Vrste električnih pražnjenja u plinovima

Električni izboj u plinovima uključuje sve slučajeve gibanja u plinovima pod djelovanjem električnog polja nabijenih čestica (elektrona i iona) kao rezultat procesa ionizacije... Preduvjet za nastanak izboja u plinovima je prisutnost slobodnih naboje u njemu – elektrone i ione.

Plin koji se sastoji samo od neutralnih molekula uopće ne provodi električnu struju, tj. idealan dielektrik... U stvarnim uvjetima, zbog djelovanja prirodnih ionizatora (ultraljubičasto zračenje Sunca, kozmičke zrake, radioaktivno zračenje Zemlje itd.), plin uvijek sadrži određenu količinu slobodnih naboja — iona i elektrona, koji mu daju određenu električnu vodljivost.

Snaga prirodnih ionizatora je vrlo mala: kao rezultat njihovog djelovanja, svake sekunde u svakom kubičnom centimetru u zraku se formira oko jedan par naboja, što odgovara povećanju volumne gustoće naboja po = 1,6-19 CL / (cm3 x in ). Ista količina naboja prolazi kroz rekombinaciju svake sekunde. Broj naboja u 1 cm3 zraka u isto vrijeme ostaje konstantan i jednak 500-1000 parova iona.

Dakle, ako se na ploče ravnog zračnog kondenzatora dovede napon s razmakom S između elektroda, tada će se u strujnom krugu uspostaviti struja čija je gustoća J= 2poS = 3,2×10-19 S A / cm2. .

Korištenje umjetnih ionizatora višestruko povećava gustoću struje u plinu. Na primjer, kada se plinski raspor osvijetli živinom kvarcnom žaruljom, gustoća struje u plinu raste na 10 - 12 A / cm2; u prisutnosti iskrenog pražnjenja u blizini ioniziranog volumena, struje reda veličine 10-10 A / cm2, itd.

Razmotrimo ovisnost struje koja prolazi kroz plinski raspor s jednolikim električnim poljem o vrijednosti primijenjenog napona i (slika 1).

Riža. 1. Strujno-naponske karakteristike plinskog pražnjenja

U početku, s povećanjem napona, struja u razmaku se povećava zbog činjenice da sve veća količina naboja pada pod djelovanjem električnog polja na elektrode (odjeljak OA). U odjeljku AB struja se praktički ne mijenja, budući da svi naboji nastali zbog vanjskih ionizatora padaju na elektrode. Struja zasićenja Is određena je intenzitetom ionizatora koji djeluje na raspor.

S daljnjim povećanjem napona struja naglo raste (odjeljak BC), što ukazuje na intenzivan razvoj procesa ionizacije plina pod djelovanjem električnog polja. Pri naponu U0 opaža se nagli porast struje u rasporu, koji u ovom slučaju gubi svoja dielektrična svojstva i pretvara se u vodič.

Pojava u kojoj se između elektroda plinskog raspora javlja kanal visoke vodljivosti naziva se električni proboj (proboj u plinu često se naziva električnim izbojem, što znači cijeli proces nastanka proboja).

Električno pražnjenje koje odgovara odjeljku OABS karakteristike naziva se ovisnim, budući da je u ovom odjeljku struja u plinskom rasporu određena intenzitetom aktivnog ionizatora. Pražnjenje u dijelu nakon točke C naziva se neovisnim, budući da struja pražnjenja u ovom dijelu ovisi samo o parametrima samog električnog kruga (njegovom otporu i snazi ​​izvora energije) i za njegovo održavanje potrebno je stvaranje nabijenih čestica zbog vanjskih ionizatora nije potreban. Napon Wo pri kojem počinje samopražnjenje naziva se početni napon.

Oblici samootapanja u plinove ovisno o uvjetima pod kojima se odvija pražnjenje mogu biti različiti.

Pri niskom tlaku, kada zbog malog broja molekula plina po jedinici volumena, raspor ne može postići visoku vodljivost, a tinjajuće izbijanje... Gustoća struje u tinjajućem izbijanju je niska (1-5 mA / cm2), pražnjenje pokriva cijeli prostor između elektroda.

Riža. 2. Tinjajući izboj u plinu

Pri tlaku plina blizu atmosferskog i višem, ako je snaga izvora struje mala ili je napon kratkotrajno doveden na raspor, dolazi do iskričastog pražnjenja... Primjer iskričastog pražnjenja je pražnjenje u obliku munje… Kod duljeg izlaganja naponu, pražnjenje iskre poprima oblik iskri koje se naizmjenično pojavljuju između elektroda.

Riža. 3. Iskreno pražnjenje

U slučaju značajne snage izvora energije, pražnjenje iskre pretvara se u luk, u kojem struja može teći kroz raspor, dosežući stotine i tisuće ampera. Takva struja doprinosi zagrijavanju kanala za pražnjenje, povećavajući njegovu vodljivost, a kao rezultat toga dobiva se daljnje povećanje struje. Budući da je ovom procesu potrebno neko vrijeme da se završi, tada uz kratkotrajnu primjenu napona, pražnjenje iskre ne prelazi u pražnjenje luka.

Riža. 4. Lučno pražnjenje

U izrazito nehomogenim poljima samopražnjenje uvijek počinje u obliku koronskog pražnjenja, koje se razvija samo u onom dijelu plinskog raspora gdje je jakost polja najveća (u blizini oštrih rubova elektroda). U slučaju koronskog pražnjenja između elektroda ne dolazi do velike vodljivosti kroz kanal, tj. prostor zadržava svoja izolacijska svojstva. Kako se primijenjeni napon dalje povećava, koronsko pražnjenje se pretvara u bona fide ili lučno pražnjenje.

Koronsko pražnjenje — vrsta stacionarnog električnog pražnjenja u plinu dovoljne gustoće, koje se javlja u jakom nehomogenom električnom polju. Ionizacija i ekscitacija čestica neutralnog plina lavinama elektrona lokalizirana je u ograničenoj zoni (koronskoj kapi ili zoni ionizacije) jakog električnog polja u blizini elektrode s malim polumjerom zakrivljenosti. Blijedoplavi ili ljubičasti sjaj plina unutar zone ionizacije, po analogiji s aureolom Sunčeve korone, dao je naziv ovoj vrsti pražnjenja.

Osim zračenja u vidljivom, ultraljubičastom (uglavnom), kao iu kraćim valnim duljinama spektra, koronsko pražnjenje prati i kretanje čestica plina s koronske elektrode — tzv. "Električni vjetar", brujanje, ponekad radio emisija, kemija, reakcije (na primjer, stvaranje ozona i dušikovih oksida u zraku).

Riža. 5. Koronsko pražnjenje u plin

Pravilnosti pojave električnog pražnjenja u različitim plinovima su iste, razlika je u vrijednostima koeficijenata koji karakteriziraju proces.