Искровой разряд это кратко
Обновлено: 05.07.2024
В зависимости от давления газа, конфигурации электродов и параметров внешней цепи существует четыре типа самостоятельных разрядов:
- тлеющий разряд;
- искровой разряд;
- дуговой разряд;
- коронный разряд.
1. Тлеющий разряд возникает при низких давлениях. Его можно наблюдать в стеклянной трубке с впаянными у концов плоскими металлическими электродами (рис. 8.5). Вблизи катода располагается тонкий светящийся слой, называемый катодной светящейся пленкой 2.
Между катодом и пленкой находится астоново темное пространство 1. Справа от светящейся пленки помещается слабо светящийся слой, называемый катодным темным пространством 3. Этот слой переходит в светящуюся область, которую называют тлеющим свечением 4, с тлеющим пространством граничит тёмный промежуток – фарадеево тёмное пространство 5. Все перечисленные слои образуют катодную часть тлеющего разряда. Вся остальная часть трубки заполнена святящимся газом. Эту часть называют положительным столбом 6.
При понижении давления катодная часть разряда и фарадеево тёмное пространство увеличивается, а положительный столб укорачивается.
Измерения показали, что почти все падения потенциала приходятся на первые три участка разряда (астоново темное пространство, катодная святящаяся плёнка и катодное тёмное пятно). Эту часть напряжения, приложенного к трубке, называют катодным падением потенциала.
В области тлеющего свечения потенциал не изменяется – здесь напряженность поля равна нулю. Наконец, в фарадеевом тёмном пространстве и положительном столбе потенциал медленно растёт.
Такое распределение потенциала вызвано образованием в катодном темном пространстве положительного пространственного заряда, обусловленного повышенной концентрацией положительных ионов.
Положительные ионы, ускоренные катодным падением потенциала, бомбардируют катод и выбивают из него электроны. В астоновом темном пространстве эти электроны, пролетевшие без столкновений в область катодного тёмного пространства, имеют большую энергию, вследствие чего они чаще ионизируют молекулы, чем возбуждают. Т.е. интенсивность свечения газа уменьшается, но зато образуется много электронов и положительных ионов. Образовавшиеся ионы в начале имеют очень малую скорость и потому в катодном тёмном пространстве создаётся положительный пространственный заряд, что и приводит к перераспределению потенциала вдоль трубки и к возникновению катодного падения потенциала.
Электроны, возникшие в катодном тёмном пространстве, проникают в область тлеющего свечения, которая характеризуется высокой концентрацией электронов и положительных ионов коленарным пространственным зарядом, близким к нулю (плазма). Поэтому напряженность поля здесь очень мала. В области тлеющего свечения идёт интенсивный процесс рекомбинации, сопровождающийся излучением выделяющейся при этом энергии. Таким образом, тлеющее свечение есть, в основном, свечение рекомбинации.
Из области тлеющего свечения в фарадеево тёмное пространство электроны и ионы проникают за счёт диффузии. Вероятность рекомбинации здесь сильно падает, т.к. концентрация заряженных частиц невелика. Поэтому в фарадеевом тёмном пространстве имеется поле. Увлекаемые этим полем электроны накапливают энергию и часто в конце концов возникают условия, необходимые для существования плазмы. Положительный столб представляет собой газоразрядную плазму. Он выполняет роль проводника, соединяющего анод с катодными частями разряда. Свечение положительного столба вызвано, в основном, переходами возбужденных молекул в основное состояние.
2. Искровой разряд возникает в газе обычно при давлениях порядка атмосферного. Он характеризуется прерывистой формой. По внешнему виду искровой разряд представляет собой пучок ярких зигзагообразных разветвляющихся тонких полос, мгновенно пронизывающих разрядный промежуток, быстро гаснущих и постоянно сменяющих друг друга (рис. 8.6). Эти полоски называют искровыми каналами.
Тгаза = 10 000 К
В естественных природных условиях искровой разряд наблюдается в виде молнии. На рисунке 8.7 изображен пример искрового разряда – молния, продолжительностью 0,2 ÷ 0,3 с силой тока 10 4 – 10 5 А, длиной 20 км (рис. 8.7).
