В условиях резко неоднородных электромагнитных полей, на электродах с высокой кривизной наружных поверхностей, в некоторых ситуациях может начаться коронный разряд - самостоятельный электрический разряд в газе. В качестве острия, подходящей для данного явления формы, может выступать: острие, провод, угол, зубец и т. д.
Главное условие для начала разряда - вблизи острого края электрода должна присутствовать сравнительно более высокая напряженность электрического поля, чем на остальном пути между электродами, создающими разность потенциалов. Для воздуха в нормальных условиях (при атмосферном давлении), предельное значение электрической напряженности составляет 30кВ/см, при такой напряженности на острие электрода уже появляется слабое свечение, напоминающее по форме корону. Вот почему разряд называется коронным разрядом.
Для такого разряда характерно протекание процессов ионизации только возле коронирующего электрода, при этом второй электрод может выглядеть вполне обычно, то есть без образования короны. Коронные разряды можно наблюдать иногда и в природных условиях, например на верхушках деревьев, когда этому способствует картина распределения природного электрического поля (перед грозой или в метель).
Процесс формирования коронного разряда протекает следующим образом. Молекула воздуха случайно ионизируется, при этом вылетает электрон. Электрон испытывает ускорение в электрическом поле возле острия, и достигает достаточной энергии, чтобы как только встретит на своем пути следующую молекулу - ионизировать и ее, и снова вылетает электрон. Число заряженных частиц, движущихся в электрическом поле возле острия, лавинообразно увеличивается.
Если острым коронирующим электродом является отрицательный электрод (катод), в этом случае корона будет называться отрицательной, и лавина электронов ионизации будет двигаться от коронирующего острия - в сторону положительного электрода. Образованию свободных электронов способствует термоэлектронная эмиссия на катоде.
Когда движущаяся от острия лавина электронов достигает той области, где напряженности электрического поля оказывается уже не достаточно для дальнейшей лавинной ионизации, электроны рекомбинируют с нейтральными молекулами воздуха, образуя отрицательные ионы, которые далее становятся носителями тока в наружной от короны области. Отрицательная корона имеет характерное ровное свечение.
В случае, когда источником короны является положительный электрод (анод), движение лавин электронов направлено к острию, а движение ионов - наружу от острия. Вторичные фотопроцессы возле положительно заряженного острия способствуют воспроизведению запускающих лавину электронов. Вдали от острия, где напряженность электрического поля не достаточна для обеспечения лавинной ионизации, носителями тока остаются положительные ионы, движущиеся в сторону отрицательного электрода. Для положительной короны характерны стримеры, распускающиеся в разные стороны от острия, а при более высоком напряжении стримеры приобретают вид искровых каналов.
На проводах высоковольтных линий электропередач тоже возможна корона, причем здесь это явление приводит к потерям электроэнергии. Для борьбы с данным явлением, провода ЛЭП расщепляют на несколько штук, в зависимости от напряжения на линии, чтобы уменьшить локальные напряженности вблизи проводов, и предотвратить образование короны в принципе.
Когда погода (температура и влажность воздуха) способствует потерям на корону, целесообразно уменьшить напряжение на линии до определенной величины. Так, для избежания короны на линиях с напряжением 110кВ сечение провода делают равным минимум 95кв.мм, для 150кВ - 120кв.мм, для 220кВ - 240кв.мм.
Кроме того на высоковольтных ЛЭП применяют анти-коронные кольца, представляющие собой тороиды из проводящего материала, обычно металла, который прикреплен к терминалу или другой аппаратной части высоковольтного оборудования. Роль коронирующего кольца заключается в распределении градиента электрического поля и понижении его максимальных значений ниже порога короны, таким образом коронный разряд предотвращается полностью, либо разрушительные эффекты разряда хотя бы переносятся от ценного оборудования - на кольцо.
Практическое применение коронный разряд находит в электростатических очистителях газов, а также для обнаружения трещин в изделиях. В копировальной технике - для заряда и разряда фотобарабанов, и для переноса красящего порошка на бумагу. Кроме того, при помощи коронного разряда можно определить давление внутри лампы накаливания (по размеру короны в одинаковых лампах).
При дальнейшем повышении напряжения от U з и выше сила тока резко начинает возрастать. Если убрать внешний ионизатор, разряд продолжится. Значит заряды, необходимые для поддержки электропроводимости газа, теперь создаются самим разрядом. Газовый разряд, который существует без действия внешнего ионизатора, называют самостоятельным разрядом. Напряжение U з, при котором разряд становится самостоятельным, называют напряжением зажигания газового разряда или напряжением пробоя. Самостоятельный газовый разряд поддерживается за счет ударной ионизации электронами, ускоренными электрическим полем. Под действием электрического поля скорость электронов возрастает настолько, что при соударении электрона с атомом, атом теряет электрон. При достаточной напряженности электрического поля оба электрона набирают до следующего столкновения энергию, достаточную для ионизации следующего атома. Число электронов растет очень быстро, говорят, образуются электронно-ионная лавина. Этого не достаточно, необходимо компенсировать электроны, ушедшие на анод. Эти электроны могут появиться из катода при бомбардировке катода положительными ионами и фотонами (при освещении катода), движущимися к катоду под действием электрического поля.
Типы самостоятельных разрядов:
а) Коронный разряд
возникает при атмосферном давлении в резко неоднородном электрическом поле вблизи электродов с большой кривизной поверхности
б)Искровой разряд
возникает при большой напряженности электрического поля.
в) Дуговой разряд
Если после зажигания искрового разряда от мощного источника постепенно уменьшить 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 сближаются 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 примерно 3900 К. Дуговой разряд поддерживается за счет высокой температуры катода из-за интенсивной термоэлектронной эмиссии, а также термической ионизации молекул, обусловленной высокой температурой газа. Дуговой разряд применяется для сварки и резки металлов, получения высококачественных сталей в дуговых печах, освещения (прожекторы).
