19225

ТЛЕЮЩИЙ РАЗРЯД

Лекция

Физика

ТЛЕЮЩИЙ РАЗРЯД Тлеющий разряд имеет свои принципиальные особенности по сравнению с другими видами газовых разрядов. Ввиду этого рассмотрим сравнительную вольтамперную характеристику основных газовых разрядов рис.1. Для получения данной экспериментально

Русский

2013-07-11

87.5 KB

8 чел.

ТЛЕЮЩИЙ РАЗРЯД

      Тлеющий разряд имеет свои принципиальные особенности по сравнению с другими видами газовых разрядов. Ввиду этого, рассмотрим сравнительную вольтамперную характеристику основных газовых разрядов (рис.1). Для получения данной экспериментальной зависимости использовался разряд в неоне при давлении 1 торр с медными электродами: расстояние между электродами 50 см, площадь поверхности электрода 10 см2. Наиболее слаботочная область (1) соответствует несамостоятельному разряду, когда для зажигания разряда требуется внешний ионизатор (УФ -излучение, электронный пучок и т.д.). Следующая область (2) принадлежит таунсендовскому самостоятельному разряду, в котором существуют механизм ионизации электронным ударом и процесс ион -электронной эмиссии на катоде. Заметим, что таунсендовский разряд не обладает свечением, т.е. считается темновым разрядом. При увеличении тока в области (3) таунсендовский разряд постепенно переходит в тлеющий разряд, что сопровождается падением напряжения на разряде. Область (4) соответствует нормальному тлеющему разряду, в котором разряд характеризуют светящиеся области, и процессы свойственные тлеющему разряду. Дальнейший рост тока в области (5) приводит к аномальному тлеющему разряду, в котором возникает нагрев катода и появление термоэмиссии, присущей дуговому разряду. В последующей области (6) напряжение на разряде резко уменьшается и разряд окончательно переходит в дуговой (7), который характеризует небольшое напряжение и дальнейший рост силы тока.

                                                                                                    Рис.1

 

                                                                               Рис.2

       Исследования тлеющего разряда, начатые в начале XIX века Фарадеем, были затем продолжены многими известными учеными. Модифицированный тлеющий разряд при уменьшении давления использовался затем в конце XIX века Рентгеном в его знаменитых экспериментах с катодными лучами. Традиционно тлеющие разряды создавались в стеклянных трубках на остаточном воздухе, либо при газовом заполнении при пониженном давлении (10-2-102 торр) (рис.2). Наибольшей светимостью, как правило, обладает положительный столб, который в зависимости от газа принимает различную окраску. Так, например, для воздуха цветовые тона фиолетово-розовые, для гелия – зеленые, для аргона и ртути – голубые, для неона – оранжево-желтые и т.д.  

      Свечение тлеющего разряда связано с наличием определенных областей, которым свойственны характерные процессы (рис.2). Ближайшим к катоду находится катодное свечение, которое в некоторых тлеющих разрядах обладает достаточной яркостью за счет процессов ионизации электронным ударом. Следующее за ним отрицательное свечение обычно более слабое по интенсивности и присутствует не у всех разрядов. Яркий для газоразрядных стеклянных трубок положительный столб обладает наибольшими размерами. Положительный столб характеризуются дрейфом заряженных частиц в электрическом поле и  процессами их диффузии. Анодное свечение, как правило, слабое и наблюдается редко. Области свечения разделяются темными пространствами (рис.2), в которых возбуждение и ионизация частиц незначительная.

         

   а)                                                                          б)

   в)                                                                           г)

                           Рис.3

       Рассмотрим характерные зависимости потенциала, напряженности электрического поля, плотности тока и концентрации заряженных частиц тлеющего разряда (рис.3). Зависимость для потенциала содержит характерный подъем в области катодного слоя с последующим медленным ростом в области положительного столба (рис.3а). Катодное падение потенциала  UК составляет около 2/3 всего приложенного напряжения к разряду и значительно превышает анодное  UА. Максимальная напряженность электрического поля (рис.3б) соответственно существует также в области катодного слоя. Плотности электронного и ионного токов достигают максимумов соответственно на аноде и на катоде соответственно (рис.3в). Электронная и ионная концентрации имеют сложные зависимости и приблизительно одинаковы в области положительного столба (рис.3г).

       Рассмотрим теоретическое описание процессов области близлежащей к катоду – катодного слоя. Данную область характеризуют сильный рост потенциала и соответственно высокие значения напряженности электрического поля (рис.3 а,б). В катодном слое доминирующими считаются процессы ионизации и дрейфового движения в электрическом поле. Процессами диффузии и рекомбинации обычно пренебрегают, т.е. считают их незначительными. Выражения для плотностей токов представляются в виде:                                            

                                                                

              

Граничные условия для значений плотностей токов на катоде и аноде записываются следующим образом:

                                           

Поэтому выражения переписываются в форме:

                   

       В результате плотности электронного и ионного токов имеют вид:

                   

Полученные формулы передают характерные моменты экспериментальных зависимостей изображенных на рис.3 а,б.    

        Рассмотрим вывод выражения для напряженности электрического поля в катодном слое с учетом пространственных зарядов. Уравнение Пуассона в одномерном случае записывается с учетом зависимостей для концентраций заряженных частиц (рис.3г) следующим образом:    

                                                                             

                              

                    

После интегрирования последнего уравнения получается следующее выражение для напряженности электрического поля:

                                       

Полученная формула передает основную тенденцию зависимости (рис.3б), которая содержит резкий спад в области катодного слоя.

                                                 

        

                       

       К неустойчивостям тлеющего разряда следует отнести: 1) ионизационно-перегревную неустойчивость, 2) контракцию (шнурование) разряда, 3) страты. Ионизационно-перегревная неустойчивость наблюдается в некоторых видах сильноточных тлеющих разрядов. Контракция (шнурование) разряда имеет место также при достаточно сильных для тлеющих разрядов токах. При контракции происходит сжатие или уменьшение диаметра плазменного шнура аналогичное пинч-эффекту.

       При определенных условиях положительный столб тлеющего разряда разделяется на светящиеся полосы, разделенные темными промежутками, т.е. происходит образование страт. Экспериментально было установлено, что для страт выполняются следующие соотношения:

   1)  

   2)  

   3)  

Где l0 -расстояние между соседними стратами, p -газовое давление, r -радиус плазменного столба, B -внешнее магнитное давление. Расстояние между соседними стратами (l0) при этом остается неименным. Для объяснения образования страт были предложены теории, учитывающие ступенчатый характер ионизации газа положительного столба электронами.


7

3

1

6

5

4

200

400

600

10-11

10-10

10-5

10-4

10-1

1

10

I, A

U, В

К

А

-

+

Свечения:

катодное

положительный столб

отрицательное

анодное

Темные пространства:

астоново

катодное

фарадеево

анодное

UА

UК

x

d

d

x

x

j

d

je

j+

n+

ne

ne

n+

nen+

n

d

x


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

68724. Инновационный рынок 20.58 KB
  Классификация научных организаций по секторам науки Сектор Содержание Государственный Организации министерств и ведомств которые осуществляют управление государством и удовлетворение потребностей общества в целом: государственная оборона общественный порядок здравоохранение культура социального обеспечения и пр.
68725. Закономерности глобализации мировой экономики и ее воздействие на функционирование национально-государственных систем. Теоретическая проблема экономической безопасности 48 KB
  Одним из ключевых процессов развития мировой экономики на грани ХХ ХХI веков является прогрессирующая глобализация т. Интернационализация хозяйственной деятельности это усиление взаимосвязи и взаимозависимости экономик отдельных стран влияние международных экономических отношений...
68727. Эпоха Возрождения как канун становления классической науки 40 KB
  В городах стали возникать светские центры науки и искусства деятельность которых находилась вне контроля церкви. В формировании мышления этой эпохи огромное влияние сыграло наследие античной науки. Особенности науки эпохи Возрождения: 1 антисхоластическая направленность взглядов и сочинений...
68729. Ведущие теоретические ориентации зарубежной социальной психологии: психоанализ, бихевиоризм, интеракционизм, когнитивная ориентация, гуманистическая ориентация 30.5 KB
  Функционализм (или функциональная психоло гия) возник под влиянием эволюционной теории в биологии Ч. Дарвина и эволюционной теории социального дарвинизма Г. Спенсера. Г. Спенсер полагал, что основным законом социального развития является закон выживания наиболее приспособленных обществ и социальных групп.
68730. Средневековая философия Запада и Востока – это прежде всего философия общества, для которого характерно господство теологии и религии 41.5 KB
  Характерной чертой средневековой философии является meoцентризм обращение к Богу его сущности как первопричины и первоосновы мира. Бог создал мир из ничего. государственность которая основана на любви к себе доведенной до абсолюта презрения к Богу и град божий духовную общность которая основана...
68731. Хронические расстройства питания у детей раннего возраста 110.5 KB
  Известно что хронические расстройства питания у детей могут проявляться в виде в различных формах в зависимости от характера нарушений трофики и возраста: Группировка гипотрофий: Дети первых двух лет жизни:I. Гипотрофия хроническое расстройство питания с дефицитом массы тела относительно роста.
68732. Античная Греция: институт проксении 34 KB
  В отношениях между полисами и их гражданами особую роль выполнял такой институт как проксении своеобразный вид гостеприимства. Проксения существовала между отдельными лицами родами племенами и целыми государствами. Проксеном являлся гражданин одного полиса оказывавший услуги гражданам или официальным лицам...