po wynalezieniu przez Voltę galwanicznego źródła energii.

Pierwszy na świecie łuk otrzymał w 1802 roku rosyjski naukowiec o pamiętnym nazwisku Pietrow. Przewidział możliwość wykorzystania tego do celów iluminacyjnych. Fakt, że cały świat naukowy zwrócił uwagę na to zjawisko, jest silnym irytacją. I okazało się, że jest jasne, gdzie właściwie płynie prąd elektryczny. W końcu ujemna elektroda węglowa została zaostrzona pod działaniem łuku, a na anodzie utworzył się mały otwór. Świat naukowy miał rację w Benjamin Franklin: ładunki zwiększają ujemny pręt węglowy, będąc dodatnim. I dopiero na początku XX wieku, kiedy eksperymenty z promieniami katodowymi dały pierwsze wyniki, stało się jasne, że 100 lat temu popełniono wielki błąd.

Kiedy łuk się pali, pięć szóstych strumienia świetlnego daje anodę. Jego temperatura w standardowych eksperymentach fizycznych wynosi 4000 stopni Celsjusza. To o 1000 więcej niż katoda, która daje 10% strumienia świetlnego. Reszta jest pobierana bezpośrednio z łuku dzięki migotaniu zjonizowanego gazu. W tak wysokich temperaturach zaczyna się topić nawet ceramika i wolfram. Spawanie wynaleziono znacznie później, od lat 80. (XIX w.) elektrodę węglową, później N.G. Slavyanov sugeruje użycie metalu.

Eksperyment Pawłowa powtórzył Davy, pozostali nie byli jeszcze zaangażowani w łuk. Wraz z jego zgłoszeniem rozpoczęto badanie wyładowania w medium gazowym. Odkryto widma pierwszej linii. Faraday i Wheatstone badali wyładowania w rozrzedzonych gazach w latach 30. XX wieku. Widząc zapał Brytyjczyka, zagranicznego inżyniera, który przyjął rosyjskie obywatelstwo, Jacobi próbował użyć pręta węglowego do oświetlenia ulic Petersburga (1846). Ale anoda szybko się wypaliła, zwiększając iskiernik, a lampa zgasła. O sytuacji zdecydował Jabłoczkow, stało się to już 30 lat później, gdy era iskierników węglowych dobiegała końca. Przez długi czas znajdowały zastosowanie w wąskich obszarach, na przykład podczas oświetlania nieba podczas II wojny światowej i odpierania nalotów wroga.

Cewka Ruhmkorffa (około 1846 r.) w końcu przekonała ludzi, że wysokie napięcie może wytworzyć iskrę, a Nikola Tesla pokazał, że przy pomocy ekranu Faradaya nawet zwykły śmiertelnik byłby w stanie skierować piorun we właściwym kierunku. Płomienie na nocnym niebie nad Wieżą Wardenclyffe nazywane są najwspanialszym wyładowaniem koronowym w historii ludzkości, z wyjątkiem tego, które zaaranżował później wielki wynalazca na dachach Nowego Jorku.

Schemat występowania wyładowania koronowego

W literaturze nie ma dokładnej definicji wyładowania koronowego. Z prostego powodu niechęci autorów do zajmowania się tematem i obfitości powielanych informacji, które mijają się z treścią. Podana na wstępie definicja wyładowania koronowego również nie może być nazwana fizycznie dokładną. Prawidłowa interpretacja nie zostanie zaakceptowana przez większość czytelników ze względu na obecność specyficznych cech. W fizyce zwyczajowo dzieli się przepływ prądu przez powietrze na trzy sekcje, widoczne na wykresie:

1. Pierwsza jest podporządkowana i bezpośrednia. Tutaj przepływ prądu jest możliwy dzięki zewnętrznej jonizacji: płomieniu, promieniowaniu ultrafioletowemu, radioaktywnemu lub wysokiej częstotliwości. Pierwsze dwa czynniki były już znane Volcie (przed odkryciem „elektryczności zwierzęcej” przez Galvaniego), który zaproponował usuwanie ładunku statycznego z gumy elektroforu za pomocą promieni słonecznych lub świecy.
2. Druga sekcja znajduje się w obszarze nasycenia. Naukowcy twierdzą, że prąd pozostaje względnie stały, a ładunki aktywnie rekombinują w miarę przemieszczania się między elektrodami. A przy rosnącej różnicy potencjałów nic się nie zmienia. Aż napięcie osiągnie trzecią sekcję.
3. Przy dużej różnicy potencjałów rozpoczyna się lawinowy proces jonizacji uderzeniowej. Elektrony nabierają tak dużej prędkości, że wybijają elektrony z cząsteczek gazu. W tej sekcji prąd gwałtownie wzrasta wraz ze wzrostem różnicy potencjałów, może wystąpić łuk elektryczny.

Obserwowane wizualnie wyładowanie nazywane jest wyładowaniem iskrowym i następuje po rozpoczęciu drugiego wzrostu krzywej. Na początku pojawia się ciche wyładowanie, niezauważalne dla oka. Jest często nazywany niesamodzielnym, wymagającym zewnętrznego czynnika jonizującego, aby utrzymać nośniki w ruchu. Obniżenie napięcia powoduje natychmiastową rekombinację wszystkich nośników.

Wyładowanie iskrowe obserwuje się przy napięciach, w których możliwa jest jonizacja podobna do lawiny. Iskry skaczą z częstotliwością 400 Hz i wyższą, czemu towarzyszy słyszalny hałas. Napięcie po każdym rozładowaniu spada, co jest spowodowane obecnością wolnej przerwy. Wizualnie iskry łączą się w jedno. Podtypami tego typu jonizacji są wyładowania pokrewne:

• Wyładowanie pędzla jest podobne do dłoni szkieletu z bajki. Powstaje między końcówką a naładowaną powierzchnią. Zauważalnie na neutralizatorach, izolatorach linii energetycznej. Jonizacja zaczyna się od strony końcówki, w tym miejscu wzrasta siła pola, ładunki spływają w przestrzeń, co generuje proces lawinowy.
• Wyładowanie koronowe rozbłyskuje między kilkoma odcinkami tego samego drutu. Spowodowane uderzeniową jonizacją powietrza. Osobliwe złamane zęby są jak błyskawica. Naukowcy tłumaczą swoją dziwaczną trajektorię tym, że proces jonizacji rozchodzi się po ścieżce najmniejszego oporu, a ze względu na izotropię gazu nie można przewidzieć dokładnej ścieżki. Korona jest czasami gładka i może być dodatnia lub ujemna.

Wyładowanie koronowe prowadzi do utraty energii na linii energetycznej i zachodzi w sposób ciągły, co jest słyszalne jako dudnienie i trzaski o niskiej częstotliwości. W deszczową pogodę opór drutu spada, a wzdłuż drutu lub kulek mogą pojawiać się języki zjonizowanego powietrza w postaci małych błyskawic. Wyładowania koronowe są stosowane w filtrach oczyszczających powietrze (jonizatory, żyrandole Chizhevsky), wychwytując cząsteczki dymu i kurzu, powodując ich osadzanie.

Łuk elektryczny

Powyższe nie pozwala na dokładne zrozumienie łuku elektrycznego. Przy określonej wartości napięcia rozpoczyna się udarowa jonizacja powietrza. Jeśli różnica potencjałów spada, prąd nie zmienia się ani nie wzrasta (patrz i). Jest to tak zwany odcinek o ujemnej rezystancji różnicowej. Proces między elektrodami nazywa się łukiem. Wyładowanie jest zapalane przez wysokie napięcie i zbieżność prętów, a następnie przebiega samo.