г) Тлеющий разряд возникает при низких давлениях. Тлеющий разряд – это свечение газосветных трубок в надписях и рекламах, это лампы дневного света. Характер свечения зависит от химического состава газа в трубке и состава вещества, покрывающего внутреннюю поверхность трубки.
2. Естественная радиоактивность. Виды радиоактивных излучений и их свойства.
Явление радиоактивности подтверждает сложный состав атома. Радиоактивность заключается в том, что ядро некоторых химических элементов самопроизвольно, без действия внешних факторов создают невидимое излучение, которое обладает определенными свойствами. Радиоактивность открыл в 1896г. Анри Беккерель для урана. Невидимые лучи действовали на фотопластинку, ионизировали газ, имели высокую проникающую способность. Изучение радиоактивности (этот термин появился позднее) продолжили многие ученые. В 1898г. французские физики Мари Кюри и Пьер Кюри из отходов урановой руды получили два новых химических элемента. Сначала полоний (Ро), занявший 84 клетку в таблице Менделеева, а затем радий (Ra), занявший 88 клетку. Излучения радия было очень сильным, термин радиоактивность стал применяться после открытия радия. Кюри также выяснили, что все элементы, начиная с 83 в разной степени радиоактивны.
Э.Резерфорд, исследуя радиоактивное излучение, обнаружил его неоднородность. В магнитном и электрическом полях излучение делилось на три части. Компоненты излучения были названы: альфа –лучами (α), бета-лучами (ß), гамма-лучами (γ).
α- лучи слабо отклоняются в электрическом и магнитном полях как положительно заряженные частицы. Масса этих частиц в четыре раза превосходит массу атома водорода. Позднее было определено, α- лучи- это ядра атомов гелия. У α- лучей очень сильная ионизирующая способность, но проникающая способность слабая, т.е. это излучение хорошо поглощается веществом.
ß -лучи отклонялись в магнитном и электрическом поле противоположно α-лучам, но значительно сильнее, они представляют собой поток быстрых электронов. Проникающая способность ß -лучей значительно больше, чем у α- лучей, а ионизирующая много слабее.
γ -лучи не отклонялись в электрическом и магнитных полях, они оказались очень жестким электромагнитным излучением (электромагнитные волны очень малой длины, большой проникающей способностью). Обнаружить γ -лучи можно и после прохождения железной плиты метровой толщины.
Билет № 7
1. Электрический ток в полупроводниках. Собственная и примесная проводимость полупроводников.
Существует большая группа веществ, которые по своим электрическим свойствам занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Эти вещества называют полупроводники. К ним относятся кремний, германий, фосфор, мышьяк, сурьма, селен, оксиды некоторых металлов, сульфиды, теллуриды.
От металлов полупроводники отличаются концентрацией свободных зарядов, в полупроводниках при нормальных условиях концентрация свободных электронов в миллиард раз меньше, чем в металлах. Поэтому удельное сопротивление полупроводников на несколько порядков выше, чем у металлов. Если при нагревании металла сопротивление проводника увеличивается, то при нагревании полупроводника сопротивление значительно уменьшается. Проводимость некоторых полупроводников значительно возрастает при их освещенности. Примеси в металлах значительно снижают их электропроводимость, примеси в полупроводниках могут повысить электропроводимость в отдельных случаях в десятки тысяч раз. Электропроводимость неметаллических кристаллов существенно зависит от давления, при давлении 3-4 атм. Она может стать равной проводимости металлических кристаллов.
Электропроводимость полупроводников объясняется особенностью их кристаллического строения. Рассмотрим кристаллическую решетку германия. Германий – типичный полупроводник (z=32). Четыре электронных оболочки германия содержат 32 электрона-2, 8, 18, 4. Три внутренних оболочки устойчивые, т. е. в химических реакциях не участвуют, их электроны имеют сильную связь со своим ядром. Во внешней оболочке атомов германия имеется 4 валентных электрона. При сближении данного атома с соседними валентные электроны соседних атомов взаимодействуют друг с другом. Каждый атом германия находится на одинаковом расстоянии от четырех соседних атомов и образует с ними ковалентные связи, т. е. такие связи, при которых каждый из валентных электронов принадлежит одновременно двум соседним атомам. Валентные электроны могут переходит из одной ковалентной связи в другую, перемещаться по всему кристаллу. Такое перемещение хаотичное, поэтому тока не создает.
Собственная проводимость полупроводников.
Энергия ионизации атомов германия сравнима с энергией теплового движения уже при комнатной температуре. Поэтому часть внешних электронов обобществляется соседними атомами и легко переходят от одного атома к другому, становясь блуждающими частицами (Электроны стали свободными). Число таких электронов значительно увеличивается при нагревании или освещении. Под действием электрического поля свободные электроны станут двигаться направленно и создадут электрический ток, называемый электронным током. Одновременно с появлением блуждающего (свободного) электрона у атома полупроводника возникает свободное место в ковалентной связи, которое принято называть дыркой . Эту дырку может занять электрон из ковалентной связи соседнего атома, у которого в свою очередь образуется дырка. Таким образом блуждание электронов в кристаллической решетке влечет за собой блуждание дырок.
« Перемещение» дырок от одного атома к другому подобно движению положительного заряда, т. е. дыркам приписывается положительный заряд. Под действием электрического поля « дырки» будут перемещаться в направлении, противоположном движению электронов, создавая дырочную проводимость. Ток в полупроводнике складывается из электронного и дырочного токов. В химически чистых полупроводниках электронный ток равен дырочному, а проводимость чистых полупроводников называют собственной.
Примесная проводимость полупроводников.
Проводимость полупроводников зависит не только от внешних условий, в частности от температуры и давления. Проводимость увеличивается при наличии специально подобранных примесей. Тогда наряду с собственной проводимостью возникает примесная проводимость. Обычно основным полупроводником являются германий или кремний.
Если к четырехвалентному кремнию в качестве примеси добавить пятивалентное вещество, например, мышьяк, то для образования ковалентной связи атомов кремния и мышьяка достаточно четырех валентных электронов от каждого атома. При этом пятый валентный электрон мышьяка оказывается свободным, т.е. электроном проводимости. Примесь, валентность которой больше валентности основного полупроводника, называется донорной (отдающей электрон). Полупроводники с донорной примесью называются полупроводниками n-типа. В полупроводниках – типа электронная проводимость преобладает над дырочной. Электроны называют основными носителями заряда, дырки-неосновными носителями.
Если к кремнию в качестве примеси добавить трехвалентное вещество, например, индий, то при образовании ковалентной связи атомов кремния и индия не будет хватать одного электрона. Поэтому на каждый атом индия образуется одна лишняя дырка Примесь, валентность которой меньше валентности основного полупроводника, называется акцепторной (принимаюшей). Полупроводники с акцепторной примесью называются полупроводниками р- типа. В полупроводниках р- типа дырочная проводимость преобладает над электронной. Дырки- основные носители заряда.
2. Ядерные превращения. Закон радиоактивного распада.
Радиоактивный распад- радиоактивное превращение атомных ядер, которое сопровождается появлением ядра другого химического элемента и выделением одной из элементарных частиц. Радиоактивный распад подчиняется правилу смещения .
При α-распаде получается ядро химического элемента, смещенного на две клетки к началу периодической системы, при этом массовое число убывает на четыре единицы.
Т.е. α-распад происходит по схеме
Например
ß -распад бывает двух разновидностей: электронный и позитронный. При ß- электронном распаде образуется ядро, расположенное на одну клетку правее исходного , например
При позитронном распаде (позитрон- античастица электрона, отличается от электрона только знаком заряда) образуется ядро химического элемента, смещенного на одну клетку к началу таблицы Менделеева , например
Распад ведет к уменьшению числа атомов радиоактивного вещества и носит случайный характер. Заранее нельзя предсказать какой из атомов и когда распадется.
До момента распада ни в ядре, ни в электронной оболочке атома никаких процессов, предопределяющих распад, не происходит. Поэтому можно говорить только о вероятности распада какого-либо атома за данный промежуток времени. Время T, в течение которого распадается половина первоначального количества радиоактивных атомов, называется периодом полураспада.
Закон радиоактивного распада является статистическим законом, он имеет вид:
N= N 0 ·2 - t/ T , где N 0 -начальное число радиоактивных ядер, N- число нераспавшихся ядер через время t от начала распада, T – период полураспада.
Периоды полураспада у радиоактивных элементов сильно различаются. Например, у урана-238 он равен 4,5·10 9 лет, у тория-234 он равен 24,1 дня, а у полония-214 составляет всего 1,5·10 -4 с.
Независимость периода полураспада радиоактивных элементов используется для определения возраста горной породы, в которой эти элементы содержатся (обычно для используют изотоп урана . Возраст органических соединений обычно определяют по содержанию углерода.
Билет № 8
1.Контакт двух полупроводников с разными типами проводимости. Его свойства и применение в электронных приборах.
Если привести в контакт два полупроводника с различными типами проводимости, то начнется встречное диффундирование электронов и дырок. Электроны проводимости из полупроводника n-типа будут переходить в полупроводник р-типа, а дырки из полупроводника р-типа в полупроводник n-типа. Поэтому процесс в контактном слое полупроводников разных типов называется р-n переходом или электронно-дырочным переходом. В результате встречного диффундирования электронов и дырок полупроводник n-типа получит положительный заряд, а полупроводник р- типа отрицательный. В контактном слое возникает электрическое поле (контактная разность потенциалов), препятствующее дальнейшей диффузии электронов и дырок.
Свойства электронно-дырочного перехода.
Если соединить полупроводник n-типа с отрицательным полюсом источника тока, а р- типа- с положительным полюсом, то электрическое поле источника скомпенсирует поле контактного слоя, и диффундирование электронов и дырок через контактный слой будет происходить непрерывно. Через контакт возникает электрический ток, называемый прямым током р-n перехода.
Если полупроводник n- типа соединить с положительным полюсом источника тока, а р- типа с отрицательным полюсом источника тока, то поле источника будет совпадать с полем контактного слоя. Сопротивление контактного слоя будет очень большим и ток через него практически не пойдет (слабый обратный ток р-n перехода создается неосновными носителями заряда).
Таким образом, контактный слой двух полупроводников различных типов обладает односторонней проводимостью.
Полупроводниковый прибор на основе одного р-n называют полупроводниковым диодом. Диод используется для выпрямления переменного тока.
Полупроводниковый прибор на основе двух р-n называют полупроводниковым триодом или транзистором. Транзисторы делятся на р-n-р и n –р-n. Средняя более узкая область транзистора называется базой, она делит кристалл на две области с одинаковой проводимостью, называемые эмиттер и коллектор. Транзисторы используются для получения и усиления электрических колебаний высокой частоты.
2. Строение атомного ядра. Энергия связи атомных ядер.
В 1919г Резерфорд, осуществляя первую искусственную ядерную реакции, получил в свободном состоянии элементарную частицу, заряд которой был равен модулю заряда электрона, а её масса оказалась примерно равной 1 а.е.м. (атомной единице массы). Частицу назвали протоном (позднее оказалась, что она представляет собой ядро изотопа водорода). Протон условились обозначать p или
Некоторое время считали, что ядра состоят только из протонов, но такое представление о ядре противоречили некоторым опытным фактам. В 1932г. Чедвик получил в свободном состоянии элементарную частицу, которая не имела заряда, масса частицы оказалась примерно равной массе протона. Эту частицу назвали нейтрон - . После открытия нейтрона Д.Д. Иваненко и немецкий физик Гейзенберг предложили протонно-нейтронную модель ядра: ядро состоит из протонов и нейтронов. Общее название ядерных частиц – нуклоны. Число протонов Z совпадает с порядковым номером элемента в таблице Менделеева, т.е. число протонов определяет заряд ядра. Сумма протонов Z и нейтронов N равна массовому числу A (массе химического элемента, округленной до целого значения) Z+N=A Протонно-нейтронная модель ядра объяснила существование изотопов. Изотопы- вещества, обладающие одинаковыми химическими свойствами (занимающие одно место в таблице Менделеева), но имеющие разные физические свойства (в основном разную радиоактивность). Изотопы есть у всех химических элементов, у части химических элементов они природные, а у части искусственные, т.е. получаемые в процессе ядерных реакций. Ядра изотопов одного химического элемента имеют одинаковое число протонов и разное число нейтронов.