3. Дуговой разряд. Если после получения искрового разряда от мощного источника постепенно уменьшать расстояние между электродами, то разряд из прерывистого становится непрерывным, возникает новая форма газового разряда, называемая дуговым разрядом (рис. 8.8).
 |  | |
| ~ 10 3 А | ||
| Рис. 8.8 | ||
При этом ток резко увеличивается, достигая десятков и сотен ампер, а напряжение на разрядном промежутке падает до нескольких десятков вольт. Согласно В.Ф. Литкевичу (1872 – 1951), дуговой разряд поддерживается, главным образом, за счет термоэлектронной эмиссии с поверхности катода. На практике – это сварка, мощные дуговые печи.
4. Коронный разряд (рис. 8.9).возникает в сильном неоднородном электрическом поле при сравнительно высоких давлениях газа (порядка атмосферного). Такое поле можно получить между двумя электродами, поверхность одного из которых обладает большой кривизной (тонкая проволочка, острие).
 |  |
Наличие второго электрода необязательна, но его роль могут играть ближайшие, окружающие заземленные металлические предметы. Когда электрическое поле вблизи электрода с большой кривизной достигает примерно 3∙10 6 В/м, вокруг него возникает свечение, имеющее вид оболочки или короны, откуда и произошло название заряда.
Природу искрового разряда , условия его возникновения разберём, рассмотрев установку, состоящую из электрической машины (электростатического генератора), конденсаторов, электрометра.
Электроды в виде шариков (шариковые электроды) подсоединены к батарее конденсаторов, заряжающихся от электростатического генератора. На один шарик подаётся положительный заряд, на другой - отрицательный , то есть в пространстве между шариковыми электродами существует разность потенциалов - электрическое поле , характеризующееся напряжением (разностью потенциалов) и связанной с ним напряжённостью (см. Занятие 50 ).
Скажем основное об электростатическом генераторе , которым широко пользуются в школах и других учебных заведениях.
Электростатический генератор состоит из двух соосных дисков, выполненных из диэлектрического материала. С помощью ручки диски вращаются в противоположных направлениях. Если есть трение, то диски электризуются. Но главную роль в генерировании и разделении зарядов (в превращении механической энергии в электрическую) играет явление электростатической индукции . Наведённые заряды появляются на проводящих секторах, нанесённых на диэлектрические диски, при вращении дисков. Электростатический генератор позволяет получать очень высокое напряжение между шариковыми электродами.
Вернёмся к первому рисунку.
Опыты показывают, что при напряжённости электростатического поля около 3 МВ/м (или 30 кВ/см) между электродами проскакивает электрическая искра (наблюдается искровой разряд или искровой пробой воздуха).
Напряжение, при котором происходит искровой разряд называется напряжением пробоя .
При этом напряжении воздух (газ) скачком теряет свои диэлектрические свойства, становясь проводником. Между электродами проходит электрический ток (возникает ионная лавина). Почему она возникает? Объясняется это следующим.
В воздухе (газе) всегда есть некоторое количество электронов и ионов, которые в электрическом поле между электродами приходят в движение. Но их очень мало, и при малом напряжении между электродами тока практически нет, газ остаётся диэлектриком. Ионы и электроны при своём движении, конечно, сталкиваются с нейтральными молекулами газа, но это столкновение будет упругим .
При большом напряжении между электродами (напряжении пробоя ) электроны и ионы получают такие энергии, что способны при ударе ионизовать нейтральные молекулы газа.
Происходит ударная ионизация , в результате которой количество электронов и ионов очень быстро (как ионная лавина) растёт - между электродами образуется кратковременный импульс тока большой силы - газ становится хорошим проводником.
Следующие два рисунка демонстрируют образование "ионной лавины".
Свободный электрон 1 при соударении с нейтральной молекулой расщепляет её на электрон 2 и свободный положительный ион. Электроны 1 и 2 при дальнейшем соударении с нейтральными молекулами снова расщепляют их на электроны и положительные ионы и т. д.
