9. Дуга.

Виды дугового разряда

Разряды можно классифицировать по характеру процессов на катоде, состоянию плазмы положительного столба, по роду среды в которой протекает ток.

Дуга с горячим термоэмиссионным катодом

Катод в такой дуге бывает нагретым целиком до температуры около 3000К, так что сильный ток получается просто за счет интенсивной термоэлектронной эмиссии. Токовое пятно занимает на катоде большую площадь. Плотность j_k=10²-10⁴ А/см². Дуга привязана к одному и тому же месту катодной поверхности, и токовая площадка стационарна.

Дуги с внешним накалом катода

Это частный случай горячего термоэмиссионного катода, но катод нагревается не током катода, а от постоянного источника. Разряд является несамостоятельным. Для снижения температуры накала используют активированные катоды. При увеличении тока, когда ток разогревает катод сильнее, чем подвод внешней энергии, разряд может перейти в самостоятельный.

Дуги с «холодным» катодом и катодными пятнами

Ток в таких дугах протекает через одно или много маленьких, быстро и беспорядочно перемещающихся, возникающих и исчезающих пятен на катоде. Плотность тока в пятнах очень велика, j_k=10⁴-10⁷ А/см². На короткое время локализации пятна металл в данном месте сильно разогревается, разрушается, испаряется, но по соседству с пятнами и в целом катод остается сравнительно холодным.

Вакуумная дуга

Это дуга с катодными пятнами, которая зажигается между электродами, находящимися в вакууме, но горит в плотных металлических парах электрода, которыми немедленно заполняется разрядный промежуток вследствие сильной эрозии и испарения электродов.

Дуга высокого давления

Имеются в виду давления выше p≈0,1-0,5 атм, для которых характерно образование равновесной плазмы в положительном столбе. Особенно распространены дуги атмосферного давления. Столб дуги атмосферного давления – образец плотной низкотемпературной равновесной плазмы, поддерживаемой электрическим полем.

Дуга сверхвысокого давления, p≥10 атм

Столь плотная плазма излучает так сильно, что в столбе дуги в излучение перерабатывается до 80-90% выделяющегося джоулева тепла.

Дуги низкого давления

Это давления p≈10^-3-1 тор, при которых в положительном столбе получается сильно неравновесная плазма.

Дуга Гердиена

Такая дуга горит в закрученном водяном вихре, отжимающем токовый канал от узкой диафрагмы, через отверстие которой проходит канал. Вследствие испарения воды дуга горит практически в водяных парах.

При каких условиях возникает дуговой разряд

Дугу проще всего зажечь, приводя в контакт, а потом разъединяя электроды, подключенные к соответствующему источнику питания, который в состоянии дать достаточно сильный ток. Вмомент короткого замыкания электроды в месте контакта сильно раскаляются, частично испаряются, дают эмиссию, и в момент разведения в парах, которые обычно ионизируются легче, зажигается дуга. Потом пары замещаются газом, если он присутствует.

Для зажигания сильноточных дуг применяют вспомогательный анод, который вставляется между основными электродами так, чтобы он касался катода, а после подачи напряжения его быстро удаляют. Когда облако образующихся в момент короткого замыкания ионизированных паров достигает основного анода, зажигается дуга.

Переход из тлеющего разряда в дуговой

Переход при постепенном увеличении тока вызывается разогревом катода благодаря все возрастающей плотности тока в аномальном тлеющем разряде. В какой-то стадии начинается термоэлектронная эмиссия. При токах i ≈ 10^-2-10^-1 А горит аномальный тлеющий разряд. При i ≈ 0,1 - 0,2 А он теряет стабильность и срывается в дугу. Напряжение на электродах при этом резко падает, а ток возрастает.

Рассмотрите структуру дугового разряда

Назначение катодного слоя

В отсутствие постороннего накала катода катодный слой призван создать условия для самоподдержания тока. При термоэлектронной эмиссии ионы, рожденные в катодном слое, обязаны сообщать катоду энергию, необходимую для поддержания должной температуры. В дуге с горящим катодом термоэлектронная эмиссия дает долю S≈ 0,7- 0,9 полного тока, а ионы приносят на катод 1 - S≈0,1 – 0,3 тока. От одного иона с катода эмитируется S/(1 – S) ≈ 2 – 9 электронов. Это возможно только при большом токе сильно нагревающем катод. В электронейтральной плазме весть ток переносится электронами. В катодном слое дуги доля электронного тока должна вырасти всего на 1 – S ≈ 10 – 30%. Катодное падение в дуге порядка или даже меньше потенциала ионизации. В катодном слое ионы рождаются в большом количестве и приобретают в поле кинетическую энергию, которую несут к катоду, в дополнение к другим источникам: потенциальной энергии нейтрализации ионов, тепловому потоку из плазмы. В катодном слое происходит нетермический механизм сообщения энергии эмитированным электронам. Сильное электрическое поле, которое образуется у поверхности катода, благодаря эффекту Шоттки уменьшает работу выхода и облегчает термоэлектронную эмиссию. Само поле, как и катодное падение, возникает благодаря повышенной скорости рождения ионов в слое и накоплению положительного пространственного заряда из-за различия в скоростях устранения электронов и ионов.

Структура катодного слоя

Особенность – большая плотность тока на катоде. Вблизи катода образуется очень большой положительный пространственный заряд. Он обуславливает резкое падение поля и потенциала в исключительно тонком слое, который даже меньше длины свободного пробега ионов и электронов. На этот бесстолкновительный слой приходится значительная часть катодного падения потенциала. Бесстолкновительный слой у поверхности отделен от положительного столба более протяженным положительным слоем, где происходит усиленная ионизация атомов электронами. Здесь сосредоточен основной источник рождения ионов, которые несут ток к катоду. В бесстолкновительном слое электронная и ионная составляющие полного тока остаются неизменными и такими же, как на катоде. В соседней части катодного слоя электроны испытывают рассеивающие столкновения, часть их возвращается обратно к катоду. Они образуют небольшой обратный ток. Затормаживаясь полем в бесстолкновительном слое, электроны частично достигают катода.

От чего зависят параметры катодных областей дугового разряда

Рассмотрим бесстолкновительный слой у катода. Допустим, что все катодное падение потенциала сосредотачивается в бесстолкновительном слое. Поле на границе с плазмой гораздно меньше поля на границе с катодом. Энергии и скорости зарядов определяются проходимой им разностью потенциалов. Поле у катода:

Положительный объемный заряд, создаваемый ионами, способствует усилению поля у катода. Отрицательный заряд электронов частично компенсирует этот эффект. В чмсленном виде:

– толщина рассматриваемого слоя

где А-атомная масса иона, [В/см], [В], [А/см²].

Баланс энергии на катоде и доля ионного тока

Температура катода, от которой зависит плотность тока термоэмиссии, а также соотношение ионоой и электронной составляющих тока определяются из системы уравнений, описывающих баланс энергии на катоде, рождение зарядов в катодном слое и др. Каждый ион приносит к катоду свою кинетическую энергию, которую ое приобрел в катодном падении. Какую-то часть ее β₁ он отдает катоду при ударе; β₁ – коэффициент аккомодации. При нейтрализации иона выделяется энергия, равная потенциалу ионизации образующегося атома за вычетом работы выхода, которая затрачивается на извлечение нейтрализирующего электрона из металла. Какая-то доля ее β₂ также отдается катоду. Доли 1- β₁ , 1-β₂ остаются у отлетающего атома. При увеличении тока дуги температура и плотность тока на катоде возрастают, а катодное падение потенциала, поле у катода и доля ионного тока уменьшаются.

Что такое катодное пятно? Его структура. Направление движения в магнитном поле.

Концентрированные токовые центры возникают на катоде в условиях, когда нужно перенести значительный ток, а катод не может быть нагретым до высокой температуры. При i < 1 – 10 A, p < 1 тор катодные пятна образуются даже на тугоплавких веществах. На легкоплавких металлах пятна образуются при любых давлениях и токах.

Эволюция пятен

На ранней стадии разряда на катоде возникают маленькие, быстро, беспорядочно и независимо друг от друга меняющиеся пятна. Размеры их r ≈ 10^-4 – 10^-2 см, скорости v ≈ 10³ – 10⁴ см/с. Через время порядка 10^-4 с характер пятен меняется. Маленькие пятна объединяются в более крупные и менее подвижные ассоциации, скорости которых 10 – 10² см/с.

Пороговый ток, размножение

Через отдельное пятно не может течь слишком малый ток. Существует минимальный, пороговый ток на одно пятно, а следовательно, дуги в целом: i ≈ 0,1 – 1A. При уменьшении тока до i_min весь он концентрируется в одном единственном пятне, при i < i_min дуга гаснет. Для многих неферромагнитных материалов: i_min ≈ 2,5·10^-4T_кип А, где λ [Вт/(см·К)] – теплопроводность. При увеличении тока разряда число пятен возрастает.

Плотность тока

Если через пятно протекает ток i ≈ 10A, а радиус пятна r ≈ 10^-3 см, плотность тока составляет j ≈ i/πr²≈ 3·10⁶ А/см.

Испарение

Катодные пятна, в которые с ионным током поступает концентрированный поток энергии, являются источником интенсивных струй пара. На 10 эмитированных электронов испаряется примерно 1 атом. Скорости струй имеют порядок 10⁵ – 10⁶ см/с.

Пятно в магнитном поле

Штарк обнаружил обратное движение пятна дуги в магнитном поле, направленном касательно к поверхности. Пятно движется в направлении, противоположном магнитной силе [iH], действующей на ток.

Теория катодных пятен

В пятно поступает ионный ток. Ионы приносят кинетическую энергию, которую приобрели в катодном падении. Вместе с потенциальной энергией, выделяющейся при нейтрализации, она идет на разогрев металла. Это в совокупности с действием сильного поля вызывает эмиссию и испарение металла. Пары создают в случае вакуумного промежутка ту среду, которая ионизируется эмитированными электронами, ускоренными в катодном падении. Это является источником ионного тока.

Анодная часть дуги

Существуют две формы привязки дуги к поверхности.

Диффузная привязка

Ток занимает на аноде сравнительно большую площадь, плотность его j ≈ 10² А/см². Так быват, когда ан обладает большой поверхностью.

Анодные пятна.

Пятно образуется, когда анод небольшой. При какой-то силе тока происходит срыв, разряд на поверхности анода сжимается. Плотность тока в пятне имеет порядок j ≈ 10⁴ – 10⁵ А/см². Число пятен растет с ростом тока дуги и давления. Пятна иногда двигаются, по правильным траекториям типа концентрических кругов. Анодные пятна ярко светятся, мз них вырываются струи раскаленного пара.

Падение потенциала. Слой пространственного заряда

Анодное падение складывается из двух частей. Одна связана с возникновением слоя отрицательного объемного заряда у самой поверхности анода из-за того, что анод отталкивает положительные ионы в сторону катода. Она восполняет отсутствие ионного тока у анода за счет повышенной ионизации атомов газа или паров и соответствующего небольшого увеличения электронного тока.

Геометрическое падение

Когда анод обладает маленькой поверхностью, которая меньше сечения положительного столба, или когда дуга сильно сжата на аноде, токовый канал должен сжаться от столба к аноду. Сжатие канала при сохранении полного тока i ≈ n_eμ_eES_k (S_k – площадь сечения канала) возможно, если возрастают плотность электронов, скорость дрейфа, т.е. поле, или обе эти величены. И на дополнительное рождение электронов, чтобы скомпенсировать возрастающую с n_e рекомбинацию, и на ускорение дрейфа требуется повышенное поле, т.е. дополнительное напряжение. Так появляется в анодной области вторая составляющая падения потенциала.

Влияние привязки на ВАХ

В случае большого анода получается диффузная привязка, при малых токах анодное падение совсем мало. Почти все напряжение дуги падает в катодном слое. Анодное падение постепенно возрастает по мере увеличения тока. В случае маленького анода анодная часть напряжения резко возрастает при росте тока, потом происходит срыв и возникает анодное пятно. Это сопровождается резким уменьшением напряжения за счет уменьшения анодного падения.

Баланс энергии

В области анода, куда поступает ток, выделяется энергия. Она складывается из кинетической энергии электронов, которую электроны приобретают в анодном падении, и потенциальной энергии связи, которая выделяется при нейтрализации электронами положительного заряда ионов металла. В пятне при j ≈ 10⁴ А/см² плотность тока энергии составляет 10⁴·10 = 10⁵ Вт/см².

Положительный столб дуги высокого давления.

ВАХ

Поле в столбе находят, изменяя расстояние между электродами L при неизменном токе. При L > 0,5 – 1 см напряжение линейно зависит от L, так что E = dV/dL ≈ const. Это свидетельствует о продольной однородности длинного столба. Увеличение давления при фиксированном токе приводит к увеличению поля. Это вызвано возрастанием потерь на излучение и, возможно, некоторым увеличением теплоотдачи от плазмы к стенкам, что требует повышения погонной мощности W – E_i.

Излучение столба

Излучательная способность и интегральный выход излучения из столба зависят от газа, давления и силы тока. Они пропорциональны n_e². Очень велико излучение столба дуги при при сверхвысоких давлениях р ≥ 10 атм.

Уравнения столба равновесной плазмы

Рассмотрим длинный цилиндрический столб дуги в продольном поле E. Пусть дуга стационарно горит в неподвижном газе, заключенном в охлаждаемую трубку радиусом R. Давления атмосферные, температура плазмы не превышает 11000 – 12000 К. Потери на излучение не учитываем. Поскольку rot = 0, электрическое поле в однородном по длине столбе постоянно по сечению. Радиальное распределение проводимости σ, плотности тока j = σE, источников джоулева тепла w = jE = σE² [Вт/см³] определяется только распределением температуры через зависимость σ(Т). Баланс энергии плазмы: (уравнение Эленбааса - Геллера)

Граничные условия к уравнению при r = R T = T_w , где T_w – температура стенки; при r = 0 dT/dr = 0 вследствии симметрии. Температура токопроводящей плазмы гораздо выше температуры стенок, так что можно положить T_w = 0. Разрядный ток равен:

Закономерности столба

Чтобы уяснить закономерности столба, следует представить все его характеристики в зависимости от тока.

Повышение силы тока сопровождается почти пропорциональным возрастанием проводимости, что и позволяет плазме пропускать ток. Мощность повышается с i медленно. Поле E = W/i соответственно падает.

ВАХ столба падающая. Радиус канала

Увеличение тока сопровождается увеличением занимаемой им площади. Плотность тока возрастает также медленно как температура. Все величины , , W, являются функциями отношения .

Лекция №10. Коронный разряд.

1. Назовите необходимое условие для зажигания короны?

Резкая неоднородность электрического поля ( у электрода поле должно быть сильнее, чем в межэлектродном промежутке). Так обычно бывает, когда характерный размер электрода r гораздо меньше межэлектродного расстояния d.

2. Какие виды коронного разряда бывают?

Отрицательный и положительный коронные разряды.

3. Какой механизм размножения частиц при отрицательном коронируюещм электроде?

В отрицательной короне положительные ионы, ускоренные сильным полем вблизи коронирующего катода, выбивают из него электроны (вторичная электронная эмиссия). Вылетев из катода, электроны ударно ионизуют газ, порождая лавины и обеспечивая воспроизводство положительных ионов. В чистых электроположительных газах ток во внешней зоне переносится электронами, а в присутствии электроотрицательных газов, обладающих сродством к электрону, — отрицательными ионами, возникающими при «слипании» электронов и нейтральных молекул газа. Эти электроны или ионы образуют во внешней зоне отрицательный пространственный заряд, ограничивающий ток.