Wiadomo, że spawacz uderza elektrodą o część, aby rozpocząć jonizację udarową. Następnie elektroda jest usuwana, a łuk pozostaje, nie gaśnie. Napięcie też jest niskie. To jest osobliwość łuku. To wyjaśnia, dlaczego otwarte linie energetyczne nie przenoszą napięć powyżej 2 MV. A potem zaczyna się wyładowanie koronowe, pojawia się łuk, żeby zgasić, trzeba dużo wysiłku.

Tesla zbudował wieżę Wardenclyffe, aby osiągnąć transfer energii za pomocą wyładowania koronowego. Utworzony łuk został poinstruowany, aby poleciał do odbiornika, a stamtąd promieniował dalej na cały glob. Zgodnie z planem Tesli konieczne było zbudowanie nadajników, które łapały języki piorunów. Bezpieczeństwo zapewniała częstotliwość wysokiego napięcia (pasmo radiowe).

Podsumowując, należy zauważyć, że łuk elektryczny jest inaczej nazywany samorozładowaniem, proces ten można utrzymać.

Mechanizmy jonizacji

Wyładowanie koronowe powstaje w geometrycznych przerwach z powodu zwiększonego natężenia pola w tym regionie. Na tej zasadzie działają neutralizatory i dreny. Zjawiska obserwowane podczas wyładowania gazu opisują ilościowo dwa współczynniki Townsenda:

• Alpha: współczynnik jonizacji objętościowej. Numerycznie jest to liczba jonizacji wytworzonych przez elektron w odległości 1 cm.
• Gamma: opisuje proces jonizacji na styku katoda-gaz. Tutaj elektrony opuszczają powierzchnię i zaczynają maszerować wzdłuż linii pola. Jest równy stosunkowi elektronów opuszczających katodę do liczby jonów spadających tutaj w jednostce czasu.

Oba współczynniki rosną wraz z różnicą potencjałów. Po niesamodzielnym wyładowaniu obserwuje się lawinową jonizację z utworzeniem chmury ładunku dodatniego między elektrodami. Ten moment odpowiada pojawieniu się korony. Dalszy wzrost napięcia prowadzi do naruszenia stacjonarności chmury dodatniej, a prąd zaczyna oscylować wokół określonej wartości.

Powyższe nazywa się teorią Rogowskiego i wyjaśnia, gdzie występuje korona, jak powstaje iskrzenie. Wszystko jest determinowane przez lot elektronów i przestrzenny rozkład ładunku. Główną cechą jest to, że obwód nie ulega zwarciu podczas wyładowania koronowego, jak to ma miejsce podczas iskrzenia (krótkotrwale) lub łuku (trwale).

Współczynnik alfa określa odległość żarzenia od elektrody. Gamma raczej charakteryzuje geometryczny kształt powierzchni i różnicę potencjałów, która doprowadziła do pojawienia się wyładowania.

Cechy wyładowania koronowego

Wyładowanie koronowe zwykle występuje w miejscu o najmniejszym promieniu krzywizny. Jeśli jest to linia, maksymalne prawdopodobieństwo powstania pojawia się na wadzie mechanicznej. Obszar najczęstszego występowania ładunku nazywany jest koroną lub elektrodą koronową. Przewodnik jest pod dodatnim lub ujemnym potencjałem. W związku z tym wyróżnia się również korony podobnego rodzaju (patrz wyżej).

Wyładowanie dodatnie i ujemne różnią się wyglądem. W pierwszym przypadku blask jest jednolity, w drugim na powierzchni drutu znajdują się epicentra. Mechanizm procesu między elektrodami:

1. Na początku dochodzi do niesamodzielnego wyładowania. Dzieje się tak z powodu losowej akcji: kropli deszczu, podmuchu wiatru itp.
2. Jeśli różnica potencjałów nadal rośnie, w obszarze drutu powstaje słaba poświata, której towarzyszy ledwo słyszalne trzaski. Napięcie powodujące jest nazywane krytycznym lub początkowym.
3. Wraz z dalszym wzrostem różnicy potencjałów (napięcie przebicia iskry), prąd wzrasta zgodnie z prawem kwadratowym, poświata staje się silniejsza. Iskry zaczynają skakać z coraz większą częstotliwością.
4. Całkowity wzrost różnicy potencjałów powoduje wyładowanie łukowe, które objawia się zwarciem w obwodzie. Jego spalanie jest trudne do zatrzymania.

Ważny! Napięcia krytyczne i iskry są różne dla korony dodatniej i ujemnej.

Tak więc wyładowanie koronowe w układzie laboratoryjnym jest prekursorem wyładowania iskrowego, a wyładowanie iskrowe jest prekursorem wyładowania łukowego. W praktyce, przy nominalnym napięciu sieci, elektrycy nie przejmują się zbytnio ochroną. Możliwe jest zwiększenie napięcia o 10% bez większych uszkodzeń, jeśli na określonym obszarze nie występują częste złe warunki pogodowe, głównie burze piaskowe.

Jeśli odległość między elektrodami jest zbyt mała, wyładowanie koronowe nie powstaje: po niesamodzielnym natychmiast pojawia się iskra. Przewody w liniach energetycznych starają się rozłożyć na odległość, stosuje się izolatory ceramiczne. Wyładowanie koronowe jest często zastępowane wyładowaniem szczotkowym, jeśli występuje wyraźny punkt. Oba są tylko formalnym określeniem identycznego zjawiska.

Wyładowanie iskrowe następuje, gdy natężenie pola elektrycznego osiąga wartość przebicia dla danego gazu.Wartość ta zależy od ciśnienia gazu; dla powietrza pod ciśnieniem atmosferycznym jest to około . Zwiększa się wraz ze wzrostem ciśnienia. Zgodnie z prawem doświadczalnym Paschena stosunek natężenia pola przebicia do ciśnienia jest w przybliżeniu stały:

Wyładowaniu iskrowemu towarzyszy powstawanie jasno świecącego krętego, rozgałęzionego kanału, przez który przechodzi krótkotrwały impuls prądu o dużej sile. Przykładem jest błyskawica; jego długość wynosi do 10 km, średnica kanału do 40 cm, natężenie prądu może osiągnąć 100 000 lub więcej amperów, czas trwania impulsu około.

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

Pojawienie się iskry poprzedza powstanie w gazie silnie zjonizowanego kanału, zwanego streamerem. Kanał ten uzyskuje się poprzez nakładanie się pojedynczych lawin elektronowych, które występują na drodze iskry. Przodkiem każdej lawiny jest elektron powstały w wyniku fotojonizacji. Schemat rozwoju streamera pokazano na ryc. 87.1. Niech natężenie pola będzie takie, że elektron uciekający z katody w wyniku jakiegoś procesu nabierze energii wystarczającej do jonizacji na średniej drodze swobodnej.

W związku z tym dochodzi do multiplikacji elektronów – następuje lawina (utworzone w tym przypadku jony dodatnie nie odgrywają znaczącej roli ze względu na znacznie mniejszą ruchliwość; wyznaczają jedynie ładunek kosmiczny, co powoduje redystrybucję potencjału). Promieniowanie krótkofalowe emitowane przez atom, w którym jeden z wewnętrznych elektronów został wyrwany podczas jonizacji (promieniowanie to pokazano na schemacie liniami falistymi), powoduje fotojonizację cząsteczek, a powstałe elektrony generują coraz więcej nowych lawiny. Po nałożeniu się lawin powstaje dobrze przewodzący kanał - streamer, przez który z katody do anody pędzi potężny przepływ elektronów - następuje awaria.

Jeżeli elektrody mają kształt, w którym pole w przestrzeni międzyelektrodowej jest w przybliżeniu jednorodne (np. są to kulki o dostatecznie dużej średnicy), to przebicie następuje przy ściśle określonym napięciu, którego wartość zależy od odległości między nimi piłki. Na tym opiera się woltomierz iskrowy, za pomocą którego mierzone jest wysokie napięcie. Podczas pomiaru określana jest największa odległość, przy której pojawia się iskra. Mnożąc następnie przez otrzymaj wartość zmierzonego napięcia.

Jeśli jedna z elektrod (lub obie) ma bardzo dużą krzywiznę (na przykład cienki drut lub szpic służy jako elektroda), to przy niezbyt wysokim napięciu dochodzi do tak zwanego wyładowania koronowego. Wraz ze wzrostem napięcia wyładowanie to zamienia się w iskrę lub łuk.

Podczas wyładowania koronowego jonizacja i wzbudzenie cząsteczek nie zachodzi w całej przestrzeni międzyelektrodowej, a jedynie w pobliżu elektrody o małym promieniu krzywizny, gdzie natężenie pola osiąga wartości równe lub większe niż . W tej części wyładowania gaz się żarzy. Poświata ma wygląd korony otaczającej elektrodę, stąd nazwa tego typu wyładowania. Wyładowanie koronowe z końcówki wygląda jak świecący pędzel, dlatego czasami nazywane jest wyładowaniem szczotkowym. W zależności od znaku elektrody koronowej mówi się o koronie dodatniej lub ujemnej. Pomiędzy warstwą koronową a nieulotową elektrodą znajduje się zewnętrzny obszar korony. Reżim rozpadu istnieje tylko w warstwie koronowej. Dlatego możemy powiedzieć, że wyładowanie koronowe jest niepełnym przebiciem szczeliny gazowej.

W przypadku ujemnej korony zjawiska na katodzie są podobne do tych na katodzie wyładowania jarzeniowego. Jony dodatnie przyspieszane przez pole wybijają elektrony z katody, co powoduje jonizację i wzbudzenie cząsteczek w warstwie koronowej. W zewnętrznym obszarze korony pole jest niewystarczające, aby dostarczyć elektronom energii potrzebnej do jonizacji lub wzbudzenia cząsteczek.

Dlatego elektrony, które wniknęły w ten obszar, dryfują pod działaniem zera do anody. Niektóre elektrony są wychwytywane przez cząsteczki, co powoduje powstawanie jonów ujemnych. Tak więc prąd w obszarze zewnętrznym jest określany tylko przez nośniki ujemne - elektrony i jony ujemne. W tym regionie zrzut ma charakter niesamowystarczalny.

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

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

Niezależnym wyładowaniem gazowym, o którym mowa w § 82 przy rozpatrywaniu liczników, jest wyładowanie koronowe.

Wraz ze wzrostem napięcia wzrasta grubość warstwy koronowej i siła prądu wyładowania. Przy niskim napięciu korona ma niewielki rozmiar, a jej blask jest niezauważalny. Taka mikroskopijna korona powstaje w pobliżu punktu, z którego przepływa wiatr elektryczny (patrz § 24).

Korona, która pojawia się pod wpływem elektryczności atmosferycznej na szczytach masztów statków, drzew itp., nazywana była w dawnych czasach pożarami św. Elma.

W zastosowaniach wysokiego napięcia, w szczególności w liniach przesyłowych wysokiego napięcia, korona prowadzi do szkodliwego upływu prądu. Dlatego należy podjąć środki, aby temu zapobiec. W tym celu np. przewody linii wysokiego napięcia mają wystarczająco dużą średnicę, im większe, tym wyższe napięcie linii.

Przydatne zastosowanie w technologii wyładowań koronowych występujących w elektrofiltrach. Oczyszczany gaz porusza się w rurze, wzdłuż której osi znajduje się ujemna elektroda koronowa. Jony ujemne, które są obecne w dużych ilościach w zewnętrznym obszarze korony, osadzają się na cząsteczkach lub kropelkach zanieczyszczających gaz i są przenoszone wraz z nimi do zewnętrznej nieulotowej elektrody. Po dotarciu do tej elektrody cząsteczki są neutralizowane i osadzają się na niej. Następnie, po uderzeniu w rurę, osad utworzony przez uwięzione cząstki osypuje się do zbiornika.

wyładowanie elektryczne- proces przepływu prądu elektrycznego związany ze znacznym wzrostem przewodności elektrycznej ośrodka w stosunku do jego stanu normalnego.
Zwiększenie przewodności elektrycznej zapewnia obecność dodatkowych bezpłatnych nośników ładunku. Wyładowania elektryczne są niesamodzielne, płynące dzięki zewnętrznemu źródłu nośników wolnego ładunku i niezależne, kontynuują spalanie nawet po wyłączeniu zewnętrznego źródła nośników ładunku wolnego ładunku.
Wyróżnia się następujące rodzaje wyładowań elektrycznych: iskra, korona, łuk (łuk elektryczny) i jarzenie.

Podłączmy elektrody kulkowe do baterii kondensatorów i zacznijmy ładować kondensatory za pomocą maszyny elektrycznej. Gdy kondensatory są ładowane, różnica potencjałów między elektrodami wzrośnie, a w konsekwencji wzrośnie natężenie pola w gazie. Dopóki natężenie pola jest niskie, w gazie nie widać żadnych zmian. Jednak przy wystarczającym natężeniu pola (około 30 000 V/cm) między elektrodami pojawia się iskra elektryczna, która ma postać jasno świecącego krętego kanału łączącego obie elektrody. Gaz w pobliżu iskry nagrzewa się do wysokiej temperatury i nagle rozszerza się, co powoduje fale dźwiękowe i charakterystyczny trzask. Kondensatory w tej konfiguracji są dodawane, aby iskra była mocniejsza, a przez to bardziej efektywna.
Opisana forma wyładowania gazu nazywa się wyładowanie iskrowe lub iskrzenie przebicia gazu. Gdy następuje wyładowanie iskrowe, gaz nagle, nagle traci swoje właściwości izolacyjne i staje się dobrym przewodnikiem. Natężenie pola, przy którym następuje przebicie iskrowe gazu, ma różną wartość dla różnych gazów i zależy od ich stanu (ciśnienie, temperatura). Przy danym napięciu między elektrodami natężenie pola jest tym mniejsze, im dalej od siebie znajdują się elektrody. Dlatego im większa odległość między elektrodami, tym większe napięcie między nimi jest niezbędne do rozpoczęcia iskry przebicia gazu. To napięcie nazywa się napięciem przebicia.
Występowanie awarii wyjaśniono w następujący sposób. W gazie zawsze znajduje się pewna ilość jonów i elektronów, wynikająca z przyczyn losowych. Zwykle jednak ich liczba jest tak mała, że ​​gaz praktycznie nie przewodzi prądu. Przy stosunkowo niewielkich wartościach natężenia pola, z jakimi spotykamy się w badaniach niesamodzielnych przewodnictwo gazów, zderzenia poruszających się w polu elektrycznym jonów z cząsteczkami gazu obojętnego zachodzą w taki sam sposób, jak zderzenia elastycznych kulek. Z każdym zderzeniem poruszająca się cząstka przekazuje część swojej energii kinetycznej pozostałej cząstce i obie cząstki rozlatują się po zderzeniu, ale nie zachodzą w nich żadne zmiany wewnętrzne. Jednak przy wystarczającym natężeniu pola energia kinetyczna zgromadzona przez jon między dwoma zderzeniami może stać się wystarczająca do zjonizowania obojętnej cząsteczki po zderzeniu. W rezultacie powstaje nowy ujemny elektron i dodatnio naładowana pozostałość, jon. Taki proces jonizacji nazywa się jonizacją uderzeniową, a praca, którą należy włożyć w wytworzenie oderwania elektronu od atomu, nazywa się pracą jonizacyjną. Wartość pracy jonizacji zależy od struktury atomu i dlatego jest różna dla różnych gazów.
Powstające pod wpływem jonizacji uderzeniowej elektrony i jony zwiększają ilość ładunków w gazie, a te z kolei wprawiane są w ruch pod działaniem pola elektrycznego i mogą powodować jonizację uderzeniową nowych atomów. Tym samym proces ten „wzmacnia się”, a jonizacja w gazie szybko osiąga bardzo dużą wartość. Wszystkie zjawiska są dość analogiczne do lawiny w górach, do powstania której wystarczy niewielka bryła śniegu. Dlatego opisany proces nazwano lawiną jonową. Powstawanie lawiny jonowej to proces przebicia iskry, a minimalne napięcie, przy którym następuje lawina jonowa, to napięcie przebicia. Widzimy, że w przypadku przebicia iskry przyczyną jonizacji gazu jest zniszczenie atomów i cząsteczek w zderzeniach z jonami.
Jednym z naturalnych przedstawicieli wyładowań iskrowych jest błyskawica - piękna i niebezpieczna.

