Несамостоятельный и самостоятельный разряд

Газовым разрядом называется прохождение через газ электрического тока. Выше отмечалось, что газ проводит ток лишь в том случае, если часть его молекул ионизирована.

Пусть между плоскими электродами находится газ. Если газ подвергается действию внешнего ионизатора, а напряжение между электродами равно нулю, то концентрация электронов и ионов определяется процессами ионизации и рекомбинации.

Если же между электродами создано электрическое поле, то электроны и ионы движутся к электродам. Часть частиц рекомбинирует, а часть попадает на электроды. В цепи течет ток. При малых напряжениях большая часть частиц рекомбинирует. Ток в газе в этом случае подчиняется закону Ома:

, (1.7)

здесь – плотность тока; – удельная электропроводность; – напряженность электрического поля; – площадь электрода; – расстояние между электродами.

При увеличении напряжения все больше и больше частиц попадает на электроды, и все меньше их рекомбинирует. Ток перестает подчиняться закону Ома.

При некотором напряжении все ионы, возникающие в газе, попадают на электроды [11]. Ток достигает насыщения и перестает расти. Величина тока насыщения зависит от мощности ионизатора и равна:

, (1.8)

где – заряд иона, – число ионов, создаваемых ионизатором во всем объеме газа за 1 секунду.

Дальнейшее увеличение напряжения не влияет на величину тока.

Рассмотренный разряд называется несамостоятельным, так как он происходит за счет действия внешнего ионизатора и прекращается, если прекращается действие ионизатора. Если после достижения насыщения продолжать увеличивать напряжение на электродах, то при некотором напряжении ток в цепи резко возрастает и продолжает течь даже при отсутствии внешнего ионизатора. Разряд становится самостоятельным. Он поддерживается за счет процессов, происходящих в объеме газа и на электродах. Напряжение называется напряжением пробоя или напряжением зажигания газового разряда.

На рис. 1.3 приведена вольтамперная характеристика газового разряда.

Рис. 1. 3. Вольт - амперная характеристика газового разряда:
– область несамостоятельного разряда ( < ); – область самостоятельного разряда ( > )

Тлеющий разряд

Как указывалось выше, особенность газов как проводников тока состоит в том, что электрический разряд в газе сам создает носители тока ¾ свободные электроны и ионы и обуславливает их концентрацию и распределение в объеме газа. В зависимости от давления, рода газа, процессов на электродах, плотности разрядного тока и др. возникают различные типы разрядов: тихий, тлеющий, дуговой, искровой, коронный, кистевой. По способу подведения энергии различают: разряд на постоянном токе, переменном токе низкой частоты, высокочастотный разряд, импульсный разряд.

Мы ограничимся рассмотрением тлеющего разряда. Тлеющий разряд возникает в газе при низком давлении ( ~ 1 мм рт. ст.) и большой напряженности электрического поля вблизи катода. В естественном состоянии газ всегда частично ионизирован за счет космического излучения и других взаимодействий, хотя степень ионизации очень мала. Под действием электрического поля электроны и ионы приходят в движение. Так как длина свободного пробега при пониженном давлении велика, то к концу свободного пробега электроны приобретают энергию, достаточную для ионизации молекул [27]. Электроны, выбитые из молекул, в свою очередь разгоняются полем и ионизируют газ. Происходит лавинообразное нарастание числа электронов и ионов. Как указывалось в п.1.1, ионы при одинаковой энергии с электронами ионизировать молекулы не могут, так как их масса велика. Но при ударе о катод ионы выбивают из него электроны, которые затем разгоняются полем и ионизируют газ. Концентрация ионов и электронов вблизи анода велика, поэтому в этой области происходит интенсивная рекомбинация, сопровождаемая свечением газа.

Таким образом, разряд поддерживается за счет объемной ионизации газа электронами и выбивания электронов из катода при бомбардировке его ионами.