На этом рисунке показано образование ионной лавины при соударении положительных ионов с нейтральными молекулами.
Процесс образования свободных электронов и ионов усиливает сам себя, и ионизация в газе идёт очень быстро.
Образование ионной лавины и есть процесс искрового пробоя.
Искровой пробой сопровождается характерным треском . Это звуковые волны , которые возникают при внезапном расширении нагретого до высокой температуры газа.
То же самое происходит при искровом разряде статического электричества, например, при снятии шерстяной или синтетической одежды в темноте мы видим искорки и слышим треск.
Молния - это искровой разряд огромной мощности в атмосфере, происходящий между сильно наэлектризованными грозовыми облаками, заряженными противоположными знаками.
Причиной электризации грозовых облаков является трение между каплями и льдинками , из которых состоят облака. Эти частички находятся в постоянном движении, поднимаясь от Земли потоком тёплого воздуха.
Молнии ударяют и в Землю. Это происходит, когда заряженное грозовое облако индуцирует на поверхности Земли заряды противоположного знака. Когда напряжение электрического поля между облаком и Землёй станет достаточно большим, то происходит пробой - молния ударяет в Землю. Из - за очень высокой температуры воздух канала молнии сильно расширяется - возникает звуковая волна (гром).
Как защититься от молнии? Для защиты зданий от попадания молнии ставят громоотводы (молниеотводы).
Молниеотвод представляет собой тонкий металлический стержень (или проволоку), заострённый на одном конце, который укрепляется выше самой высокой точки здания. Другой конец молниеотвода заземлён (припаян к металлическому листу, закопанному в землю на уровне подземных вод).
Посмотрим, как молниеотвод способствует отведению молнии.
Во время грозы на Земле возникают индукционные заряды - образуется сильное электрическое поле между грозовым заряженным облаком и Землёй. Особенно сильное поле создаётся вблизи острых возвышающихся проводящих предметов, в том числе и вблизи заострённого конца молниеотвода, сопровождающееся ионизацией молекул воздуха.
Ионы противоположного знака (знаку заряда, индуцированного на острие) притягиваются к проводнику молниеотвода и уходят в землю . Ионы же одного знака с зарядом острия отталкиваются от острия, увлекая за собой нейтральные молекулы воздуха.
Создаётся ощущение движения газа, названного электрическим ветром . Заряд проводника уменьшается, он как бы стекает с острия . В результате угроза удара молнии в остриё проводника уменьшается. Если молния всё же ударит в остриё, то заряд уйдёт в Землю, не причинив вреда зданию.
Как человеку уберечься от молнии?
Если во время грозы окажемся на улице, то не надо находиться вблизи металлических предметов и возвышающихся предметов. Надо отключить мобильную связь, так как электромагнитные волны притягивают молнию. Не надо продолжать движение на велосипеде, мотоцикле. Следует отойти от них подальше. Находясь в машине во время грозы, следует отключить радиоприёмник, антенну, мобильник. Не надо открывать дверь, так как индукционные заряды распределяются по внешней поверхности проводника.
Здоровью человека вредят и статические заряды, возникающие на теле при контакте и работе с диэлектрическими материалами, например, при длительной работе с сыпучими материалами на пластиковых столах.
На предприятиях принимаются меры для уменьшения статического электричества. Заземляют рабочие столы, оборудование (в землю уходят и положительные, и отрицательные заряды). Делают проводящие полы и коврики, повышают влажность воздуха, применяют одежду из хлопка и принимают другие меры.
Итак, искровой разряд или искровой пробой диэлектрика - это процесс образования ионной лавины, образование кратковременного импульса тока большой силы. Происходит искровой разряд при определённом значении напряжённости электрического поля. Быстрый сильный нагрев газа приводит к резкому повышению его давления и сопровождается звуковыми явлениями, от слабого треска при искре малой мощности до грома, сопровождающего молнию.
Подписывайтесь на канал. Ставьте лайки. Пишите комментарии. Сообщите друзьям о существовании этого канала.
Предыдущая запись : Почему, находясь в электрическом поле Земли, мы не ощущаем его?
Следующая запись : Занятие 51 . Почему диэлектрик ослабляет внутри себя внешнее электрическое поле? Поляризация диэлектриков.
В зависимости от давления газа, конфигурации электродов, параметров внешней цепи можно говорить о четырех типах самостоятельного разряда: тлеющем, искровом, дуговом и коронном.
1. Тлеющий разряд возникает при низких давлениях. Если к электродам, впаянным в стеклянную трубку длиной 30 – 50 см, приложить постоянное напряжение в несколько сотен вольт, постепенно откачивая из трубки воздух, то при давлении кПа возникает разряд в виде светящегося извилистого шнура красноватого цвета, идущего от катода к аноду. При дальнейшем понижении давления шнур утолщается, и при давлении Па разряд имеет вид, схематически изображенный на рис. 40.1.
Непосредственно к катоду прилегает тонкий светящийся слой 1 – первое катодное свечение, или катодная пленка, затем следует темный слой 2 – катодное темное пространство, переходящее в дальнейшем в светящийся слой 3 – тлеющее свечение, имеющее резкую границу со стороны катода, постепенно исчезающую со стороны анода. Оно возникает из-за рекомбинации электронов с положительными ионами. С тлеющим свечением граничит темный промежуток 4 – фарадеево темное пространство, за которым следует столб ионизированного светящегося газа 5 – положительный столб. Положительный столб существенной роли в поддержании разряда не имеет. Например, при уменьшении расстояния между электродами трубки его длина сокращается, в то время как катодные части разряда по форме и величине остаются неизменными. В тлеющем разряде особое значение для его поддержания имеют только две его части: катодное темное пространство и тлеющее свечение. В катодном темном пространстве происходит сильное ускорение электронов и положительных ионов, выбивающих электроны с катода (вторичная эмиссия). В области тлеющего свечения же происходит ударная ионизация электронами молекул газа. Образующиеся при этом положительные ионы устремляются к катоду и выбивают из него новые электроны, которые, в свою очередь, опять ионизируют газ и т.д. Таким образом, непрерывно поддерживается тлеющий разряд.
При дальнейшем откачивании трубки при давлении Па свечение газа ослабевает и начинают светиться стенки трубки. Электроны, выбиваемые из катода положительными ионами, при таких разрежениях редко сталкиваются с молекулами газа и поэтому, ускоренные полем, ударяясь о стекло, вызывают его свечение, так называемую катодолюминесценцию. Поток этих электронов исторически получил название катодных лучей. Если в катоде просверлить малые отверстия, то положительные ионы, бомбардирующие катод, пройдя через отверстия проникают в пространство за катодом и образуют резко ограниченный пучок, получивший название каналовых (или положительных) лучей, названных по знаку заряда, который они несут.
Тлеющий разряд широко используется в технике. Так как свечение положительного столба имеет характерный для каждого газа цвет, то его используют в газосветных трубках для светящихся надписей и реклам (например, неоновые газоразрядные трубки дают красное свечение, аргоновые – синевато-зеленое). В лампах дневного света, более экономичных, чем лампы накаливания, излучение тлеющего разряда, происходящее в парах ртути, поглощается нанесенным на внутреннюю поверхность трубки флуоресцирующим веществом (люминофором), начинающим под воздействием поглощенного излучения светиться. Спектр свечения при соответствующем подборе люминофоров близок к спектру солнечного излучения. Тлеющий разряд используется для катодного напыления металлов. Вещество катода в тлеющем разряде вследствие бомбардировки положительными ионами, сильно нагреваясь, переходит в парообразное достояние. Помещая вблизи катода различные предметы, их можно покрыть равномерным слоем металла.
2. Искровой разряд возникает при больших напряженностях электрического поля в газе, находящемся под давлением порядка атмосферного. Искра имеет вид ярко светящегося тонкого канала, сложным образом изогнутого и разветвленного.