Wystąpienie lawiny jonowej nie zawsze prowadzi do powstania iskry, ale może również spowodować inny rodzaj wyładowania – wyładowanie koronowe.
Rozciągnijmy na dwóch wysokich wspornikach izolacyjnych metalowy drut AB o średnicy kilku dziesiątych milimetra i połączmy go z ujemnym biegunem generatora podającego napięcie kilku tysięcy woltów np. do dobrej maszyny elektrycznej. Drugi biegun generatora zabierzemy na Ziemię. Dostaniemy rodzaj kondensatora, którego płytki są naszym drutem i ścianami pokoju, które oczywiście komunikują się z Ziemią. Pole w tym kondensatorze jest bardzo niejednorodne, a jego natężenie jest bardzo duże w pobliżu cienkiego drutu. Stopniowo zwiększając napięcie i obserwując przewód w ciemności, można zauważyć, że przy znanym napięciu w pobliżu przewodu pojawia się słaba poświata („korona”), zakrywająca przewód ze wszystkich stron; towarzyszy mu syk i lekki trzask. Jeśli czuły galwanometr jest podłączony między przewodem a źródłem, to wraz z pojawieniem się poświaty galwanometr pokazuje zauważalny prąd płynący z generatora wzdłuż przewodów do przewodu i od niego przez powietrze pomieszczenia do połączonych ścian do drugiego bieguna generatora. Prąd w powietrzu pomiędzy drutem AB a ściankami jest przenoszony przez jony powstałe w powietrzu w wyniku jonizacji uderzeniowej. Tak więc blask powietrza i pojawienie się prądu wskazują na silną jonizację powietrza pod działaniem pola elektrycznego.
wyładowanie koronowe może wystąpić nie tylko na drucie, ale także na końcówce i ogólnie na wszystkich elektrodach, w pobliżu których powstaje bardzo silne pole niejednorodne.

Zastosowanie wyładowań koronowych.
1) Elektryczne oczyszczanie gazu (filtry elektryczne). Naczynie wypełnione dymem nagle staje się całkowicie przezroczyste po wprowadzeniu do niego ostrych metalowych elektrod podłączonych do maszyny elektrycznej. Wewnątrz szklanej rurki znajdują się dwie elektrody: metalowy walec i zwisający wzdłuż jego osi cienki metalowy drut. Elektrody są podłączone do maszyny elektrycznej. Jeśli przez rurę przedmucha się strumień dymu (lub kurzu) i maszyna zostanie wprawiona w ruch, gdy tylko napięcie będzie wystarczające do uformowania korony, wychodzący strumień powietrza stanie się całkowicie czysty i przezroczysty, a całość będzie stała i cząsteczki cieczy zawarte w gazie osadzają się na elektrodach. Wyjaśnienie tego doświadczenia jest następujące. Gdy tylko korona zostanie zapalona w pobliżu drutu, powietrze wewnątrz rurki jest silnie zjonizowane. Jony gazu, zderzając się z cząsteczkami pyłu, „przyklejają się” do tych ostatnich i ładują je. Ponieważ wewnątrz rurki działa silne pole elektryczne, naładowane cząstki przemieszczają się pod wpływem pola do elektrod, gdzie osadzają się. Opisane zjawisko znajduje w chwili obecnej zastosowanie techniczne do oczyszczania gazów przemysłowych w dużych ilościach z zanieczyszczeń stałych i ciekłych.
2) Liczniki cząstek elementarnych. Wyładowanie koronowe jest podstawą działania niezwykle ważnych urządzeń fizycznych: tzw. liczników cząstek elementarnych (elektronów, a także innych cząstek elementarnych, które powstają podczas przemian promieniotwórczych), licznika Geigera-Mullera. Składa się z małego metalowego cylindra A, wyposażonego w okienko i cienkiego metalowego drutu rozciągniętego wokół osi cylindra i izolowanego od niego. Licznik jest podłączony do obwodu zawierającego źródło napięcia V o wartości kilku tysięcy woltów. Napięcie jest tak dobrane, aby było tylko nieznacznie mniejsze od „krytycznego”, czyli koniecznego do zapalenia wyładowania koronowego wewnątrz miernika. Kiedy szybko poruszający się elektron wchodzi do licznika, ten ostatni jonizuje cząsteczki gazu wewnątrz licznika, co powoduje pewne zmniejszenie napięcia wymaganego do zapalenia korony. W liczniku dochodzi do wyładowania, aw obwodzie pojawia się słaby prąd krótkotrwały.
Prąd powstający w mierniku jest tak słaby, że trudno go wykryć zwykłym galwanometrem. Można to jednak zauważyć, jeśli do obwodu zostanie wprowadzony bardzo duży opór R i równolegle do niego podłączony zostanie czuły elektrometr E. Gdy w obwodzie pojawi się prąd I, na końcach obwodu powstaje napięcie U. opór równy prawu Ohma U = IxR. Jeśli wybierzemy wartość rezystancji R bardzo dużą (wiele milionów omów), ale znacznie mniejszą niż rezystancja samego elektrometru, to nawet bardzo mały prąd spowoduje zauważalne napięcie. Dlatego z każdym uderzeniem szybkiego elektronu wewnątrz licznika ulotka elektrometru da odrzucenie.
Takie liczniki umożliwiają rejestrację nie tylko szybkich elektronów, ale ogólnie wszelkich naładowanych, szybko poruszających się cząstek, zdolnych do jonizacji gazu w wyniku zderzeń. Nowoczesne liczniki z łatwością wykrywają nawet pojedynczą cząsteczkę uderzającą w nie, dzięki czemu pozwalają z całą pewnością i bardzo wyraźnie stwierdzić, że cząstki elementarne rzeczywiście istnieją w przyrodzie.

W 1802 r. VV Pietrow ustalił, że jeśli dwa kawałki węgla drzewnego są przymocowane do biegunów dużej baterii elektrolitycznej i doprowadzając węgle do kontaktu, lekko je rozdzielają, wówczas między końcami węgli i końcami węgli powstaje jasny płomień. same węgle rozgrzewają się do białości. emitujące oślepiające światło łuk elektryczny). Zjawisko to niezależnie zaobserwował siedem lat później angielski chemik Davy, który zaproponował nazwanie tego łuku „woltaicznym” po Volcie.
Zazwyczaj sieć oświetleniowa zasilana jest prądem przemiennym. Łuk jednak pali się bardziej równomiernie, jeśli przepływa przez niego stały prąd, tak że jedna z jego elektrod jest zawsze dodatnia (anoda), a druga ujemna (katoda). Pomiędzy elektrodami znajduje się kolumna gorącego gazu, dobry przewodnik prądu. W zwykłych łukach ten filar emituje znacznie mniej światła niż rozżarzone węgle. Węgiel dodatni, mający wyższą temperaturę, spala się szybciej niż węgiel ujemny. Ze względu na silną sublimację węgla tworzy się na nim zagłębienie - krater dodatni, będący najgorętszą częścią elektrod. Temperatura krateru w powietrzu pod ciśnieniem atmosferycznym sięga 4000 °C. Łuk może również palić się między metalowymi elektrodami (żelazo, miedź itp.). W takim przypadku elektrody topią się i szybko odparowują, co zużywa dużo ciepła. Dlatego temperatura krateru elektrody metalowej jest zwykle niższa niż elektrody węglowej (2000-2500 °C).
Poprzez spowodowanie zapalenia się łuku między elektrodami węglowymi w sprężonym gazie (około 20 atm), udało się doprowadzić temperaturę krateru dodatniego do 5900 °C, czyli do temperatury powierzchni Słońca. W tych warunkach zaobserwowano topienie węgla.
Jeszcze wyższą temperaturę ma kolumna gazów i par, przez którą następuje wyładowanie elektryczne. Energiczne bombardowanie tych gazów i par przez elektrony i jony napędzane przez pole elektryczne łuku podnosi temperaturę gazów w kolumnie do 6000-7000 °. Dlatego w kolumnie łukowej prawie wszystkie znane substancje ulegają stopieniu i zamienieniu w parę, co umożliwia wiele reakcji chemicznych, które nie zachodzą w niższych temperaturach. Nie jest trudno na przykład stopić ogniotrwałe sztyfty porcelanowe w płomieniu łukowym. Aby utrzymać wyładowanie łukowe, potrzebne jest małe napięcie: łuk pali się dobrze, gdy napięcie na jego elektrodach wynosi 40-45 V. Prąd w łuku jest dość znaczny. Tak więc na przykład nawet w małym łuku płynie prąd około 5 A, a w dużych łukach stosowanych w przemyśle prąd osiąga setki amperów. To pokazuje, że opór łuku jest mały; w związku z tym kolumna z gazem świetlnym dobrze przewodzi prąd.
Tak silna jonizacja gazu jest możliwa tylko dzięki temu, że katoda łukowa emituje dużo elektronów, które swoimi uderzeniami jonizują gaz w przestrzeni wyładowania. Silną emisję elektronów z katody zapewnia fakt, że sama katoda łukowa jest nagrzewana do bardzo wysokiej temperatury (od 2200° do 3500°C w zależności od materiału). Kiedy po raz pierwszy stykamy węgle, aby zapalić łuk, to w punkcie styku, który ma bardzo wysoką rezystancję, uwalniane jest prawie całe ciepło Joule'a prądu przepływającego przez węgle. Dlatego końce węgli są bardzo gorące i to wystarczy, aby łuk powstał między nimi, gdy zostaną rozsunięte. W przyszłości katoda łuku jest utrzymywana w stanie rozgrzanym przez sam prąd przepływający przez łuk. Główną rolę odgrywa w tym bombardowanie katody przez spadające na nią jony dodatnie.

Zastosowanie wyładowania łukowego.
Ze względu na wysoką temperaturę elektrody łukowe emitują oślepiające światło, dlatego łuk elektryczny jest jednym z najlepszych źródeł światła. Zużywa tylko około 0,3 wata na świecę i jest znacznie bardziej ekonomiczny. Niż najlepsze żarówki. Łuk elektryczny został po raz pierwszy użyty do oświetlenia przez PN Jabłoczkowa w 1875 roku i został nazwany „światłem rosyjskim” lub „światłem północnym”.
Łuk elektryczny służy również do spawania części metalowych (spawanie łukiem elektrycznym). Obecnie łuk elektryczny jest bardzo szeroko stosowany w przemysłowych piecach elektrycznych. W przemyśle światowym około 90% stali narzędziowej i prawie wszystkie stale specjalne wytapia się w piecach elektrycznych.
Dużym zainteresowaniem cieszy się płonący łuk rtęciowy w rurce kwarcowej, tzw. lampa kwarcowa. W tej lampie wyładowanie łukowe nie następuje w powietrzu, ale w atmosferze pary rtęci, do której wprowadzana jest niewielka ilość rtęci i wypompowywane jest powietrze. Światło łuku rtęciowego jest niezwykle bogate w niewidzialne promienie ultrafioletowe, które mają silne działanie chemiczne i fizjologiczne. Lampy rtęciowe są szeroko stosowane w leczeniu różnych chorób („sztuczne górskie słońce”), a także w badaniach naukowych jako silne źródło promieni ultrafioletowych.

Oprócz iskry, korony i łuku istnieje inna forma samorozładowania w gazach – tzw wyładowanie jarzeniowe. Aby uzyskać tego typu wyładowanie, wygodnie jest użyć szklanej rurki o długości około pół metra, zawierającej dwie metalowe elektrody. Podłączymy elektrody do źródła prądu stałego o napięciu kilku tysięcy woltów (odpowiednia jest maszyna elektryczna) i stopniowo wypompujemy powietrze z rurki. Pod ciśnieniem atmosferycznym gaz wewnątrz rurki pozostaje ciemny, ponieważ przyłożone napięcie kilku tysięcy woltów nie wystarcza do przebicia długiej szczeliny gazowej. Jednak, gdy ciśnienie gazu wystarczająco spadnie, w rurze zacznie migać wyładowanie świetlne. Ma postać cienkiego sznurka (w powietrzu szkarłat, inne kolory w innych gazach) łączącego obie elektrody. W tym stanie kolumna gazowa dobrze przewodzi prąd.
Przy dalszej ewakuacji sznur świetlny rozmywa się i rozszerza, a blask wypełnia prawie całą tubę. Rozróżnij dwie części wyładowania: 1) część nieświecącą przylegającą do katody, zwaną ciemną przestrzenią katodową; 2) świecąca kolumna gazu, która wypełnia resztę rurki, aż do samej anody. Ta część wyładowania nazywana jest kolumną dodatnią.
W wyładowaniu jarzeniowym gaz dobrze przewodzi prąd, co oznacza, że ​​w gazie cały czas utrzymuje się silna jonizacja. W tym przypadku, w przeciwieństwie do wyładowania łukowego, katoda pozostaje cały czas zimna. Dlaczego w tym przypadku dochodzi do tworzenia jonów?
Spadek potencjału lub napięcia na centymetr długości kolumny gazu w wyładowaniu jarzeniowym jest bardzo różny w różnych częściach wyładowania. Okazuje się, że prawie cała potencjalna kropla spada na ciemną przestrzeń. Różnica potencjałów istniejąca między katodą a najbliższą jej granicą przestrzeni nazywana jest spadkiem potencjału katody. Mierzy się go w setkach, aw niektórych przypadkach w tysiącach woltów. Wydaje się, że całe wyładowanie istnieje z powodu tego upadku katody. Znaczenie spadku katody polega na tym, że jony dodatnie, przechodząc przez tę dużą różnicę potencjałów, nabierają większej prędkości. Ponieważ opadanie katody jest skoncentrowane w cienkiej warstwie gazu, prawie nie dochodzi do zderzeń jonów z atomami gazu, a zatem przechodząc przez obszar opadania katody, jony uzyskują bardzo dużą energię kinetyczną. W efekcie zderzając się z katodą wybijają z niej pewną ilość elektronów, które zaczynają przemieszczać się w kierunku anody. Przechodząc przez ciemną przestrzeń, elektrony są z kolei przyspieszane przez spadek potencjału katodowego i po zderzeniu z atomami gazu w dalszej części wyładowania powodują jonizację uderzeniową. Powstające w tym przypadku jony dodatnie są ponownie przyspieszane przez opadanie katody i wybijają nowe elektrony z katody itp. Tak więc wszystko jest powtarzane, aż do pojawienia się napięcia na elektrodach.
Oznacza to, że przyczyną jonizacji gazów w wyładowaniu jarzeniowym są jonizacja uderzeniowa i wybijanie elektronów z katody przez jony dodatnie.

Zastosowanie wyładowania jarzeniowego.
To wyładowanie jest używane głównie do oświetlenia. Stosowany w lampach fluorescencyjnych.

W zależności od ciśnienia gazu, napięcia przyłożonego do elektrod, kształtu i charakteru położenia elektrod rozróżnia się następujące rodzaje samorozładowania: jarzenie, korona, łuk i iskra.

wyładowanie jarzeniowe obserwowane przy niskim ciśnieniu gazu (około 0,1 mm Hg). Jeżeli na elektrody wlutowane w szklaną rurkę przyłożymy stałe napięcie kilkuset woltów, a następnie z rurki stopniowo wypompuje się powietrze, wówczas obserwuje się następujące zjawisko: gdy ciśnienie gazu spada, w pewnym momencie pojawia się wyładowanie w rura, która ma postać świecącego sznura łączącego lampy anodowe i katodowe (rys. 1). Wraz z dalszym spadkiem ciśnienia żarnik ten rozszerza się i wypełnia cały przekrój rury, a jarzenie w pobliżu katody słabnie. W pobliżu katody tworzy się pierwsza ciemna przestrzeń 1 , który sąsiaduje z warstwą świecącą jonami 2 (jarzenie tlące), które ma ostrą granicę po stronie katody i stopniowo zanika po stronie anody. Za tlącym się blaskiem znów jest ciemna szczelina 3 , zwany faradaya lub drugą ciemną przestrzenią. Za nim leży świecący obszar 4 rozciągający się na anodę lub kolumnę dodatnią.

Szczególne znaczenie w wyładowaniu jarzeniowym mają tylko dwie jego części – ciemna przestrzeń katodowa i jarzenie jarzeniowe, w których zachodzą główne procesy podtrzymujące wyładowanie. Elektrony, które jonizują gaz, powstają w wyniku fotoemisji z katody i zderzeń jonów dodatnich z katodą rury.

Obecnie wyładowanie jarzeniowe jest szeroko stosowane jako źródło światła w różnych rurach gazowych.W źródłach światła dziennego wyładowanie następuje zwykle w oparach rtęci. Rury gazowe są również wykorzystywane do celów reklamowych i dekoracyjnych.

Do napylania katodowego metali stosuje się wyładowanie jarzeniowe, ponieważ substancja katodowa w wyładowaniu jarzeniowym stopniowo przechodzi w stan gazowy i osadza się w postaci pyłu metalowego na ściankach rur. Umieszczając różne przedmioty w wyładowaniu jarzeniowym, pokrywają je jednolitymi i trwałymi warstwami metalu. Ta metoda służy do produkcji wysokiej jakości luster metalowych.

wyładowanie iskrowe, często obserwowany w przyrodzie, to błyskawica. Błyskawica to wyładowanie między dwoma naładowanymi chmurami lub między chmurą a ziemią. Nośnikami ładunku w chmurach są naładowane krople wody lub płatki śniegu.

W warunkach laboratoryjnych wyładowanie iskrowe można uzyskać poprzez stopniowe zwiększanie napięcia między dwiema elektrodami znajdującymi się w powietrzu atmosferycznym o takim kształcie, że pole elektryczne między nimi niewiele różni się od jednorodnego. Przy określonym napięciu pojawia się iskra elektryczna. W takim przypadku wyładowanie iskrowe wnika z dużą prędkością w szczelinę wyładowczą, gaśnie i pojawia się ponownie. Jasno świecący zakrzywiony kanał iskry łączy obie elektrody i ma złożone rozgałęzienie (ryc. 2). Blask iskry jest wynikiem intensywnych procesów jonizacji. Efekty dźwiękowe towarzyszące iskrze są generowane przez wzrost ciśnienia (do setek atmosfer) w wyniku nagrzania gazu (do 105°C) w miejscach, przez które przechodzi wyładowanie. Iskra powstaje, gdy natężenie pola elektrycznego w gazie osiąga określoną wartość, która zależy od rodzaju gazu i jego stanu.

Jeśli pozostawiając stałe napięcie, zmniejszysz odległość między elektrodami, wówczas natężenie pola w szczelinie gazowej wzrośnie. Przy określonej wartości nastąpi wyładowanie iskrowe. Im wyższe przyłożone napięcie, tym większa odległość między elektrodami, przy której nastąpi wyładowanie iskrowe. Zasada działania woltomierza iskrowego – urządzenia do pomiaru bardzo wysokich napięć – opiera się właśnie na tym zjawisku.

wyładowanie łukowe można zaobserwować w następujących warunkach: jeżeli po zapłonie wyładowania iskry rezystancja obwodu jest stopniowo zmniejszana, to prąd w iskrze wzrośnie. Kiedy rezystancja obwodu stanie się wystarczająco mała, pojawi się nowa forma wyładowania gazowego, zwana łukiem. W tym przypadku natężenie prądu gwałtownie wzrasta, osiągając dziesiątki i setki amperów, a napięcie w szczelinie wyładowczej spada do kilkudziesięciu woltów. To pokazuje, że podczas wyładowania powstają nowe procesy, które nadają gazowi bardzo wysoką przewodność elektryczną.

Obecnie łuk elektryczny palący się pod ciśnieniem atmosferycznym uzyskuje się najczęściej pomiędzy specjalnymi elektrodami węglowymi. Najgorętszym punktem łuku jest zagłębienie, które tworzy się na elektrodzie dodatniej i nazywane jest kraterem łukowym. Jego temperatura przy ciśnieniu atmosferycznym wynosi około 4000 °C.

Łuk elektryczny jest potężnym źródłem światła i jest szeroko stosowany w instalacjach projekcyjnych, reflektorowych i innych instalacjach oświetleniowych. Ze względu na wysoką temperaturę łuk jest szeroko stosowany do spawania i cięcia metali. Wysoka temperatura łuku jest również wykorzystywana do budowy elektrycznych pieców łukowych, które odgrywają ważną rolę we współczesnej elektrometalurgii.

wyładowanie koronowe obserwowane przy stosunkowo wysokich ciśnieniach gazu (na przykład pod ciśnieniem atmosferycznym) w silnie niejednorodnym polu elektrycznym. Aby uzyskać znaczną niejednorodność pola, elektrody muszą mieć ostro różne powierzchnie, tj. jedna elektroda - bardzo duża powierzchnia, a druga - bardzo mała. Na przykład wyładowanie koronowe można łatwo uzyskać, umieszczając cienki drut w metalowym cylindrze, którego promień jest znacznie większy niż promień drutu.

Największe znaczenie ma natężenie pola w pobliżu drutu. Gdy natężenie pola osiągnie wartość Ε ≈ 3 MV/m, następuje zapłon wyładowania między przewodem a cylindrem i w obwodzie pojawia się prąd. Jednocześnie w pobliżu drutu obserwuje się poświatę, która ma postać muszli lub korony otaczającej drut, od którego wzięła się nazwa wyładowania.

Wyładowanie koronowe występuje zarówno przy potencjale ujemnym na drucie (korona ujemna), jak i dodatnim (korona dodatnia), a także przy napięciu przemiennym między drutem a cylindrem.

Wyładowania koronowe są wykorzystywane w inżynierii do budowy elektrofiltrów przeznaczonych do oczyszczania gazów przemysłowych z zanieczyszczeń stałych i ciekłych.

W naturze do wyładowań koronowych dochodzi czasami pod działaniem atmosferycznego pola elektrycznego na gałęziach drzew, wierzchołkach masztów (tzw. ognie św. Elma). Wyładowanie koronowe może wystąpić na cienkich przewodach pod napięciem. Pojawienie się wyładowania koronowego na końcówkach przewodników wyjaśnia działanie piorunochronu, który chroni budynki i linie przesyłowe przed uderzeniami piorunów.

Literatura

Aksenovich L. A. Fizyka w liceum: Teoria. Zadania. Testy: proc. dodatek dla instytucji świadczących usługi ogólne. środowiska, edukacja / L.A. Aksenovich, N.N. Rakina, K.S. Farino; Wyd. K.S. Farino. - Mn.: Adukacy i wychawanne, 2004. - C. 289-291.

Pojawienie się wstęg w przestrzeni między elektrodami nie zawsze prowadzi do powstania iskry, ale może również spowodować wyładowanie innego typu, wyładowanie koronowe. Rysunek przedstawia schemat urządzenia, które można wykorzystać do odtworzenia wyładowania koronowego. W tym urządzeniu cienki drut jest umieszczony wzdłuż osi wydrążonego metalowego cylindra.

Przy napięciu między drutem a cylindrem w przestrzeni między nimi powstaje niejednorodne pole elektryczne o maksymalnym natężeniu w pobliżu drutu. Gdy natężenie pola w pobliżu drutu zbliża się do wartości przebicia natężenia powietrza (około U p \u003d 30 000 V / m), między drutem a cylindrem zapala się wyładowanie koronowe i w obwodzie przepływa prąd, tj. wokół drutu jest poświata - korona. Wygląd korony przy ujemnym potencjale drutu (ujemna korona) różni się nieco od korony dodatniej.

Przy ujemnym potencjale drutu lawiny elektronowe zaczynają się na drucie, propagują w kierunku anody, a w pewnej odległości serpentyny odrywają się na skutek spadku natężenia pola. W przypadku korony dodatniej lawiny elektronowe powstają na zewnętrznej granicy (powierzchni) korony i poruszają się w kierunku drutu. W przeciwieństwie do wyładowania iskrowego, w wyładowaniu koronowym dochodzi do niecałkowitego przebicia szczeliny gazowej, ponieważ znajdujące się w niej lawiny elektronowe nie przenikają przez całą warstwę gazu E = .

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

Wyładowanie koronowe może wystąpić nie tylko na drucie, ale także na końcówce i ogólnie na wszystkich elektrodach, w pobliżu których powstaje bardzo silne pole niejednorodne. Wyładowaniu koronowemu towarzyszy syczący dźwięk i lekkie trzaski. Wyładowanie koronowe występuje na liniach wysokiego napięcia i powoduje upływ ładunków elektronicznych, tj. Elektryczność.

Zastosowanie wyładowań koronowych.

1. Elektryczne oczyszczanie gazów (odpylacze elektrostatyczne). Takie doświadczenie jest znane - naczynie wypełnione dymem natychmiast staje się całkowicie przezroczyste, jeśli zostaną do niego wprowadzone ostre metalowe elektrody pod wysokim napięciem.

Ten efekt służy do oczyszczania gazów. Zawarte w gazie cząstki stałe i ciekłe w wyładowaniu koronowym oddziałują z jonami i stają się naładowanymi cząstkami (jony „przyklejają się” do cząstek pyłu), a następnie są kierowane na elektrody 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 niż „krytyczne”, tj. potrzebne do zapalenia wyładowania koronowego wewnątrz blatu. Kiedy szybko poruszający się elektron wchodzi do licznika, jonizuje cząsteczki gazu wewnątrz objętości, co powoduje zmniejszenie napięcia zapłonu korony. W liczniku dochodzi do wyładowania, aw obwodzie pojawia się słaby krótkotrwały impuls prądu. Do rejestracji sygnału służy czuły elektrometr E, za każdym razem, gdy cząsteczka (nawet jeden elektron) wchodzi do objętości licznika, listki elektrometru dają odrzucenie.

§7. Klasyfikacja wyładowań elektrycznych.

Wyładowania elektryczne w gazach przebiegają w różny sposób, tj. w odpływie realizowane są pewne podstawowe (elementarne) procesy, które są dla danego rodzaju odpływu i określają jego postać; jego charakterystyczne cechy.

Jak już wiemy, istnieje ograniczona liczba procesów elementarnych, które można zrealizować w objętości wyładowania gazu, procesy te wymieniamy ponownie:

1) Zderzenia cząstek gazu powodują: wymianę energii, pęd, wzbudzenie atomów, jonizację.

2) Wynik przyłączenia elektronów: pojawia się jon ujemny, zmniejsza się koncentracja elektronów.

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 po uderzeniu elektronów, emisja po uderzeniu jonów dodatnich: emisja po uderzeniu atomów obojętnych; emisja polowa.

Jednocześnie wszystkie te elementarne - fundamentalne procesy w wyładowaniach nie są realizowane. W zależności od warunków realizowane są tylko niektóre procesy, a ten zespół procesów elementarnych determinuje podstawowe właściwości wyładowania, tj. ten rodzaj wyładowania różni się od innych zbiorem procesów elementarnych. Ten zestaw lub sam typ wyładowania jest określony przez następujące parametry systemu: wielkość prądu, napięcie między elektrodami; ciśnienie gazu, geometrię komory wyładowczej, materiał elektrod i stan ich powierzchni, temperaturę elektrod itp.

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

Zatem zależność napięcia od prądu staje się najważniejszą cechą integralną wyładowania elektrycznego U = f(I) nazywaną również charakterystyką prądowo-napięciową wyładowania. Powstaje w zależności od procesów wewnętrznych, dlatego można go wykorzystać do określenia rodzaju wyładowania.

Zastanówmy się więc, jak jeden rodzaj wyładowania jest przenoszony na inny, wykorzystując charakterystykę prądowo-napięciową.

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

Za punktem B rozpoczyna się jonizacja obojętnych cząstek przez uderzenie elektronów i pojawiają się lawiny elektronów i jonów. Jeśli jednak usuniesz zewnętrzny jonizator, wyładowanie ustanie. Jest to niesamopodtrzymujące się zrzuty Townsend - to jest odcinek BC.

Elektrony wtórne wybijane z katody przez jony dodatnie, kwanty światła i wzbudzone molekuły odgrywają istotną rolę w sekcji CD. Zanika konieczność utrzymywania jonizacji ze względu na energię źródeł zewnętrznych – wyładowanie staje się niezależne, nazywane jest też samodzielnym wyładowaniem Townsenda (jest to sekcja CE).

W sekcji EF wyładowanie Townsenda przekształca się w normalne wyładowanie jarzeniowe, co odpowiada sekcji FH. Na odcinku NK napięcie również wzrasta wraz ze wzrostem. Wyładowanie odpowiadające sekcji NK nazywa się anomalnym wyładowaniem jarzeniowym.

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

Stacjonarne wyładowanie jarzeniowe przy niskim ciśnieniu.

Wraz ze wzrostem prądu niezależne wyładowanie Townsella (sekcja CEF) może rozwijać się na różne sposoby i przybierać różne formy. Jeśli pod ciśnieniem około 1 mm. rt. Sztuka. wyładowanie następuje między elektrodami podłączonymi do źródła prądu stałego, następnie realizowane jest normalne wyładowanie.

Sekcja FH charakterystyki prądowo-napięciowej odpowiada wyładowaniu jarzeniowemu. Charakterystyczną cechą wyładowania jarzeniowego jest osobliwy rozkład potencjału na całej długości przerwy międzyelektrodowej. Rozkład potencjału prowadzi do tego, 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.

Rozważmy różne części wyładowania. Począwszy od katody do anody.

Obszar katody wyładowania.

Elektrony potrzebne do utrzymania wyładowania są emitowane głównie podczas bombardowania katody jonami dodatnimi. Elektrony wtórne opuszczają katodę z małymi prędkościami, w wyniku czego (w pobliżu powierzchni tworzą ujemny ładunek przestrzenny) nie mają jeszcze wystarczającej energii do wzbudzenia cząsteczek gazu, dlatego cząsteczki nie promieniują i powstaje ciemna przestrzeń bezpośrednio na powierzchni katody, wypełnionej wolnymi elektronami. Ta bardzo cienka, nieświecąca warstwa gazu nazywana jest ciemną przestrzenią Astona. Prąd w tym rejonie generowany jest głównie przez jony dodatnie.