Например: изотопы водорода - Z=1, N=0 - легкий водород
Z=1, N=1 - дейтерий
Z=1, N=2 - тритий
изотопы урана - Z=92, N =143
Вещества с одинаковыми массовыми числами называются изобарами, например
Ядерные силы – силы, обеспечивающие существование устойчивых ядер, пример сильных взаимодействий. Ядерные силы – силы особой природы. Особенности ядерных сил: 1) ядерные силы являются только силами притяжения; 2) ядерные силы –это короткодействующие силы; 3) ядерные силы обладают свойствами зарядовой независимости; 4) ядерные силы не являются центральными; 5) ядерные силы обладают свойствами насыщения, т.е. в ядре не может быть любого числа нуклонов
Дефект масс. Энергия связи ядер. Энергия связи – энергия необходимая для расщепления ядра на нуклоны без сообщения им кинетической энергии. Она была вычислена на основании формулы взаимосвязи массы и энергии (формулы Эйнштейна) Е=mc 2 .
Е св =Δmс 2 , Δm – дефект масс, Δm=Zm p +Nm n -M я; Zm p – масса протонов, входящих в ядро, Nm n – масса нейтронов, входящих в ядро, M я – масса целого ядра, с – скорость света в вакууме.
Удельная энергия связи Е уд – энергия связи, приходящаяся на один нуклон.
Е уд =Е св / А. Наибольшая энергия связи у химических элементов с массовым числом от 40 до 120. При А>120 удельная энергия связи монотонно убывает. При А< 20 удельная энергия связи имеет характерные максимумы и минимумы. Удельная энергия связи определена для всех химических элементов.
Билет № 9
1. 1. Магнитное поле. Источники магнитного поля. Индукция магнитного поля. Магнитные силовые линии.
Коронный разряд – это процесс ионизации воздуха вдоль провода под действием сильных электромагнитных полей.
Теория ионизации воздуха
Ионизацию воздуха заметили давно, но не сумели правильно истолковать. С появлением в середине XVIII века первых электростатических генераторов разряд стал обычным явлением. Даже успели попробовать на себе жестокое действие . Истинные опыты с электричеством начались после изобретения Вольтой гальванического источника энергии.
Первую в мире дугу получил в 1802 году русский учёный с запоминающейся фамилией Петров. Он предсказал возможность использования сего для целей освещения. Сильную досаду вызывает факт, что весь учёный мир обратил внимание на явление. И оказывалось ясно, куда в действительности течёт электрический ток. Ведь отрицательный угольный электрод заострялся под действием дуги, а на аноде образовывалась небольшая ямка. Учёный мир увидел в этом правоту Бенджамина Франклина: заряды наращивают отрицательный угольный стержень, будучи положительны. И лишь к началу XX века, когда опыты с катодными лучами дали первые результаты, стало понятно, что 100 лет назад совершена большая ошибка.
При горении дуги пять шестых светового потока даёт анод. Его температура в стандартных физических опытах составляет 4000 градусов Цельсия. Это на 1000 больше, нежели у катода, дающего 10% светового потока. Прочее берётся от дуги непосредственно, за счёт мерцания ионизированного газа. При столь высоких температурах начинают плавиться даже керамика и вольфрам. Сварку изобрели гораздо позже, с 80-х годов (XIX века) электрод угольный, позже Н.Г. Славянов предложить использовать металлический.
Опыт Павлова повторил Дэви, прочие дугой пока не занимались. С его подачи началось исследование разряда в среде газа. Обнаружены первые линейчатые спектры. Фарадей и Уитстон в 30-х годах изучали разряд в разреженных газах. Видя усердие англичан, иностранный инженер, принявший российское подданство, Якоби попробовал применить угольный стрежень для освещения улиц Санкт-Петербурга (1846 год). Но анод быстро выгорал, увеличивая искровой промежуток, и лампа гасла. Ситуацию решил Яблочков, это уже случилось через 30 лет, когда век угольных разрядников подходил к концу. Они находили применение в узких областях долгое время, к примеру, при освещении неба в период Второй мировой войны и отражения вражеских налётов.
Катушка Румкорфа (ориентировочно 1846 год) окончательно убедила людей, что высокое напряжение способно создать искру, а Никола Тесла показал, что при помощи экрана Фарадея даже простой смертный сумеет направлять молнии в нужном направлении. Языки пламени в ночном небе над башней Ворденклиф называют самым невероятным коронным разрядом в истории человечества, если не считать устроенного позднее великим изобретателем на крышах Нью-Йорка.
Схема возникновения коронного разряда
Точного определения коронного разряда в литературе не встречается. По простой причине нежелания авторов разбираться с темой и обилием дублирующейся информации, упускающей смысл из содержания. Определение коронного разряда, данное в начале, тоже нельзя назвать физически точным. Корректная трактовка большинством читателей не воспримется из-за наличия специфических особенностей. В физике принято прохождение тока через воздух делить на три участка, видных на графике:
- Первый подчиняется и прямой. Здесь протекание тока возможно за счёт внешней ионизации: пламенем, ультрафиолетом, радиоактивным или высокочастотным излучением. Первые два фактора уже были известны Вольте (до открытия «животного электричества» Гальвани), предлагавшему снимать статический заряд с резины электрофоруса лучами Солнца или свечой.
- Второй участок находится в области насыщения. Учёные говорят, что ток остаётся сравнительно постоянным, заряды при движении между электродами активно рекомбинируют. И при растущей разнице потенциалов ничего не меняется. Пока напряжение не достигнет третьего участка.
- При высокой разнице потенциалов начинается лавинообразный процесс ударной ионизации. Электроны обретают столь высокую скорость, что выбивают электроны из молекул газа. На этом участке ток быстро растёт с повышением разницы потенциалов, возможно возникновение электрической дуги.
Разряд, наблюдаемый визуально, называется искровым и возникает после начала второго роста кривой. Вначале присутствует тихий разряд, глазу не заметный. Его часто называют несамостоятельным, нужен внешний ионизирующий фактор, чтобы поддержать движение носителей. Понижение напряжения вызывает немедленную рекомбинацию всех носителей.
Искровой разряд отмечается при напряжениях, где возможна лавинообразная ионизация. Искры проскакивают с частотой от 400 Гц и выше, что сопровождается различимым шумом. Напряжение после каждого разряда падает, чем обусловлено наличие свободного интервала. Визуально искры сливаются в одну. Подвидами указанного типа ионизации считаются родственные разряды:
- Кистевой разряд похож на ладонь сказочного скелета. Образуется между острием и заряженной поверхностью. Заметно на нейтрализаторах , изоляторах ЛЭП. Ионизация начинается со стороны острия, в этом месте напряжённость поля увеличена, заряды стекают в пространство, чем порождается лавинообразный процесс.
- Коронный разряд вспыхивает между несколькими участками одного провода. Вызван ударной ионизацией воздуха. Своеобразные изломанные зубцы подобны молниям. Их причудливую траекторию учёные объясняют тем, что процесс ионизации распространяется по пути наименьшего сопротивления, в силу изотропности газа невозможно предсказать точный путь. Корона порой плавная и бывает положительной или отрицательной.
Коронный разряд ведёт к потере энергии на линии ЛЭП и происходит непрерывно, что различимо на слух как низкочастотный гул и треск. В дождливую погоду сопротивление провода падает, возможно появление языков ионизированного воздуха в виде маленьких молний, идущих вдоль провода или шаров. Коронный разряд используется в фильтрах очистки воздуха (ионизаторах, люстрах Чижевского), улавливая частицы дыма, пыли, заставляя их оседать.
Электрическая дуга
Сказанное выше не позволяет точно понять электрическую дугу. При определённом значении напряжения начинается ударная ионизация воздуха. Если разница потенциалов падает, ток не меняется либо растёт (см. и ). Это так называемый участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Процесс, идущий между электродами, именуется дугой. Разряд разжигается высоким напряжением и сближением стержней, а затем идёт самостоятельно.
Известно, что сварщик стучит электродом по детали, чтобы начать ударную ионизацию. Потом электрод удаляется, а дуга остаётся, не гаснет. Напряжение тоже низкое. В этом заключается особенность дуги. Это объясняет, почему открытые линии ЛЭП не несут вольтаж выше 2 МВ. А дальше начинается коронный разряд, возникает дуга, чтобы потушить, приходится приложить немало усилий.
Тесла строил башню Ворденклиф, чтобы добиться передачи энергии посредством коронного разряда. Созданной дуге предписывалось лететь на приёмник, а оттуда излучаться дальше, вокруг всего Земного шара. По замыслу Теслы требовалось построить передатчики, ловившие языки молний. Безопасность обеспечивалась высокой частотой напряжения (радиодиапазон).
Суммируя, нужно заметить, что электрическая дуга по-иному называется самостоятельным разрядом, процесс может поддерживаться.
Механизмы ионизации
Коронный разряд образуется на геометрических изломах вследствие повышенной напряжённости поля в этой области. На указанном принципе работают нейтрализаторы и стекатели. Явления, наблюдаемые при газовом разряде, количественно описываются двумя коэффициентами Таунсенда:
- Альфа: коэффициент объёмной ионизации. Численно это количество ионизаций, производимых электроном на дистанции 1 см.
- Гамма: описывает процесс ионизации на границе катод-газ. Здесь электроны покидают поверхность и начинают шествие вдоль силовых линий поля. Равен отношению покидающих катод электронов к числу падающих сюда ионов за единицу времени.
Оба коэффициента растут вместе с разницей потенциалов. После несамостоятельного разряда отмечается лавинообразная ионизация с образованием меж электродами облака положительного заряда. Этот момент соотносится с возникновением короны. Дальнейшее повышение напряжения приводит к нарушению стационарности положительного облака, и ток начинает колебаться в районе конкретного значения.
Изложенное называется теорией Роговского и поясняет, где возникает корона, как образуется искрение. Все определяется полётом электронов и пространственным распределением заряда. Главный признак – не происходит короткого замыкания цепи при коронном разряде, как происходит при искрении (кратковременно) или дуге (постоянно).
Коэффициент альфа определяет удалённость свечения от электрода. Гамма скорее характеризует геометрическую форму поверхности и разницу потенциалов, приведшую к появлению разряда.
Особенности коронного разряда
Коронный разряд обычно возникает в месте с наименьшим радиусом кривизны. Если это линия, максимальная вероятность образования проявляется на механическом дефекте. Область наиболее частого возникновения заряда называется коронирующей, либо коронирующим электродом. Проводник – под положительным или отрицательным потенциалом. Соответственно, различают и короны аналогичного рода (см. выше).
Положительный и отрицательный разряд отличаются внешним видом. В первом случае свечение равномерное, во втором имеются эпицентры по поверхности провода. Механизм процесса меж электродами:
- В начале возникает несамостоятельный разряд. Это происходит за счёт случайного действия: капли дождя, порыв ветра и пр.
- Если разница потенциалов продолжит расти, образуется слабое свечение в районе провода, сопровождаемое еле слышным потрескиванием. Вызывающее напряжение называется критическим, либо начальным.
- При дальнейшем росте разницы потенциалов (напряжение искрового пробоя) ток растёт по квадратичному закону, свечение становится сильнее. Начинают проскакивать искры со всевозрастающей частотой.
- Тотальное увеличение разницы потенциалов вызывает дуговой разряд, проявляющийся как короткое замыкание цепи. Его горение сложно остановить.
Важно! Критическое и искровое напряжение отличаются для положительной и отрицательной короны.