Объяснение искрового разряда дается на основе стримерной теории, согласно которой возникновению ярко светящегося канала искры предшествует появление слабосветящихся скоплений ионизованного газа – стримеров. Стримеры возникают не только в результате образования электронных лавин посредством ударной ионизации, но и в результате фотонной ионизации газа. Лавины, догоняя друг друга, образуют проводящие мостики из стримеров, по которым в следующие моменты времени и устремляются мощные потоки электронов, образующие каналы искрового разряда. Из-за выделения при рассмотренных процессах большого количества энергии газ в искровом промежутке нагревается до очень высокой температуры , что приводит к его свечению. Быстрый нагрев газа ведет к повышению давления и возникновению ударных волн, объясняющих звуковые эффекты при искровом разряде – характерное потрескивание в слабых разрядах и мощные раскаты грома в случае молнии, являющейся примером мощного искрового разряда между грозовым облаком и Землей или между двумя грозовыми облаками.
Искровой разряд используется для воспламенения горючей смеси в двигателях внутреннего сгорания и предохранения электрических линий передачи от перенапряжений (искровые разрядники). При малой длине разрядного промежутка искровой разряд вызывает разрушение (эрозию) поверхности металла, поэтому он применяется для электроискровой точной обработки металлов (резание, сверление). Его используют в спектральном анализе для регистрации заряженных частиц (искровые счетчики).
3. Дуговой разряд. Если после зажигания искрового разряда от мощного источника постепенно уменьшать расстояние между электродами, то разряд становится непрерывным – возникает дуговой разряд. При этом сила тока резко возрастает, достигая сотен ампер, а напряжение на разрядном промежутке падает до нескольких десятков вольт. Дуговой разряд можно получить от источника низкого напряжения минуя стадию искры. Для этого электроды (например, угольные) сближают до соприкосновения, они сильно раскаляются электрическим током, потом их разводят и получают электрическую дугу (именно так она была открыта В. В. Петровым). При атмосферном давлении температура катода приблизительно равна 3900 К. По мере горения дуги и угольный катод заостряется, а на аноде образуется углубление – кратер, являющийся наиболее горячим местом дуги.
По современным представлениям, дуговой разряд поддерживается за счет высокой температуры катода из-за интенсивной термоэлектронной эмиссии, а также термической ионизации молекул, обусловленной высокой температурой газа.
Дуговой разряд находит широкое применение для сварки и резки металлов, получения высококачественных сталей (дуговая печь) и освещения (прожекторы, проекционная аппаратура). Широко применяются также дуговые лампы с ртутными электродами в кварцевых баллонах, где дуговой разряд возникает в ртутном паре при откачанном воздухе. Дуга, возникающая в ртутном паре, является мощным источником ультрафиолетового излучения и используется в медицине (например, кварцевые лампы). Дуговой разряд при низких давлениях в парах ртути используется в ртутных выпрямителях для выпрямления переменного тока.
4. Коронный разряд – высоковольтный электрический разряд при высоком (например, атмосферном) давлении в резко неоднородном поле вблизи электродов с большой кривизной поверхности (например, острия). Когда напряженность поля вблизи острия достигает 30 кВ/см, то вокруг него возникает свечение, имеющее вид короны, чем и вызвано название этого вида разряда.
В зависимости от знака коронирующего электрода различают отрицательную или положительную корону. В случае отрицательной короны рождение электронов, вызывающих ударную ионизацию молекул газа, происходит за счет эмиссии их из катода под действием положительных ионов, в случае положительной – вследствие ионизации газа вблизи анода. В естественных условиях корона возникает под влиянием атмосферного электричества у вершин мачт (на этом основано действие молниеотводов), деревьев. Вредное действие короны вокруг проводов высоковольтных линий передачи проявляется в возникновении вредных токов утечки. Для их снижения провода высоковольтных линий делаются толстыми. Коронный разряд, являясь прерывистым, становится также источником радиопомех.