Ponadto elektron jest przyspieszany przez pole, energia kinetyczna elektronów staje się wystarczająca do wzbudzenia cząsteczek gazu, a to powoduje pojawienie się cienkiej świecącej warstwy gazu, zwanej pierwszą poświatą katodową. W tym obszarze elektrony częściowo lub całkowicie tracą prędkość podczas zderzeń. Dlatego za pierwszym jarzeniem katodowym powstaje kolejna ciemna przestrzeń katodowa. W tym rejonie zachodzi słaba rekombinacja elektronów z jonami dodatnimi, więc występuje tutaj bardzo słabe promieniowanie. W ciemnej przestrzeni katodowej elektrony są silnie przyspieszane do prędkości, przy których intensywnie jonizują molekuły gazu i w konsekwencji mnożą się.

Na końcu drugiej ciemnej przestrzeni katodowej liczba elektronów jest już tak duża, że ​​prąd jest prawie całkowicie przenoszony przez elektrony i wyraźnie redukują one dodatni ładunek przestrzeni, nawet tworząc obszar o ujemnym ładunku kosmicznym. W tym rejonie dalsze przyspieszanie elektronów ustaje, a energia zgromadzona w rejonie drugiej ciemnej przestrzeni katodowej jest zużywana głównie na intensywne wzbudzanie i jonizację molekuł. Dzieje się to w obszarze drugiego jarzenia katody (negatywne jarzenie katody). W wyniku tego energia elektronów maleje, stopniowo maleje również intensywność wzbudzenia i jonizacji, a zatem liczba elektronów maleje (oraz w wyniku rekombinacji i dyfuzji), tak że ujemny ładunek przestrzenny zanika. W związku z tym zmienia się natężenie pola elektrycznego iw momencie zaniku ładunku ujemnego E przyjmuje stałą wartość (około 1 V/cm) i nie zmienia się do obszaru anodowego ładunku. W tym miejscu zaczyna się dodatnia kolumna wyładowania jarzeniowego.

Przestrzeń zajmowana przez ciemną przestrzeń Astona przez pierwsze jarzenie katody i drugą ciemną przestrzeń nazywa się obszarem opadania katody. Jak widać na rysunku, spadek potencjału między 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 10mm i U=100-250V.

W normalnym wyładowaniu jarzeniowym gęstość prądu pozostaje stała, gdy prąd wyładowania wzrasta lub maleje. Ale to zależy od ciśnienia Р i zmienia się zgodnie z prawem P 2 . Na przykład przy P = 1 mm Hg. średnia gęstość J\u003d 0,1 mA / cm2 \u003d 1 104 A / cm2. Ale J zależy również od rodzaju gazu i materiału katody. Z I=jS wynika z tego, że przy małym prądzie część obszaru bierze udział w wyładowaniu.

W tych warunkach spadek potencjału katody Uk pozostaje stały. Dla zakresu ciśnienia od 1-10 mmHg. wartość U k nie zależy od ciśnienia i jest jednoznacznie określona przez rodzaj materiału gazowego i katody. Przykłady

Wraz ze wzrostem prądu rozładowania przychodzi moment, w którym cały obszar katody bierze udział w rozładowaniu, od tego momentu, przy dalszym wzroście prądu, zaczyna się wzrost spadku potencjału katody. Natężenie pola E wzrasta aż do uzyskania niezbędnej jonizacji w celu podtrzymania wzrostu prądu. W tych warunkach normalne wyładowanie jarzeniowe przekształca się w anomalne wyładowanie jarzeniowe.

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

Pozytywny post.

Dodatnia kolumna składa się z plazmy, a plazma jest neutralnym medium przewodzącym elektryczność. Dlatego kolumna z dodatnim jarzeniem pełni rolę zwykłego przewodnika łączącego obszar przykatodowy z częścią wyładowania w pobliżu anody. W przeciwieństwie do innych części wyładowania jarzeniowego, które mają określone wymiary i strukturę w zależności od rodzaju gazu, jego ciśnienia i gęstości prądu wyładowania, o długości kolumny dodatniej decydują wymiary komory wyładowczej oraz budowa kolumna jest zjonizowanym gazem ( n e ≈ n i), tj. może mieć dowolną długość. Natężenie pola wynosi około 1 V/cm i ma tendencję do wzrostu wraz ze wzrostem ciśnienia. Intensywność zmienia się również wraz ze zmianą promienia komory (rurki) - ściskanie wyładowania zwiększa pole: E zawsze przyjmuje wartość wystarczającą do utrzymania stopnia jonizacji w kolumnie, który jest potrzebny do stacjonarnego spalania wyładowania . Energia w kolumnie jest wystarczająca do jonizacji. A proces jonizacji kompensuje utratę elektronów i jonów w wyniku rekombinacji i dyfuzji, po której następuje neutralizacja na elektrodach i ścianach komory, z wszystkimi tymi procesami związany jest blask kolumny dodatniej. W przeciwieństwie do innych części, w dodatniej kolumnie wyładowania jarzeniowego chaotyczny ruch naładowanych cząstek przeważa nad skierowanym.

region anody.

Anoda przyciąga elektrony z kolumny dodatniej i w pobliżu miejsca wiązania powstaje ujemny ładunek przestrzenny oraz wzrost natężenia pola, w wyniku czego prąd rozładowania jest przenoszony na powierzchnię anody. Obszar kropli anody jest pasywną częścią wyładowania. Anoda nie emituje ładunków. Wyładowanie jarzeniowe może istnieć bez obszaru anody, jak również bez kolumny dodatniej. Dodatnia kolumna wyładowania nie zależy od procesów przyelektrodowych. Różnica między częściami katodowymi polega głównie na ukierunkowanym ruchu elektronów i jonów.

Zastosowanie wyładowania jarzeniowego.

Wyładowanie jarzeniowe w rozrzedzonych gazach znajduje różne zastosowania w wypełnionych gazem prostownikach, przetwornikach, wskaźnikach, stabilizatorach napięcia i fluorescencyjnych lampach gazowych. Np. w neonówkach (do celów sygnalizacyjnych) w neonach stosuje się wyładowanie jarzeniowe, elektrody pokryte są warstwą baru i mają katodowy spadek potencjału rzędu 70 V i zapalają się po włączeniu w sieci oświetleniowej .

W lampach fluorescencyjnych wyładowanie jarzeniowe występuje w oparach rtęci. Promieniowanie par rtęci jest pochłaniane przez warstwę luminoforu, która pokrywa wewnętrzną powierzchnię lampy gazowej.

Wyładowanie jarzeniowe jest również wykorzystywane do napylania katodowego metali. Powierzchnia katody podczas wyładowania jarzeniowego, w wyniku bombardowania dodatnimi jonami gazu, jest silnie nagrzewana w oddzielnych małych obszarach i dlatego stopniowo przechodzi w stan pary. Umieszczając przedmioty w pobliżu katody wyładowczej, można je pokryć jednolitą warstwą metalu.

W ostatnich latach wyładowanie jarzeniowe znalazło zastosowanie w chemii plazmy i technologii laserowej. W nich wyładowanie jarzeniowe jest używane w trybie nienormalnym przy podwyższonym ciśnieniu.

1. p = 6,7 kPa 50 mm. rt. Sztuka.

v= 15,7 m/s

2. p = 8 kPa 60 mm. rt. Sztuka.

v= 21m/s

Typowa charakterystyka woltamperowa wyładowania jarzeniowego w poprzecznym przepływie powietrza.

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