Arten elektrischer Entladungen in Gasen

Elektrische Entladung in Gasen umfasst alle Fälle der Bewegung geladener Teilchen (Elektronen und Ionen) in Gasen unter Einwirkung eines elektrischen Feldes infolge von Ionisationsprozessen... Voraussetzung für das Auftreten einer Entladung in Gasen ist das Vorhandensein von freiem Ladungen darin - Elektronen und Ionen.

Ein Gas, das nur aus neutralen Molekülen besteht, leitet überhaupt keinen elektrischen Strom, d. h. ein ideales Dielektrikum... Unter realen Bedingungen enthält das Gas aufgrund der Wirkung natürlicher Ionisatoren (ultraviolette Strahlung der Sonne, kosmische Strahlung, radioaktive Strahlung der Erde usw.) immer eine bestimmte Menge an freien Ladungen – Ionen und Elektronen, die ihm eine gewisse elektrische Leitfähigkeit verleihen.

Die Leistung natürlicher Ionisatoren ist sehr gering: Durch ihre Wirkung bildet sich in der Luft jede Sekunde pro Kubikzentimeter etwa ein Ladungspaar, was einer Erhöhung der Ladungsvolumendichte po = 1,6-19 CL entspricht / (cm3 x Zoll). Jede Sekunde wird die gleiche Ladungsmenge neu kombiniert. Die Anzahl der Ladungen in 1 cm3 Luft bleibt gleichzeitig konstant und beträgt 500-1000 Ionenpaare.

Legt man also eine Spannung an die Platten eines flachen Luftkondensators mit einem Abstand S zwischen den Elektroden an, so stellt sich im Stromkreis ein Strom ein, dessen Dichte J= 2poS = 3,2×10-19 S A / cm2 beträgt .

Durch den Einsatz künstlicher Ionisatoren erhöht sich die Stromdichte im Gas um ein Vielfaches. Wenn beispielsweise der Gasspalt mit einer Quecksilber-Quarzlampe beleuchtet wird, erhöht sich die Stromdichte im Gas auf 10 - 12 A / cm2; bei Vorhandensein einer aufrichtigen Entladung in der Nähe des ionisierten Volumens Ströme in der Größenordnung von 10-10 A / cm2 usw.

Betrachten Sie die Abhängigkeit des Stroms, der durch einen Gasspalt mit einem gleichmäßigen elektrischen Feld fließt, vom Wert der angelegten Spannung i (Abb. 1).

Reis. 1. Strom-Spannungs-Kennlinien der Gasentladung

Mit zunehmender Spannung nimmt zunächst der Strom im Spalt zu, da die zunehmende Ladungsmenge unter der Einwirkung eines elektrischen Feldes auf die Elektroden fällt (Abschnitt OA). Im Abschnitt AB ändert sich der Strom praktisch nicht, da alle durch externe Ionisatoren gebildeten Ladungen auf die Elektroden fallen. Der Sättigungsstrom Is wird durch die Intensität des auf den Spalt einwirkenden Ionisators bestimmt.

Bei einem weiteren Spannungsanstieg steigt der Strom stark an (Abschnitt BC), was auf die intensive Entwicklung von Gasionisationsprozessen unter Einwirkung eines elektrischen Feldes hinweist. Bei der Spannung U0 ist ein starker Anstieg des Stroms im Spalt zu beobachten, der in diesem Fall seine dielektrischen Eigenschaften verliert und zum Leiter wird.

Das Phänomen, bei dem zwischen den Elektroden des Gasspalts ein Kanal mit hoher Leitfähigkeit entsteht, wird als elektrischer Durchschlag bezeichnet (der Durchschlag in einem Gas wird oft als elektrische Entladung bezeichnet, was den gesamten Prozess der Durchschlagsbildung bedeutet).

Die dem Abschnitt der OABS-Kennlinie entsprechende elektrische Entladung wird als abhängig bezeichnet, da in diesem Abschnitt der Strom im Gasspalt durch die Intensität des aktiven Ionisators bestimmt wird. Die Entladung im Abschnitt nach Punkt C wird als unabhängig bezeichnet, da der Entladestrom in diesem Abschnitt nur von den Parametern des Stromkreises selbst (seinem Widerstand und der Leistung der Stromquelle) und zu seiner Aufrechterhaltung von der Bildung geladener Teilchen abhängt durch externe Ionisatoren ist nicht erforderlich. Die Spannung Wo, bei der die Selbstentladung beginnt, wird Anfangsspannung genannt.

Formen der Selbstauflösung in Gase können je nach den Bedingungen, unter denen die Entladung stattfindet, unterschiedlich sein.

Bei niedrigem Druck, wenn der Spalt aufgrund der geringen Anzahl von Gasmolekülen pro Volumeneinheit keine hohe Leitfähigkeit erreichen kann, und eine Glimmentladung... Die Stromdichte bei einer Glimmentladung ist gering (1-5 mA/cm2), die Die Entladung deckt den gesamten Raum zwischen den Elektroden ab.

Reis. 2. Glimmentladung im Gas

Bei einem Gasdruck nahe dem Atmosphärendruck und höher kommt es zu einer Funkenentladung, wenn die Leistung der Stromquelle niedrig ist oder die Spannung kurzzeitig an die Lücke angelegt wird. Ein Beispiel für eine Funkenentladung ist die Entladung in Form von Blitzen… Bei längerer Spannungseinwirkung erfolgt die Funkenentladung in Form von Funken, die abwechselnd zwischen den Elektroden entstehen.

Reis. 3. Aufrichtige Entlassung

Bei erheblicher Leistung der Energiequelle verwandelt sich die Funkenentladung in einen Lichtbogen, in dem durch den Spalt ein Strom fließen kann, der Hunderte und Tausende von Ampere erreicht. Ein solcher Strom trägt zur Erwärmung des Entladungskanals bei, erhöht seine Leitfähigkeit und führt dadurch zu einer weiteren Stromerhöhung. Da dieser Vorgang einige Zeit in Anspruch nimmt, wird die Funkenentladung bei kurzzeitigem Anlegen einer Spannung nicht in eine Bogenentladung umgewandelt.

Reis. 4. Lichtbogenentladung

In stark inhomogenen Feldern beginnt die Selbstentladung immer in Form einer Koronaentladung, die sich nur in dem Teil des Gasspalts entwickelt, in dem die Feldstärke am höchsten ist (nahe den scharfen Kanten der Elektroden). Bei der Koronaentladung kommt es zwischen den Elektroden nicht zu einer hohen Leitfähigkeit durch einen Kanal, d. h. der Raum behält seine isolierenden Eigenschaften. Wenn die angelegte Spannung weiter erhöht wird, wandelt sich die Koronaentladung in eine echte oder Bogenentladung um.

Koronaentladung – die Art der stationären elektrischen Entladung in einem Gas ausreichender Dichte, die in einem starken inhomogenen elektrischen Feld auftritt. Die Ionisierung und Anregung neutraler Gasteilchen durch Elektronenlawinen erfolgt in einer begrenzten Zone (Koronakappe oder Ionisierungszone) eines starken elektrischen Feldes in der Nähe einer Elektrode mit kleinem Krümmungsradius. Das blassblaue oder violette Leuchten des Gases innerhalb der Ionisationszone, analog zum Halo der Sonnenkorona, gab dieser Art von Entladung den Namen.

Zusätzlich zur Strahlung im sichtbaren, ultravioletten Bereich (hauptsächlich) sowie in den kürzeren Wellenlängen des Spektrums geht die Koronaentladung mit der Bewegung von Gaspartikeln aus der Koronaelektrode einher – der sogenannten „Elektrischer Wind“, Brummen, manchmal Funkemission, Chemie, Reaktionen (zum Beispiel die Bildung von Ozon und Stickoxiden in der Luft).

Reis. 5. Koronaentladung in Gas

Die Muster des Auftretens elektrischer Entladungen in verschiedenen Gasen sind gleich, der Unterschied liegt in den Werten der den Prozess charakterisierenden Koeffizienten.