Итак, коронный разряд в лабораторной установке является предшественником искрового, а искровой – дугового. На практике при номинальном напряжении сети электрики не слишком беспокоятся о защите. Возможно повысить вольтаж на 10% без особого ущерба, если в указанной местности не бывает частой непогоды, преимущественно песчаных бурь.
Если расстояние между электродами слишком мало, коронный разряд не образуется: после несамостоятельного немедленно идёт искровой. Провода в ЛЭП стараются разнести на дистанцию, применяют керамические изоляторы. Коронный разряд часто заменяется кистевым, если присутствует ярко выраженное острие. Оба лишь формальное обозначение идентичного явления.
Электрический ток в газах. Самостоятельный и несамостоятельный разряды. Типы самостоятельного разряда и их техническое применение. Газы в нормальном состоянии являются диэлектриками, так как состоят из электрически нейтральных атомов и молекул и поэтому не проводят электричества. Проводниками могут быть только ионизированные газы, в которых содержатся электроны, положительные и отрицательные ионы. Ионизацией называется процесс отделения электронов от атомов и молекул. Ионизация возникает под действием высоких температур и различных излучений (рентгеновских, радиоактивных, ультрафиолетовых, космических лучей) вследствие столкновения быстрых частиц или атомов с атомами и молекулами газов. Образовавшиеся электроны и ионы делают газ проводником электричества. Протекание тока через газ называется газовым разрядом. Разряды, вызванные действием внешнего ионизатора, называются несамостоятельными газовыми разрядами. Применение: в ионизационных камерах и газовых счетчиках быстрых заряженных частиц. Напряжение, при котором несамостоятельный разряд переходит в самостоятельный, называют напряжением пробоя, а сам процесс – электрическим пробоем газа. Газовый разряд, который продолжается после прекращения действия внешнего ионизатора, называется самостоятельным разрядом, т. к. ионы, необходимые для поддержания высокой электропроводности, создаются самим разрядом в результате внутренних процессов, происходящих в газе.
Возможны различные процессы ионизации: 1. электронным ударом; 2. термическая ионизация; 3. фотоионизация; Ионизация электронным ударом происходит при столкновении электрона с атомом только в том случае, когда электрон на длине свободного пробега (λ) приобретает кинетическую энергию, достаточную для совершения работы отрыва электрона от атома. Термическая ионизация – процесс возникновения свободных электронов и положительных ионов в результате столкновений при высокой температуре. Ионизация атомов и молекул под действием света называется фотоионизацией. В зависимости от процессов образования ионов в разряде при различных давлениях газа и напряжениях, приложенных к электродам, различают несколько типов самостоятельных разрядов: 1. тлеющий; 2. искровой; 3. коронный; 4. дуговой. Тлеющим называется разряд при низких давлениях. Для разряда характерна большая напряженность электрического поля и соответствующее ей большое падение потенциала вблизи катода. Применение: 1. в ионных и электронных рентгеновских трубках; 2. как источник света в газоразрядных трубках; 3. для катодного распыления металлов; 4. для изготовления высококачественных металлических зеркал; 5. в газовых лазерах.
Искровой разряд – соединяющий электроды и имеющий вид тонкого изогнутого светящегося канала (стримера) с множеством разветвлений. Возникает при давлениях порядка атмосферного. Примеры: 1. молния. Сила тока от 10 до 105 кА. Напряжение между электродами (облако – Земля) достигает 108 – 109 В. Длительность порядка микросекунды. Длина светящегося канала до 10 км. Диаметр до 4 м. 2. разряд конденсатора; 3. искры при расчесывании волос Коронный разряд наблюдается при давлении близком к атмосферному в сильно неоднородном электрическом поле. Газ светится, образуя «корону», окружающую электрод. Примеры: в естественных условиях коронный разряд возникает под влиянием атмосферного электричества на верхушках деревьев, корабельных мачт (огни святого Эльма). Применение: электрофильтры для очистки промышленных газов от примесей. Коронные разряды являются источниками радиопомех и вредных токов утечки около высоковольтных линий передач (основной источник потерь). Дуговой – разряд, характеризующийся большой силой тока (десятки и сотни ампер) и малой напряженностью поля (несколько десятков вольт) на разрядном промежутке между электродами. Разряд поддерживается за счет термоэлектронной эмиссии с поверхности катода. Применение: 1. электропечи для плавки металла; 2. мощные источники света (прожекторы, проекционные киноаппараты); 3. сварка и резка металлов.
Возникновение стримеров в объеме между электродами не всегда приводит к искре, а может вызвать и разряд другого типа коронный разряд. На рисунке показана схема прибора, с помощью которого можно воспроизвести коронный разряд. В этом приборе тонкая проволока помещается по оси полого металлического цилиндра.
При напряжении между проволокой и цилиндром в пространстве между ними возникает неоднородное электрическое поле с максимальной напряженностью около проволоки. Когда напряженность поля вблизи проволоки приближается к пробивному значению напряженности воздуха (около U п =30 000 В/м) между проволокой и цилиндром зажигается коронный разряд и в цепи пойдет ток, т.е. вокруг проволоки возникает свечение –корона. Внешний вид короны при отрицательном потенциале проволоки (отрицательная корона) несколько отличается от положительной короны.
При отрицательном потенциале проволоки электронные лавины начинаются у проволоки, распространяются к аноду и на некотором расстоянии стримеры обрываются вследствие уменьшения напряженности поля. В случае положительной короны электронные лавины зарождаются на внешней границе (поверхности) короны и движутся по направлению к проволоке. В отличие от искрового разряда в коронном разряде имеет место неполный пробой газового промежутка, так как в нем электронные лавины не проникают через весь слой газа E = .
Внутри корон имеются и положительные, и отрицательные ионы. За пределами короны будут ионы только одного знака: отрицательные при отрицательной короне; положительные ионы при положительной короне.
Коронный разряд может возникнуть не только у проволоки, но и у острия и вообще у всех электродов, возле которых образуется очень сильное неоднородное поле. Коронный разряд сопровождается шипящим звуком и легким потрескиванием. Коронный разряд возникает на высоковольтных линиях электропередачи и вызывает утечки электронных зарядов, т.е. электроэнергии.
Применение коронного разряда.
1. Электрическая очистка газов (электрофильтры). Известен такой опыт – сосуд, наполненный дымом, моментально делается совершенно прозрачным, если внести в него острые металлические электроды, находящиеся под высоким напряжением.
Этот эффект используется для очистки газов. Содержащиеся твердые и жидкие частицы в газе в коронном разряде взаимодействуют с ионами и становятся заряженными частицами (ионы «прилипают» к частицам пыли) и далее направляются к электродам и осаждаются. Кроме того, такие электрофильтры позволяют извлечь из газов многие тонны ценных продуктов в производстве серной кислоты и цветных металлов в линейном производстве.
2.Счетчики электронных частиц.
Напряжение U выбирают таким, чтобы оно было несколько меньше «критического», т.е. необходимого для зажигания коронного разряда внутри счетчика. При попадании в счетчик быстро движущегося электрона он ионизует молекулы газа внутри объема, отчего напряжение зажигания короны понижается. В счетчике возникает разряд, а в цепи появляется слабый кратковременный импульс тока. Для регистрации сигнала используется чувствительный электрометр Е, каждый раз при попадании частицы (даже одного электрона) в объем счетчика листочки электрометра дают отброс.
§7. Классификация электрических разрядов .
Электрические разряды в газах протекают по-разному, т.е. в разряде реализуется те или иные фундаментальные (элементарные) процессы, которые являются для данного вида разряда и определяют его форму; его характерные особенности.
Как мы уже знаем, имеется ограниченное число элементарных процессов, которые могут реализоваться в объеме газового разряда, еще раз перечислим эти процессы:
1) Столкновения частиц газа результат: обмен энергиями, импульсом, возбуждение атомов, ионизация.
2) Присоединение электронов результат: возникает отрицательный ион, уменьшается концентрации электронов.
3) Рекомбинация результат: рождается излучение (фотон).
4) Получение и испускание излучения в объеме разряда.
5) Диффузия заряженных частиц.
6) Электродные эффекты: термоэлектронная эмиссия; внешний фотоэффект, эмиссия при электронном ударе, эмиссия при ударе положительных ионов: эмиссия при ударе нейтральных атомов; автоэлектронная эмиссия.
Одновременно все эти элементарные – фундаментальные процессы в разрядах не реализуются. В зависимости от условий реализуются только некоторые процессы, и этот набор элементарных процессов определяет основные свойства разряда, т.е. данный вид разряда отличается от другого набором элементарных процессов. Сам этот набор или вид разряда определяется следующими параметрами системы: величиной тока напряжением между электродами; давлением газа, геометрией разрядной камеры, материалом электродов и состоянием их поверхности, температурой электродов и др.
Вид разряда в основном определяется напряжением на электродах, величиной тока разряда и давлением в разрядной камере. При этом напряжение и ток является независимым параметрами системы.
Таким образом, зависимость напряжения от тока становится наиболее важной интегральной характеристикой электрического разряда U = f(I) еще называется вольт-амперной характеристикой разряда. Она формируется в зависимости от внутренних процессов, следовательно, по ней можно определить вид разряда.
Итак, рассмотрим, как один вид разряда переходим в другой вид с помощью вольт-амперной характеристики.
Участок ОВ − несамостоятельный темный разряд, образование носителей тока происходит лишь за счет внешнего ионизатора, на участке ОА реализуется рекомбинация, на АВ − все заряды достигают электродов, рекомбинацией зарядов можно пренебречь.
За точкой В начинается ионизация нейтральных частиц электронным ударом, возникают лавины электронов и ионов. Однако если убрать внешний ионизатор, разряд прекращается. Это несамостоятельный таунсендовский разряд − это участок ВС.
На участок СD заметную роль играют вторичные электроны, выбиваемые из катода положительными ионами, световыми квантами, возбужденными молекулами. Необходимость в поддержании ионизации за счет энергии внешних источников отпадает − разряд становится самостоятельным, его еще называют самостоятельным таунсендовским разрядом (это участок СЕ).
На участке EF таунсендовский разряд переходит в нормальный тлеющий разряд, которому соответствует участок FH. На участок НК с ростом повышается и напряжение. Разряд, соответствующий участку НК называется аномальном тлеющим разрядом.
Далее с ростом тока увеличивается температура катода, усиливается роль термоэлектронной эмиссии, разряд контрагируется и образуется дуговой разряд. Дуговой разряд поддерживается за счет термоэлектронной эмиссии с катода.
Стационарный тлеющий разряд при низком давлении.
С ростом тока самостоятельный таунселовский разряд (участок СЕF) может развивается по-разному и иметь несколько форм. Если при давлении около 1 мм. рт. ст. разряд происходит между электродами, подключенными к источнику постоянного тока, то реализуется нормальный разряд.
Участок FH вольт-амперной характеристики соответствует тлеющему разряду. Отличительным признаком тлеющего разряда является своеобразное распределение потенциала вдоль длины межэлектродного промежутка. Распределение потенциала приводит к тому, что тлеющий разряд имеет характерный неоднородный вид, следовательно, и неоднородную структуру, разряд кажется как бы разделенным на части. Тлеющий разряд состоит из прикатодной области, и положительного столба.
Рассмотрим различные части разряда. Начиная от катода к аноду.
Катодная область разряда.
Электроны, необходимые для поддержания разряда, в основном эмитируется при бомбардировке катода положительными ионами. Вторичные электроны выходят, из катода имея, малые скорости, вследствие этого они (вблизи поверхности образуют отрицательный пространственный заряд) еще не имеют достаточные энергии для возбуждения молекул газа, поэтому молекулы не излучают, и непосредственно у поверхности катода образуется темное пространственно, заполненное медленными электронами. Этот очень тонкий несветящийся слой газа называется - темное пространство Астона. Ток в этой области в основном создается положительными ионами.
