Descărcarea electrică în gaze
Dispozitivele cu descărcare gazoasă (ionice) se numesc dispozitive electrovacuum cu descărcare electrică în gaz sau vapori. Ca regulă, gazul din astfel de dispozitive este sub presiune redusă. O descărcare electrică într-un gaz este un set de fenomene care însoțesc trecerea unui curent electric printr-un gaz (sau vapori). Cu această descărcare, există mai multe procese de bază.
Excitarea atomilor. Atunci când un atom este excitat sub impactul unui electron, unul dintre electronii atomului trece pe o orbită mai departe de nucleu, adică mai mult
nivel ridicat de energie. Astfel de atomi de stare excitată durează de obicei 10 -7 -10 -9 secunde, apoi a revenit la orbita normală de electroni și astfel oferă o formă de radiații de energie, care este primit atom în cazul excitării cu impact de electroni. Radiația este însoțită de gaz strălucitor, în cazul în care grinzile sunt porțiunea vizibilă a spectrului electromagnetic.
Pentru ca atomul să devină excitat, electronul izbitoare trebuie să aibă o anumită energie, așa-numita energie de excitație.
Ionizare. Ionizarea atomilor (sau a moleculelor) unui gaz apare la o energie a electronului de lovire mai mare decât energia de excitație. Ca urmare a ionizării, un electron este scos din atom. În consecință, în spațiu vor exista doi electroni liberi, iar atomul în sine se va transforma într-un ion pozitiv. Dacă acești doi electroni liberi, atunci când se mișcă într-un câmp de accelerare, obțin suficientă energie, atunci fiecare dintre ei poate ioniza un atom nou. Apoi vor exista patru electroni liberi și trei ioni. Acești electroni pot produce din nou ionizarea. Astfel, există o creștere de tip avalanșă a numărului de electroni și ioni.
Este posibilă și ionizarea în trepte. Din impactul unui electron, atomul intră într-o stare excitat și, după ce nu sa întors în starea sa normală, ionizează din impactul celui de-al doilea electron. Creșterea numărului de particule încărcate datorită ionizării se numește electrizarea gazului.
Mai jos sunt valorile energiilor de excitație și de ionizare (în electron volți) pentru unele gaze:
Recombinarea. Odată cu ionizarea în gaz, are loc și procesul invers de neutralizare a încărcărilor opuse în semn. Ionii pozitivi și electronii fac o mișcare aleatorie (termică) în gaz și, apropiindu-se unul de celălalt, se pot uni, formând un atom neutru. Aceasta este facilitată de atracția reciprocă a particulelor încărcate eterogene. Restaurarea atomilor neutri se numește recombinare. Atomul neutru obținut ca rezultat al recombinării poate fi ionizat din nou, iar apoi părțile componente ale acestuia - un ion pozitiv și un electron se pot recombina din nou, etc.
Recombinarea duce la o scădere a numărului de particule încărcate, adică la deionizarea gazului. În funcție de preponderența ionizării sau recombinării, numărul de particule încărcate crește sau scade, respectiv. La starea de echilibru numărul de electroni (sau ioni) pentru 1 vrznikayuschih datorită ionizarea este numărul de atomi neutri, rezultând în același timp, ca rezultat al recombinării. Atunci când apare o descărcare electrică în gaz, ionizarea are un avantaj față de recombinare. Dimpotrivă, pe măsură ce intensitatea descărcării electrice scade, recombinarea are un avantaj față de ionizare. Și odată cu terminarea ionizării de descărcare, dispare și, ca urmare a recombinării, se restabilește starea neutră a gazului.
Deoarece energia este folosită pentru ionizare, ionul pozitiv și electronul obținut după ionizare au mai multă energie decât atomul neutru. Prin urmare, recombinarea este însoțită de eliberarea energiei radiante. De obicei, în acest caz se observă strălucirea gazului.
Recombinarea necesită o anumită perioadă de timp și, prin urmare, deionizare în funcție de tipul de gaz și presiunea se face 10 -5-10 -3 s, Astfel, în comparație cu dispozitivele cu descărcare de electroni mult mai inerție și, de regulă, nu se poate lucra la frecvențe înalte. Principalul motiv de inerție - rata de deionizare respectiv mică (momentul apariției descărcării este de 10 -7-10 -6 s, adică electrificarea are loc mult mai rapid).
