Электрический разряд в газах

Электрический разряд в газах возникает, когда электрический ток протекает через газообразная среда из-за ионизации газа. В зависимости от нескольких факторов разряд может излучать видимый свет. Свойства электрических разрядов в газах изучаются в связи с проектированием источников освещения и проектирования высоковольтного электрооборудования.

Типы разрядов

Эффект лавины между двумя электродами. Первоначальное событие ионизации высвобождает один электрон, а каждое последующее столкновение освобождает еще один электрон, поэтому при каждом столкновении появляются два электрона: ионизирующий электрон и высвободившийся электрон. Переход от тлеющего разряда к дуговому в аргоне за счет увеличения давление газа. Вольт-амперная характеристика электрического разряда в неоне при давлении 1 торр, с двумя плоскими электродами, разделенными на 50 см.. A: случайные импульсы космического излучения. B: насыщение ток. C: лавинный Таунсендский разряд. D: самоподдерживающийся Таунсендский разряд. E: нестабильная область: коронный разряд. F: субнормальный тлеющий разряд. G: нормальный тлеющий разряд. H: аномальный тлеющий разряд. I: нестабильная область: переход тлеющий-дуга. J: электрическая дуга. K: электрическая дуга. Область AD называется темным разрядом; есть некоторая ионизация, но сила тока ниже 10 микроампер и не происходит значительного количества излучения.. Область F-H представляет собой область тлеющего разряда; плазма излучает слабое свечение, которое занимает почти весь объем трубки; большая часть света излучается возбужденными нейтральными атомами.. Область I-K - это область дугового разряда; плазма концентрируется в узком канале по центру трубки; выделяется большое количество излучения.

В лампах с холодным катодом электрический разряд в газе имеет три области с четкими вольт-амперными характеристиками :

• I: разряда Таунсенда, ниже напряжение пробоя . При низких напряжениях единственным током является ток, возникающий из-за генерации носителей заряда в газе космическими лучами или другими источниками ионизирующего излучения. По мере увеличения приложенного напряжения свободные электроны, несущие ток, набирают достаточно энергии, чтобы вызвать дополнительную ионизацию, вызывая электронную лавину. В этом режиме ток увеличивается от фемтоампер до микроампер, то есть на девять порядков, для очень небольшого дальнейшего увеличения напряжения. Вольт-амперная характеристика начинает сужаться около напряжения пробоя, и свечение становится видимым.
• II: тлеющий разряд, который возникает при достижении напряжения пробоя. Напряжение на электродах внезапно падает, а сила тока увеличивается до миллиампер. При более низких токах напряжение на трубке практически не зависит от тока; это используется в лампах регулятора напряжения тлеющего разряда . При меньших токах площадь электродов, покрываемых тлеющим разрядом, пропорциональна току. При более высоких токах нормальное свечение превращается в, напряжение на трубке постепенно увеличивается, и тлеющий разряд покрывает все большую и большую поверхность электродов. В этой области работают маломощные устройства переключения (тиратроны тлеющего разряда), стабилизации напряжения и освещения (например, лампы Никси, декатроны, неоновые лампы ).
• III : дуговый разряд, возникающий в амперном диапазоне тока; напряжение на трубке падает с увеличением тока. Сильноточные коммутационные лампы, например срабатывающий искровой разрядник, игнитрон, тиратрон и критрон (и его вакуумная трубка производная, спритрон, используя вакуумную дугу ), высокомощные ртутно-дуговые клапаны и источники света большой мощности, например ртутные лампы и металлогалогенные лампы работают в этом диапазоне.

Тлеющий разряд обеспечивается за счет ударов электронов об атомах газа и их ионизации. Для образования тлеющего разряда средний свободный пробег электронов должен быть достаточно большим, но меньше расстояния между электродами; Поэтому тлеющие разряды не всегда возникают как при слишком низком, так и при слишком высоком давлении газа.

Пробивное напряжение для тлеющего разряда нелинейно зависит от произведения давления газа и расстояния между электродами в соответствии с законом Пашена. Для определенного значения давления × расстояния существует наименьшее напряжение пробоя. Увеличение напряжения удара для более коротких расстояний между электродами связано со слишком большой длиной свободного пробега электронов по сравнению с расстоянием между электродами.

Небольшое количество радиоактивного элемента может быть добавлено в трубку либо как отдельный кусок материала (например, никель-63 в krytrons ), либо как добавка. к сплаву электродов (например, торий ) для предварительной ионизации газа и повышения надежности электрического пробоя и зажигания тлеющего или дугового разряда. Газообразный радиоактивный изотоп, например криптон-85, также можно использовать. Также можно использовать электроды зажигания и электроды поддерживающего разряда.

Отношение E / N между электрическим полем E и концентрацией нейтральных частиц N часто используется, потому что средняя энергия электронов (и, следовательно, многие другие свойства разряда) являются функцией E / N. Увеличение электрической напряженности E в некоторый q раз имеет те же последствия, что и уменьшение плотности газа N в q раз.

Его единица СИ - В · см, но часто используется единица Таунсенда (Тд).

Применение в аналоговых вычислениях

Использование тлеющего разряда для решения определенных задач картографирования было описано в 2002 году. Согласно статье в журнале Nature, описывающей работу, исследователи Имперского колледжа Лондона продемонстрировали, как они построили мини-карту, которая показывает туристам световые указатели маршрута. Чтобы создать однодюймовую лондонскую фишку, команда нанесла план центра города на стеклянную пластину. Установка плоской крышки сверху превратила улицы в полые соединенные трубы. Они заполнили их гелием и вставили электроды в ключевые туристические центры. Когда напряжение подается между двумя точками, электричество естественным образом проходит по улицам по кратчайшему маршруту от A до B, и газ светится, как крошечная светящаяся полоска. Сам подход обеспечивает новый подход к видимым аналоговым вычислениям для решения широкого класса задач поиска лабиринтов, основанных на свойствах зажигания тлеющего разряда в микрожидкостном чипе.

Ссылки