Далее электрона ускоряются полем, кинетическая энергия электронов становится достаточной для возбуждения молекул газа и это служит причиной возникновения тонкого светящего слоя газа, называемого первым катодным свечением. В этой области электроны при столкновениях частичного или полностью теряют скорость. Поэтому за первым катодным свечением образуется следующее темное катодное пространство. В этой области происходит слабая рекомбинация электронов с положительными ионами, поэтому здесь происходит очень слабое излучение. В темном катодном пространстве электроны сильно разгоняются до скоростей, при которых они интенсивно ионизуют молекул газа, а следовательно, и размножаются.
В конце второго темного катодного пространства число электронов уже настолько велико, что ток почти полностью переносится электронами, и они заметно уменьшают положительный пространственный заряд, даже образуют область отрицательного пространственного заряда. В этой области прекращается дальнейшее ускорение электронов, а энергия накопленная в области второго катодного темного пространства расходуется в основном на интенсивное возбуждение и ионизации молекул. Это происходит в области второго катодного свечения (отрицательное катодное свечение). В результате энергия электронов уменьшается, постепенно в интенсивность возбуждения и ионизации также уменьшается, следовательно, падает число электронов (и за счет рекомбинации и диффузии), настолько, что отрицательный пространственный заряд обращается в ноль. Соответственно изменяется напряженность электрического поля и в точке исчезновения отрицательного заряда Е принимает постоянное значение (около 1 В/см) и не меняется до прианодной области заряда. В этом месте начинается положительный столб тлеющего разряда.
Пространство, занимаемое темным пространством Астона первым катодным свечением и вторым темным пространством, называется областью катодного падения потенциала. Как видно из рисунка, падение потенциала между электродами почти полностью реализуется на незначительном участке у катода. Длина этого участка изменяется обратно пропорционального давления газа. При P = 1 мм рт.ст. dc составляет около 10 мм, а U=100-250 В.
В нормальном тлеющем разряде плотностью тока при увеличение или уменьшение тока разряда остается постоянной. Но зависит от давления Р и изменяется по закону P 2 . Например, при P = 1 мм рт.cт. плотность в среднем j = 0,1 мА/см 2 = 1·10 4 А/см 2 . Но j зависит еще от природы газа и от материала катода. Из I=jS следует, что при малом токе часть площади принимает участие в разряде.
В этих условиях остается постоянным и катодное падение потенциала U k . Для диапазона давлений от 1-10 мм рт.cт. значение U k не зависит от давления и однозначно определяется природой газа и материала катода. Примеры
С ростом тока разряда наступает момент, когда вся площадь катода принимает участие в разряде, с этого момента с дальнейшим ростом тока начинается увеличение катодного падения потенциала. Напряженность поля Е возрастает до тех пор, пока не обеспечивается необходимая ионизация для поддержания роста тока. В этих условиях нормальный тлеющий разряд переходит в аномальный тлеющий разряд.
где, k − константа, зависящая от вида газа и материала катода.
Положительный столб.
Положительный столб состоит из плазмы, а плазма является нейтральной электропроводящей средой. Поэтому положительный столб тлеющего выполняет роль обыкновенного проводника, соединяющего прикатодную область с прианодной частью разряда. В отличие от остальных частей тлеющего разряда, которые имеют конкретные размеры, и структуру, зависящие от вида газа, его давления и плотности разрядного тока, длина положительного столба определяется размерами разрядной камеры, а по структуре столб представляет собой ионизированный газ (n e ≈ n i ), т.е. он может иметь любую длину. Напряженность поля порядка 1 В/см, с ростом давления имеет тенденцию возрастать. Напряженность изменяется также при изменении радиуса камеры (трубки) − сжатие разряда увеличивает поле: Е всегда принимает значение, как раз достаточное для поддержания в столбе той степени ионизации, которая нужна для стационарного горения разряда. Энергия в столбе достаточна для ионизации. И процесс ионизации компенсирует убыль электронов и ионов за счет рекомбинации и диффузии с последующей нейтрализация на электродах и на стенках камеры свечение положительного столба связано всеми этими процессами. В отличие от других частей, положительном столбе тлеющего разряда хаотическое движение заряженных частиц преобладает над направленным.
Анодная область.
Анод притягивает электроны из положительного столба и около места привязки образуется отрицательный пространственный заряд и рост напряженности поля, в результате этого происходит перенос тока разряда к поверхности анода. Область анодного падения является пассивной частью разряда. Анод не эмитирует зарядов. Тлеющий разряд может существовать без анодной области, так же без положительного столба. Положительный столб разряда не зависит от приэлектродных процессов. Отличием катодных частей является преобладающе направленное движение электронов и ионов.
Применение тлеющего разряда.
Тлеющий разряд в разряженных газах находит разнообразное применение в газонаполненных выпрямителях, преобразователях, индикаторах, стабилизаторах напряжения, газосветных лампах дневного света. Например, в неоновых лампах (для целей сигнализации) тлеющий разряд используется в неоне, электроды покрывают слоем бария и они имеют катодное падение потенциала порядка 70 В и зажигаются при включении в осветительную сеть.
В лампах дневного света тлеющий разряд происходит в парах ртути. Излучение ртутного пара поглощается слоем люминофора, которым покрыта внутренняя поверхность газосветной трубки.
Тлеющий разряд используется также для катодного распыления металлов. Поверхность катода при тлеющем разряде вследствие бомбардировки положительными ионами газа сильно нагревается в отдельных малых участках и поэтому постепенно переходит в парообразное состояние. Помещая предметы вблизи катода разряда, их можно покрыть равномерным слоем металла.
В последние годы тлеющий разряд находит применение в плазмохимии и лазерной технике. В них тлеющий разряд используется в аномальном режиме при повышенном давлении.
1. p = 6,7 кПа ≈ 50 мм. рт. ст.
v = 15,7 м/c
2. p = 8 кПа ≈ 60 мм. рт. ст.
v = 21м/c
Типичные вольт - амперные характеристики тлеющего разряда в поперечном потоке воздуха.
1 мм. рт. ст. = 133 Па. 1кПа=1000/133 = 8мм.рт.ст.