Используется коронный разряд в электрофильтрах, применяемых для очистки промышленных газов от примесей. Газ, подвергаемый очистке, движется снизу вверх в вертикальном цилиндре, по оси которого расположена коронирующая проволока. Ионы, имеющиеся в большом количестве во внешней части короны, оседают на частицах примеси и увлекаются полем к внешнему некоронирующему электроду и на нем оседают. Коронный разряд применяется также при нанесении порошковых и лакокрасочных покрытий.
Существует несколько типов самостоятельного разового разряда:
1. Тлеющий разряд
2. Коронный разряд
3. Искровой разряд
4. Дуговой разряд.
Рассмотрим следующую установку для исследования самостоятельного разряда.
Установка представляет собой стеклянную трубку, запаянную с обоих концов. Длина трубки приблизительно полуметра. На концах трубки катод и анод. Также, помимо всего прочего, к трубке присоединен патрубок для откачивания воздуха.
Электроды трубки присоединяют к источнику постоянного тока с очень высоким напряжением, порядка несколько тысяч вольт.
В обычных условиях тока в трубке не будет. Напряжения в несколько тысяч вольт будет недостаточно, чтобы пробить газовый промежуток длиной около полуметра.
Теперь начнем откачивать воздух из трубки, тем самым разряжая его. Давление внутри трубки будет уменьшаться. На уровне 100 мм рт. ст. между катодом и анодом появится разряд в виде светящейся змейки. Чем сильнее мы будем уменьшать давление, тем шире и ярче будет становиться змейка.
Дойдя до отметки в 1-2 мм. рт. ст. будет возникать тлеющий разряд. В тлеющем разряде можно выделить 4 области: а – катодное темное пространство, б – тлеющее сечение, в – фарадеево темное пространство, г – положительный столб разряда.
На следующем рисунке представлен общий вид этих областей в трубке, и график напряжения в зависимости от области.
Тлеющий разряд
Видно, что вблизи катода в области в происходит резкое падение катодного потенциала. Это является наиболее характерным признаком для тлеющего разряда.
Тлеющий разряд применяется в различных трубках, изготовленных для рекламы. В зависимости от наполнителя, они будут светиться различными цветами. А наиболее важной областью применения тлеющего разряда являются газовые лазеры.
Коронный разряд
Коронный разряд возникает в газе при атмосферном давлении. При этом газ должен находиться в неоднородном поле. По форме он часто напоминает корону. Появляется близи остриев различных предметов, проводов линий высокого напряжения.
Чем больше будет кривизна проводника, тем выше будет плотность заряда. На острие будет наблюдаться максимальная плотность заряда.
При увеличении напряжения коронный заряд может принять вид светящейся кисти, в таких случаях его еще называют кистевым разрядом.
В технике приходится часто учитывать это явление, если идет речь о высоком напряжении. Если будут выступающие части или тонкие провода, то может начаться коронный разряд. Поэтому при проектировке высоковольтных линий следует использовать толстые провода, и чем больше напряжение, тем толще провод.
Искровой разряд
Искровой разряд появляется при атмосферном давлении вследствие пробоя слоя воздуха между электродами, при подаче на них очень высокого напряжения.
При искровом разряде в газе возникают стриммеры. Стриммеры – это каналы ионизированного газа, имеющие вид прерывистых зигзагообразных ярких нитей. При этом наблюдается свечение газа и выделения большого количества теплоты. Газ начинает расширяться, и расширяясь, газ будет излучать звуковые волны.
После пробоя газа, напряжение на электродах резко падает. Ярким примером искрового разряда является молния и сопровождающий её гром. В случае молнии электродами выступают либо облака, либо облако и Земля.
Искровой разряд также как и другие виды самостоятельного газового разряда используется в технике. Например, для зажигания горючего в двигателях внутреннего сгорания или для электроискровой обработки металлов.
Дуговой разряд
Возникает в воздухе при атмосферном давлении и невысоких напряжениях. Имеет форму дуги, за что и получил свое название. Электрическая дуга впервые получена русским ученым В.В. Петровым.
Основной причиной ионизации газа в этом случае является термоэлектронная эмиссия. Широкое применение наше дуговой разряд в технике. Он используется для сварки метла, а также в электропечах - для плавки металлов.
Читайте также: