Электрический ток в газах

Коронный разряд применяется для  определения давления внутри лампы  накаливания. Величина разряда зависит  от острия и давления газа вокруг него. Острие у всех ламп одного типа —  это нить накала. Значит, коронный разряд будет зависеть только от давления. А значит, о давлении газа в лампе  можно судить по величине коронного  разряда.

Иногда можно использовать так  называемый «системный» способ уменьшения потерь мощности на корону. В зависимости  от обстоятельств (температура, влажность  и т. д.) диспетчер уменьшает напряжение в линии до определенной величины. В связи с этим задаются наименьшие допустимые сечения по короне.

110 кВ — 70 мм² (сейчас рекомендуется  использовать сечение 95 мм²).

150 кВ — 120 мм².

220 кВ — 240 мм².

 

 

2. Кистевой разряд.

Кистевой разряд -  форма электрического разряда в газах. Возникает в  случаях, когда одним из электродов служит тонкое остриё, формирующее  сильно неоднородное электрическое  поле. По характеру элементарных процессов  кистевой разряд близок искровому разряду  и переходит в него при повышении  напряжения между электродами. В  отличие от искрового разряда, при  кистевом разряде. пучок искр (кисть), расходящийся от острия, не достигает второго электрода. Эта и ряд других особенностей кистевой ракзряд позволяют рассматривать его как коронный разряд с резко выраженными прерывистыми явлениями. При понижении напряжения К. р. переходит в обычный коронный разряд.

3. Искровой разряд

 

Искрово́й разря́д (искра электрическая) — нестационарная форма электрического разряда, происходящая в газах. Такой разряд возникает обычно при давлениях порядка атмосферного и сопровождается характерным звуковым эффектом — «треском» искры. Температура в главном канале искрового разряда может достигать 10 000 К. В природе искровые разряды часто возникают в виде молний. Расстояние «пробиваемое» искрой в воздухе зависит от напряжения и считается равным 10 кВ на 1 сантиметр.

Условия

Искровой разряд обычно происходит, если мощность источника энергии  недостаточна для поддержания стационарного  дугового разряда или тлеющего разряда. В этом случае одновременно с резким возрастанием разрядного тока напряжение на разрядном промежутке в течение  очень короткого времени (от несколько микросекунд до нескольких сотен микросекунд) падает ниже напряжения погасания искрового разряда, что приводит к прекращению разряда. Затем разность потенциалов между электродами вновь растет, достигает напряжения зажигания и процесс повторяется. В других случаях, когда мощность источника энергии достаточно велика, также наблюдается вся совокупность явлений, характерных для этого разряда, но они являются лишь переходным процессом, ведущим к установлению разряда другого типа — чаще всего дугового. Если источник тока не способен поддерживать самостоятельный электрический разряд в течение длительного времени, то наблюдается форма самостоятельного разряда, называемая искровым разрядом.

Природа

Искровой разряд представляет собой пучок ярких, быстро исчезающих или сменяющих друг друга нитевидных, часто сильно разветвленных полосок  — искровых каналов. Эти каналы заполнены  плазмой, в состав которой в мощном искровом разряде входят не только ионы исходного газа, но и ионы вещества электродов, интенсивно испаряющегося  под действием разряда. Механизм формирования искровых каналов (и, следовательно, возникновения искрового разряда) объясняется стримерной теорией электрического пробоя газов. Согласно этой теории, из электронных лавин, возникающих в электрическом поле разрядного промежутка, при определенных условиях образуются стримеры — тускло светящиеся тонкие разветвленные каналы, которые содержат ионизированные атомы газа и отщепленные от них свободные электроны. Среди них можно выделить т. н. лидер — слабо светящийся разряд, «прокладывающий» путь для основного разряда. Он, двигаясь от одного электрода к другому, перекрывает разрядный промежуток и соединяет электроды непрерывным проводящим каналом. Затем в обратном направлении по проложенному пути проходит главный разряд, сопровождаемый резким возрастанием силы тока и количества энергии, выделяющегося в них. Каждый канал быстро расширяется, в результате чего на его границах возникает ударная волна. Совокупность ударных волн от расширяющихся искровых каналов порождает звук, воспринимаемый как «треск» искры (в случае молнии — гром).

Напряжение зажигания  искрового разряда, как правило, достаточно велико. Напряженность электрического поля в искре понижается от нескольких десятков киловольт на сантиметр (кв/см) в момент пробоя до ~100 вольт на сантиметр (в/см) спустя несколько микросекунд. Максимальная сила тока в мощном искровом разряде может достигать значений порядка нескольких сотен тысяч ампер.

Особый вид искрового  разряда — скользящий искровой разряд, возникающий вдоль поверхности  раздела газа и твёрдого диэлектрика, помещенного между электродами, при условии превышения напряженностью поля пробивной прочности воздуха. Области скользящего искрового  разряда, в которых преобладают  заряды какого-либо одного знака, индуцируют на поверхности диэлектрика заряды другого знака, вследствие чего искровые каналы стелются по поверхности диэлектрика, образуя при этом так называемые фигуры Лихтенберга. Процессы, близкие  к происходящим при искровом разряде, свойственны также кистевому  разряду, который является переходной стадией между коронным и искровым.

Поведение искрового разряда  очень хорошо можно разглядеть на замедленной съёмке разрядов (Fимп.=500 Гц,U=400 кВ), полученных с трансформатора тесла. Средний ток и длительность импульсов недостаточна для зажигания дуги, но для образования яркого искрового канала вполне пригодна.

4. Электрическая дуга (Вольтова дуга, Дуговой разряд)

Физическое явление, один из видов электрического разряда  в газе.

Впервые была описана в 1802 году русским учёным В. В. Петровым. Электрическая дуга является частным  случаем четвёртой формы состояния  вещества — плазмы — и состоит  из ионизированного, электрически квазинейтрального газа. Присутствие свободных электрических зарядов обеспечивает проводимость электрической дуги.

Электрическая дуга между  двумя электродами в воздухе  при атмосферном давлении образуется следующим образом:

При увеличении напряжения между двумя электродами до определённого  уровня в воздухе между электродами возникает электрический пробой. Напряжение электрического пробоя зависит от расстояния между электродами и пр. Зачастую, для инициирования пробоя при имеющемся напряжении электроды приближают друг к другу. Во время пробоя между электродами обычно возникает искровой разряд, импульсно замыкая электрическую цепь.

Электроны в искровых разрядах ионизируют молекулы в воздушном  промежутке между электродами. При  достаточной мощности источника  напряжения, в воздушном промежутке образуется достаточное количество плазмы для того, чтобы напряжение пробоя (или сопротивление воздушного промежутка) в этом месте значительно  упало. При этом искровые разряды  превращаются в дуговой разряд —  плазменный шнур между электродами, являющийся плазменным тоннелем. Эта  дуга является по сути проводником, и замыкает электрическую цепь между электродами, средний ток увеличивается ещё больше нагревая дугу до 5000K — 50000K. При этом считается, что поджиг дуги завершён.

Взаимодействие электродов с плазмой дуги приводит к их нагреву, частичному расплавлению, испарению, окислению  и другим видам коррозии.

После поджига, дуга может быть устойчива при разведении электрических контактов до некоторого расстояния.

При эксплуатации высоковольтных электроустановок, в которых неизбежно  появление электрической дуги, борьба с электрической дугой осуществляется при помощи электромагнитных катушек, совмещённых с дугогасительными камерами. Среди других способов известны использование вакуумных и масляных выключателей, а также методы отвода тока на временную нагрузку, самостоятельно разрывающую электрическую цепь.

Электрическая дуга используется при электросварке металлов, для  выплавки стали (Дуговая сталеплавильная  печь) и в освещении (в дуговых  лампах).

5. Пла́зма.

Пла́зма— в физике и химии полностью или частично ионизированный газ, который может быть как квазинейтральным, так и неквазинейтральным. Плазма иногда называется четвёртым (после твёрдого, жидкого и газообразного) агрегатным состоянием вещества.

Слово «ионизированный» означает, что от электронных оболочек значительной части атомов или молекул отделён по крайней мере один электрон. Слово «квазинейтральный» означает, что, несмотря на наличие свободных зарядов (электронов и ионов), суммарный электрический заряд плазмы приблизительно равен нулю. Присутствие свободных электрических зарядов делает плазму проводящей средой, что обуславливает её заметно большее (по сравнению с другими агрегатными состояниями вещества) взаимодействие с магнитным и электрическим полями. Четвёртое состояние вещества было открыто У. Круксом в 1879 году и названо «плазмой» И. Ленгмюром в 1928 году, возможно из-за ассоциации с плазмой крови.

Для того, чтобы газ перешел в состояние плазмы, его необходимо ионизировать. Степень ионизации пропорциональна числу атомов, отдавших или поглотивших электроны, и больше всего зависит от температуры. Даже слабо ионизированный газ, в котором менее 1 % частиц находятся в ионизированном состоянии, может проявлять некоторые типичные свойства плазмы (взаимодействие с внешним электромагнитным полем и высокая электропроводность). Степень ионизации α определяетя как α = ni/(ni + na), где ni — концентрация ионов, а na — концентрация нейтральных атомов. Концентрация свободных электронов в незаряженной плазме ne определяется очевидным соотношением: ne=<Z> ni, где <Z> — среднее значение заряда ионов плазмы.

Для низкотемпературной плазмы характерна малая степень ионизации (до 1 %). Так как такие плазмы довольно часто употребляются в технологических  процессах, их иногда называют технологичными плазмами. Чаще всего их создают  при помощи электрических полей, ускоряющих электроны, которые в  свою очередь ионизируют атомы. Электрические  поля вводятся в газ посредством  индуктивной или емкостной связи (см. индуктивно-связанная плазма). Типичные применения низкотемпературной плазмы включают плазменную модификацию свойств поверхности (алмазные пленки, нитридирование металлов, изменение смачиваемости), плазменное травление поверхностей (полупроводниковая промышленность), очистку газов и жидкостей (озонирование воды и сжигание частичек сажи в дизельных двигателях).

Горячая плазма почти всегда полностью ионизирована (степень  ионизации ~100 %). Обычно именно она понимается под «четвертым агрегатным состоянием вещества». Примером может служить  Солнце.

 

 

 

 

 

Заключение.

Электрический ток в газах  на первый взгляд не может существовать из-за отсутствия свободных заряженных частиц. Однако, при передаче атому  энергии порядка 10эВ (энергия, приобретаемая  свободным электроном при прохождении  через разность потенциалов в 10 В), последний переходит в ионизированное состояние (электрон уходит от ядра на сколь угодно большое расстояние).

В газах при комнатных  температурах всегда присутствует очень  небольшое количество ионизированных атомов, возникших под действием  космического излучения (фотоионизация). При помещении такого газа в электрическое поле заряженные частицы начинают разгоняться, передавая нейтральным атомам набранную кинетическую энергию и ионизуя их. В результате развивается лавинообразный процесс нарастания числа свободных электронов и ионов - возникает электрический разряд. Характерное свечение разряда связано с выделением энергии при рекомбинации электронов и положительных ионов. Типы электрических разрядов весьма разнообразны и сильно завися от состава газа и внешних условий.

В газах существуют несамостоятельные  и самостоятельные электрические  разряды.

Явление протекания электрического тока через газ, наблюдаемое только при условии какого-либо внешнего воздействия на газ, называется несамостоятельным  электрическим разрядом. Процесс  отрыва электрона от атома называется ионизацией атома. Минимальная энергия, которую необходимо затратить для  отрыва электрона от атома, называется энергией ионизации. Частично или полностью  ионизированный газ, в котором плотности  положительных и отрицательных  зарядов одинаковы, называется плазмой.

Носителями электрического тока при несамостоятельном разряде  являются положительные ионы и отрицательные  электроны. При самостоятельном  разряде одним из способов ионизации  атомов является ионизация электронным  ударом. Ионизация электронным ударом становится возможна тогда, когда электрон на длине свободного пробега приобретает  кинетическую энергию достаточную  для совершения работы по отрыву электрона  от атома. Виды самостоятельных разрядов в газах - искровой, коронный, дуговой  и тлеющий разряды.

Литература.

 

 

1.  Энгель А., Штенбек М., Физика и техника электрического разряда в газах, пер. с нем., т. 1—2, -М, 1996;
2. Курс физики “электричество и магнетизм” Стр. 264-285
3. Физика./Б. Б. Буховцев, Ю. Л. Климонтович, Г. Я. Мякишев. Издание 3-е, перераб. - М.: Просвещение, 1986.
4. Курс физики (в трех томах). Т. II. Электричество и магнетизм. Учеб. пособие для втузов./Детлаф А.А., Яворский Б. М., Милковская Л. Б. Изд. 4-е, перераб. - М.: Высшая школа, 1977. - 375 с.
5. Физика: Электродинамика. 10-11 кл.: учеб. для углубленного изучения физики/Г. Я. Мякишев, А. З. Синяков, Б. А. Слободсков. - 2-е издание - М.: Дрофа, 1998. - 480 с.