Tipuri de evacuări electrice în gaze. Distingeți între evacuările independente și cele care nu se auto-susțin în gaz. Descărcarea de sine stătătoare este menținută de acțiunea numai a tensiunii electrice. Poate exista o evacuare non-auto-susținută cu condiția ca, în plus față de tensiunea electrică, să existe și alți factori ionizatori externi. Acestea pot fi raze de lumină, radiații radioactive, emisii termionice ale unui electrod încălzit etc. Să luăm în considerare principalele tipuri de descărcări electrice.
Întunericul sau liniștea nu este dependentă. Se caracterizează printr-o densitate de curent de un microampere per centimetru pătrat și o densitate foarte mică de încărcare spațială. Câmpul creat de tensiunea aplicată în timpul descărcării întunecate este practic independent de densitatea încărcăturii spațiale, influența căreia poate fi neglijată. Lumina gazului este de obicei invizibilă. În dispozitivele de evacuare a gazelor pentru electronica radio, nu se utilizează descărcarea întunecată, dar precede alte tipuri de descărcări.
Gurile de descărcare aparțin independenței. Se caracterizează printr-o strălucire a gazului, care amintește de strălucirea cărbunelui de fum. Densitatea curentului atinge unitatea și zeci de miliamperi pe centimetru pătrat și se formează o încărcătură spațială, care afectează în mod semnificativ câmpul electric dintre electrozii. Tensiunea de descărcare este de zeci sau sute de volți. Descărcarea este menținută de emisia de electroni a catodului sub impactul ionilor.
Dispozitive de bază glow descărcare - diode Zener (stabilizatori de tensiune de evacuare), lampă cu descărcare în gaz, Tiratrone descărcare luminiscentă semn și lămpi indicatoare decatrons (dispozitive de numărare cu descărcare).
Arcul de descărcare este obținut la o densitate de curent mult mai mare decât în cazul unei descărcări strălucitoare. Instrumentele de descărcare de gestiune cu arc de auto-susținere includ gazele și tiratronii cu un catod încălzit. În valvele de mercur (excitroni) și ignitroni care au un catod lichid de mercur, precum și în descărcătoarele de gaze, apare o descărcare independentă a arcului.
Cu o descărcare cu arc, densitatea curentului poate ajunge la sute de amperi pe centimetru pătrat, iar încărcătura spațială afectează puternic procesele din gaz. Curentul descărcării arcului este menținut datorită emisiei termionice a unui catod solid încălzit sau emisiei electrostatice a unui catod lichid de mercur. Cu o descărcare cu arc, aproape toată tensiunea (10-20 V) este concentrată în apropierea catodului. O scădere mică de tensiune la curent ridicat este o caracteristică a descărcării arcului. Această evacuare este însoțită de strălucirea intensă a gazului. Arcurile de descărcare nu pot fi doar la o presiune redusă, dar la o presiune normală sau ridicată, de exemplu în camerele cu mișcare și proiectorul.
Izolatorul cu scânteie are o asemănare cu descărcarea arcului. Este o descărcare electrică (pulsată) pe termen scurt la o presiune de gaz relativ ridicată, de exemplu, în condiții atmosferice normale. De obicei, un număr de descărcări pulsate urmează unul pe celălalt în scânteie. Explozia cu scânteie este utilizată în descărcătoare, care servește la închiderea pe termen scurt a anumitor lanțuri.
Descărcările de frecvență înaltă pot să apară într-un gaz sub influența unui câmp electromagnetic alternativ, chiar și în absența unor electrozi purtători de curent (descărcare fără electrode).
Descărcarea corona este independent și utilizat în dispozitivele de descărcare pentru stabilizarea tensiunii. Se observă la presiuni relativ ridicate de gaze, în cazul în care cel puțin unul dintre electrozi are o rază foarte mică (margine, margine ascuțită, sârmă subțire, etc.). Apoi se obține câmpul dintre electrozi și în jurul electrodului neuniform ascuțit, numit coroană, intensitatea câmpului crește brusc. Descărcarea corona are loc la o tensiune de sute sau mii de volți și este caracterizată prin curenți de mici.
Decalajul de descărcare cu descărcare corona are două regiuni: stratul corona lângă electrodul corona și restul, numit regiunea exterioară. Excitarea și ionizarea atomilor, precum și strălucirea gazului, apar în stratul corona. În mod tipic, anodul este electrodul corona. La granița stratului coronar și a regiunii exterioare, electronii liberi apar datorită ionizării gazului de către cuantele de lumină (fotoni), a căror sursă este stratul corona. Fluxul de electroni se deplasează la anod și în drumul său excită și ionizează atomii.
În regiunea exterioară, care rămâne întunecată, lipsesc ionizarea și excitarea atomilor din cauza intensității câmpului scăzut și apare doar mișcarea particulelor având o încărcătură cu același semn ca și cea a electrodului corona. La anodul coroanei, ionii pozitivi se mișcă în regiunea exterioară.
Deoarece excitarea și ionizarea cu descărcare în coroană acoperă doar o parte a spațiului de evacuare, această deversare este considerată o defalcare incompletă a gazului (descompunerea completă este o scânteie sau o descărcare cu arc). Pe măsură ce crește tensiunea, curentul crește, stratul de coroană se extinde, iar descărcarea se face într-o scânteie dacă presiunea gazului este semnificativă sau dacă se scade dacă presiunea este scăzută.
Luați în considerare o descărcare a strălucirii între electrozi plate (Figura 21.1). În absența unei descărcări, când nu există încărcătură spațială, câmpul este uniform și potențialul dintre electrozii este distribuit liniar (curba 1). Într-un dispozitiv electronic (vid), în prezența emisiei, există o încărcătură spațială negativă, creând o barieră potențială în apropierea catodului (curba 2). Această barieră împiedică formarea unui curent anodic mare. Într-un instrument de descărcare de gaze, cu descărcare strălucitoare datorită unui număr mare de ioni pozitivi, se creează o încărcătură spațială pozitivă. Aceasta determină o schimbare a potențialului în spațiul anod-catod în direcția pozitivă. Diagrama potențială este "îndoită" în jos (curba 3).
După cum se poate observa, într-un instrument de descărcare de gaze, distribuția potențială este de așa natură încât aproape toată tensiunea anodică este aplicată la un strat subțire de gaz, în apropierea catodului. Această regiune, (I) se numește zona catodică a potențialului. În apropierea catodului se creează un câmp puternic de accelerare. Anodul pare să se apropie de catod. Rolul anodului este efectuat de un nor de ioni cu o sarcină pozitivă "suspendată" deasupra catodului. Ca urmare, acțiunea încărcării spațiale negative este compensată, astfel încât nu există o barieră potențială în apropierea catodului.
Cealaltă parte a spațiului de evacuare (II) este caracterizată de o ușoară modificare a tensiunii. Puterea câmpului este mică. Se numește regiunea plasmei electron-ion. Plasma este un gaz puternic ionizat în care numărul de electroni și ioni este practic același. Într-o plasmă, mișcarea dezordonată (termică) a particulelor predomină asupra mișcării direcționate. Dar totuși electronii se deplasează la anod, iar ionii către catod.
Forțele de câmp care acționează asupra electroni și ioni, sunt identice și numai opuse în direcție, deoarece taxarea acestor particule este egală, dar opusă (reamintim că forța care acționează asupra taxei, F = eE unde E - intensitatea câmpului, e - taxa ). Dar masa unui ion este de mii de ori mai mare decât masa unui electron. Chiar și în cel mai ușor hidrogen gazos, masa ionului pozitiv este de 1840 ori mai mare decât masa electronului. În consecință, ionii obțin accelerații mai mici și dobândesc viteze relativ mici. În consecință, curentul în dispozitivele ionice este practic creat prin deplasarea electronilor. Fracțiunea din curentul ionic este foarte mică și poate fi ignorată. Ionii își îndeplinesc sarcina, ele oferă un spațiu încărcat pozitiv, care depășește cu mult taxa de spațiu negativ și elimină bariera de potențial în jurul catodului.
Acest site a fost creat cu uCoz
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: