Файл: Метода6.doc

Лабораторная работа № 6 исследование коронного разряда

Целью работы: является ознакомление с основными свойствами корон­ного разряда и исследование работы стабилитронов на их основе.

Коронный разряд является самостоятельным разрядом в сравнительно плотном газе. Если к двум электродам, между которыми находится газовый промежу­ток, приложить электрическое поле, то при определенной разности потен­циалов между электродами, которую назовем критической и обозначим через U₀, возникает коронный разряд. Его появление существенным образом зави­сит от конфигурации электродов. Легче всего коронный разряд возникает между остриями, тонкими проволочками, шарами малого диаметра и т. п. Внешне коронный разряд проявляется в том, что в небольшом объеме газа (воздуха) около одного или обоих электродов возникает слабое свечение (в воздухе – сине-зеленого цвета). При прочих равных условиях вероятность появления свечения вокруг электрода, а, следовательно, короны, тем больше, чем меньше радиус кривизны электродов. Электрод, вокруг которого наблю­дается свечение, называют коронирующим электродом. Свечение, возни­кающее при коронном разряде около электрода, связано с элементарными процессами, происходящими на границе электрод - воздух или в объеме воз­духа вблизи электрода. В результате элементарных процессов в небольшом объеме воздуха вблизи электрода протекают ионизация, возбуждение, диссо­циация молекул азота и кислорода. Естественно, что в этом объеме воздуха должны развиваться и обратные процессы: рекомбинация ионов и электро­нов, образование отрицательных ионов, переход возбужденных молекул (атомов) из возбужденных состояний в нормальные с излучением квантов света и так далее. По своему спектральному составу свечение, наблюдаемое при коронном разряде в воздухе, состоит преимущественно из молекулярных по­лос испускания, принадлежащих второй положительной системе полос моле­кулярного азота и первой отрицательной системе полос ионизованного моле­кулярного кислорода, благодаря чему свечение концентрируется в сине-зеленой и ультрафиолетовой областях спектра.

Если коронирующий электрод присоединить к положительному полюсу источника питания, то коронный разряд называется положительной короной. При присоединении коронирующего электрода к отрицательному полюсу - отрицательной короной. Практически различия между спектральным соста­вом свечения, возникающего при положительной и отрицательной короне, не существует, хотя есть некоторая разница в самом характере свечения. В слу­чае положительной короны свечение вокруг коронирующего электрода рас­пределяется равномернее, чем при отрицательной короне. В последнем слу­чае свечение сосредоточено у отдельных точек коронирующего электрода. Кроме того, критические потенциалы коронного разряда и искрового пробоя U_п неодинаковы.

---

Возникновение коронного разряда объясняется, появлением вблизи коронирующего электрода резкой неоднородности электрического поля, значи­тельно превосходящей напряженность электрического поля на других участ­ках воздушного промежутка между электродами. Для возникновения корон­ного разряда напряженность поля у электрода должна превосходить электри­ческую прочность воздуха. В результате большой напряженности электриче­ского поля слой воздуха вблизи коронирующего электрода, будет пробит и станет проводящим. При этом около электрода возникает корона. Радиус проводящего слоя возрастает до тех пор, пока на его границе напряженность электрического поля не станет равной электрической прочности воздуха. Та­ким образом, при коронном разряде пробой газа распространяется не на весь воздушный междуэлектродный промежуток. Если приложенную к электро­дам разность потенциалов увеличивать сверх критического потенциала U₀, то с повышением U - сила разрядного тока быстро увеличивается, а толщина коронирующего слоя около электрода возрастает. Когда разность потенциа­лов между электродами достигает нового значения U_п, наступает искровой пробой всего газового промежутка.

---

Отрицательный коронный разряд

В разрядном промежутке коронного разряда электроны осуществляют ударную ионизацию, возбуждение и диссоциацию молекул воздуха. В итоге каждый свободный электрон способен на своем пути к аноду создать ряд но­вых электронов, образующих движущуюся от катода к аноду лавину. Наряду с образованием такой лавины в зоне ионизации появляются и положительные ионы, которые под действием электрического поля начинают двигаться к катоду, а также значительное число возбужденных молекул и атомов. При этом, например, молекулы воздуха под действием электронного удара в ко­ронном разряде могут возбуждаться до высоких энергий. Такие возбужден­ные молекулы (атомы) при переходе в нормальное состояние испускают кванты с большой энергией, преимущественно в области вакуумного ультра­фиолета, для которых характерен весьма большой показатель поглощения. Поглощаясь в воздушном промежутке, кванты будут ионизовать новые моле­кулы. Появление новых центров ионизации приводит к возникновению но­вых электронных лавин.

