Электрический разряд в газах - Википедия - Electric discharge in gases

Электрический разряд в газах происходит когда электрический ток течет через газообразный средний из-за ионизация газа. В зависимости от нескольких факторов разряд может излучать видимый свет. Свойства электрических разрядов в газах изучаются в связи с проектированием источников освещения и проектирования высоковольтного электрооборудования.

Типы разряда

Эффект лавины между двумя электродами. Первоначальное событие ионизации освобождает один электрон, а каждое последующее столкновение освобождает еще один электрон, поэтому при каждом столкновении появляются два электрона: ионизирующий электрон и освобожденный электрон.
Переход от тлеющего разряда к дуговому в аргоне за счет увеличения давление газа.
Вольт-амперная характеристика электрического разряда в неоне при давлении 1 торр с двумя плоскими электродами, расположенными на расстоянии 50 см.[сомнительный – обсуждать]
A: случайные импульсы космическое излучение
B: ток насыщения
C: лавина Выписка из Таунсенда
D: самостоятельная разрядка Таунсенда
E: нестабильный регион: коронный разряд
F: субнормальный тлеющий разряд
G: нормальный тлеющий разряд
H: аномальный тлеющий разряд
I: нестабильная область: переход тлеющей дуги
J: электрическая дуга
K: электрическая дуга
Область A-D называется темным разрядом; есть некоторая ионизация, но сила тока ниже 10 микроампер и значительного количества излучения не происходит.
Область F-H - это область тлеющего разряда; плазма излучает слабое свечение, которое занимает почти весь объем трубки; большая часть света излучается возбужденными нейтральными атомами.
Область I-K - это область дугового разряда; плазма концентрируется в узком канале по центру трубки; производится большое количество радиации.

В холодный катод В трубках электрический разряд в газе имеет три области с четко выраженными вольт-амперные характеристики:[1]

  • я: Выписка из Таунсенда, ниже напряжение пробоя. При низких напряжениях единственным током является ток, возникающий из-за генерации носителей заряда в газе космическими лучами или другими источниками ионизирующего излучения. По мере увеличения приложенного напряжения свободные электроны, несущие ток, набирают достаточно энергии, чтобы вызвать дальнейшую ионизацию, вызывая электронная лавина. В этом режиме ток увеличивается от фемтоампер до микроампер, то есть на девять порядков, для очень небольшого дальнейшего увеличения напряжения. Вольт-амперная характеристика начинает спадать около напряжения пробоя, и свечение становится видимым.
  • II: тлеющий разряд, которое происходит при достижении напряжения пробоя. Напряжение на электродах внезапно падает, а сила тока увеличивается до миллиампер. При более низких токах напряжение на трубке практически не зависит от тока; это используется в тлеющем разряде трубки регулятора напряжения. При меньших токах площадь электродов, покрываемых тлеющим разрядом, пропорциональна току. При более высоких токах нормальное свечение превращается в ненормальное свечение, напряжение на трубке постепенно увеличивается, и тлеющий разряд покрывает все большую и большую поверхность электродов. Маломощное переключение (тиратроны тлеющего разряда), стабилизация напряжения и освещение (например, Nixie трубы, декатроны, неоновые лампы ) работают в этом регионе.
  • III: дуговая разрядка, что происходит в амперном диапазоне тока; напряжение на трубке падает с увеличением тока. Сильноточные коммутационные лампы, например срабатывающий искровой разрядник, игнитрон, тиратрон и Критрон (и это вакуумная труба производный спритрон, с помощью вакуумная дуга ), высокое напряжение ртутно-дуговые клапаны и мощные источники света, например ртутные лампы и металлогалогенные лампы, работают в этом диапазоне.

Тлеющий разряд облегчается за счет ударов электронов об атомах газа и их ионизации. Для образования тлеющего разряда длина свободного пробега длина электронов должна быть достаточно длинной, но короче, чем расстояние между электродами; Поэтому тлеющие разряды не всегда возникают как при слишком низком, так и при слишком высоком давлении газа.

В авария Напряжение тлеющего разряда нелинейно зависит от произведения давления газа на расстояние между электродами согласно Закон Пашена. Для определенного значения давления × расстояния существует наименьшее напряжение пробоя. Увеличение напряжения удара для более коротких расстояний между электродами связано со слишком большой длиной свободного пробега электронов по сравнению с расстоянием между электродами.

Небольшое количество радиоактивного элемента может быть добавлено в трубку либо как отдельный кусок материала (например, никель-63 в Критроны ) или как добавка к сплаву электродов (например, торий ), для предварительной ионизации газа и повышения надежности электрического пробоя и зажигания тлеющего или дугового разряда. Газообразный радиоактивный изотоп, например криптон-85, также можно использовать. Также могут использоваться электроды зажигания и электроды для поддержания активности.[2]

Отношение E / N между электрическое поле E и концентрация нейтральных частиц N часто используется, потому что средняя энергия электронов (и, следовательно, многие другие свойства разряда) являются функцией E / N. Увеличение электрической напряженности E в некоторый q раз имеет те же последствия, что и уменьшение плотности газа N в q раз.

Его Единица СИ составляет В · см2, но Таунсенд (Td) часто используется.

Применение в аналоговых вычислениях

Использование тлеющего разряда для решения некоторых задач картографирования было описано в 2002 году.[3] Согласно статье новостей Nature, описывающей эту работу,[4] Исследователи из Имперского колледжа Лондона продемонстрировали, как они построили мини-карту, на которой туристам отображаются световые указатели маршрута. Чтобы создать однодюймовую лондонскую фишку, команда нанесла план центра города на стеклянную пластину. Установка плоской крышки сверху превратила улицы в полые соединенные трубы. Они заполнили их гелием и вставили электроды в ключевые туристические центры. Когда напряжение подается между двумя точками, электричество естественным образом проходит по улицам по кратчайшему маршруту от A до B - и газ светится, как крошечная светящаяся полоска. Сам подход обеспечивает новый видимый аналоговые вычисления подход к решению широкого класса задач поиска лабиринтов, основанный на свойствах зажигания тлеющего разряда в микрожидкостном чипе.

Рекомендации

  1. ^ Справочные данные для инженеров: радио, электроника, компьютеры и связь Венди Миддлтон, Мак Э. Ван Валкенбург, стр. 16-42, Новости, 2002 г. ISBN  0-7506-7291-9
  2. ^ Справочник по оптоэлектронике, Том 1 Джона Дакина, Роберта Г. В. Брауна, стр. 52, CRC Press, 2006 г. ISBN  0-7503-0646-7
  3. ^ Reyes, D. R .; Ghanem, M. M .; Whitesides, G.M .; Манц, А. (2002). «Тлеющий разряд в микрофлюидных чипах для видимых аналоговых вычислений». Лаборатория на чипе. 2 (2): 113–6. Дои:10.1039 / B200589A. PMID  15100843.
  4. ^ «Тлеющий разряд в микрофлюидных чипах для видимых аналоговых вычислений». Природа. 27 мая 2002 г. Дои:10.1038 / news020520-12.