По мере удаления от катода напряженность электрического поля убыва­ет, что в свою очередь приводит к уменьшению скорости движения (энергии) свободных электронов в лавине. На некотором расстоянии L от катода элек­трическое поле ослаблено настолько, что свободные электроны, движущиеся в лавине, практически перестанут производить дальнейшую ионизацию мо­лекул (атомов) воздуха, из-за чего коэффициент объемной ионизации станет приблизительно равным нулю. Оставшиеся в воздушном промежутке сво­бодные электронные с малыми энергиями либо рекомбинируют с положи­тельными ионами, либо же, взаимодействуя с атомами и молекулами кисло­рода, образуют отрицательные ионы. Вероятность образования отрицатель­ных ионов в воздухе при нормальной плотности весьма велика из-за большо­го электронного сродства атомарного и молекулярного кислорода.

Следовательно, на расстоянии от катода свыше L, то есть за пределами области отрицательного коронного разряда, образуется внешняя униполярная область, носителями тока в которой являются отрицательные ионы кислоро­да (O², О^-). Под действием электрического поля такие ионы медленно пере­мещаются к аноду. Из-за малой подвижности отрицательных ионов кислоро­да за пределами области коронного разряда в воздушном промежутке обра­зуется отрицательный пространственный заряд, который будет препятство­вать продвижению к аноду отрицательных ионов, что приведет к ограниче­нию силы тока коронного разряда.

---

Несколько иная картина создается при образовании отрицательной ко­роны в электроположительных газах, например, в чистом азоте. В этом слу­чае за пределами области коронного разряда также находятся отрицательные заряды, однако, носителями тока являются свободные электроны. Поскольку подвижность свободных электронов во много раз больше подвижности отри­цательных ионов, при одной и той же силе тока плотность объемного заряда, образуемая свободными электронами, значительно меньше плотности объ­емного заряда, создаваемого отрицательными ионами кислорода. Поэтому в чистых электроположительных газах отрицательный объемный пространст­венный заряд ограничивает ток коронного разряда гораздо слабее, чем в га­зах, способных образовывать отрицательные ионы.

---

Положительный коронный разряд

В этом случае коронирующий электрод является анодом, а катодом слу­жит электрод с большим радиусом кривизны (например, плоскость). При по­ложительной короне основная роль отводится электронам, возникающим в процессе объемной фотоионизации молекул воздуха между электродами. При достаточно большой напряженности электрического поля свободный электрон приобретает значительную энергию на своем пути движения к ано­ду. Электроны, движущиеся в сильном электрическом поле, на своем пути к аноду станут ионизовать молекулы воздуха, что приведет к образованию электронной лавины, которая в конечном итоге попадает на анод. У анода, то есть в области положительного коронного разряда, протекают не только про­цессы ионизации электронным ударом, но и процессы возбуждения молекул воздуха и их продуктов диссоциации. Кванты света, испущенные такими мо­лекулами (атомами), будут ионизовать в объеме газа новые молекулы. Обра­зовавшиеся таким образом фотоэлектроны пополняют убыль электронов в области коронного разряда.

За пределами области положительного коронного разряда в межэлек­тродном воздушном промежутке находятся положительные ионы азота N₂⁺, N⁺, которые под действием электрического поля медленно перемещаются к катоду. Эти положительные ионы создают положительный пространствен­ный заряд, ограничивающий силу тока коронного разряда. Как и в случае от­рицательной короны, при увеличении разности потенциалов между электро­дами толщина коронирующего слоя в положительной короне возрастает и при некоторой критической разности потенциалов наступает искровой пробой.

Сила тока коронного разряда определяется величиной сопротивления внешней области короны. Поэтому для нахождения вольтамперной характе­ристики надо решать уравнение Пуассона для внешней области короны. Полная система уравнений, описывающих распределение поля во внешней области коронного разряда, имеет вид:

, , ,

Обычно на практике пользуются простыми приближенными формулами, либо найденные эмпирически, либо выведенными на основе теоретических расчетов при значительном упрощении задачи.

---