4. Какой механизм размножения частиц при положительном коронируюещм электроде?

Если коронирует только анод, корона называется положительной. В этом случае первичные электроны высвобождаются на внешней границе коронирующего слоя в результате фотоионизации газа фотонами, испускаемыми внутри короны. Ускоряясь в поле анода, эти электроны ударно возбуждают атомы и ионы газа и в актах ударной ионизации порождают электронные лавины. Во внешней зоне носителями тока являются положительные ионы; образуемый ими положительный пространственный заряд ограничивает ток

10.5. Как выглядит критерий Пика, для какой задачи он выведен?

- отношение плотности воздуха к нормальной плотности

- радиус коронирующего электрода

- напряженность электрического поля на поверхности коронирующего электрода

6. Как происходит перенос тока за область размножения частиц?

Вне светящегося слоя развития электронных лавин не происходит и ток здесь переносится только зарядами того же знака, что заряд коронирующего электрода, проникающими из светящейся области. Иными словами, разряд вне области свечения остается несамостоятельным. По мере увеличения напряжения на электродах сила тока коронного разряда увеличивается, светящийся слой расширяется и в конце концов наступает полный пробой. Таким образом, сила тока в короне ограничивается не сопротивлением внешней цепи, как это имеет место в других перечисленных выше формах самостоятельного разряда, а малой электропроводностью внешнего несветящегося слоя.

6. Где можно наблюдать коронный разряд?

Поля зажигания короны реализуются при наличии двух электродов, чаще различной геометрии, удаленных друг от друга на достаточно большое расстояние. Наиболее простыми конфигурациями являются острийные электроды, тонкие проволочные или сферические электроды с малым радиусом кривизны. Корона часто появляется на высоких остроконечных предметах (огни Святого Эльма), вокруг проводов линий электропередач и т. д

6. При каких давлениях существует коронный разряд?

При давлениях ниже или равных атмосферному.

6. Какое свечение у короны с отрицательным электродом?

Ровное свечение, без стримеров.

6. На что накладывают ограничение критерии зажигания короны?

Для цилиндрических электродов

1. Эмиссионные процессы: Вторичная ионно-электронная эмиссия. Поверхностная ионизация

1. На какие виды делится вторичная ионно-электронная эмиссия, чем они отличаются?

2. Условие для потенциальной эмиссии

3. Как действует на коэффициент ВИЭЭ загрязнение поверхности?

4. Существует ли энергетический порог у различных видов ВЭИИ? Почему?

5. Что такое Оже-процесс?

6. Как ведет себя γ_к в зависимости от энергии падающих ионов?

7. В чем отличия γ_к для диэлектриков и полупроводников от металлов?

8. что такое поверхностная ионизация

9. Напишите уравнение Саха- Ленгмюра, что с его помощью можно найти?

10. Что такое степень покрытия?

2.

3.

3.1. Что такое подвижность? (лекция №3)

3.2. Чем отличается результат вычисления подвижности при учете разброса по скоростям и длинам свободного пробега электронов? (лекция №3)

3.3. Чему равна доля энергии, передаваемая при столкновении электрона с атомом? (лекция №3)

3.4. Как сказывается наличие электрического поля на температуру электронов? (лекция №3)

3.5. Чем отличается выражение для подвижности ионов? (лекция №3)

3.6. Можно ли вычислять подвижность ионов по первой теории Ланжевена, если да, то при каких условиях? (лекция №3)

3.7. Как измеряется подвижность частиц в методе электрических затворов? (лекция №3)

3.8. Как меняется подвижность с ростом электрическго поля? (лекция №3)

3.9. Почему при измерении подвижности отрицательных ионов получаются значения на несколько порядков больше, чем при измерении подвижности положительных ионов? (лекция №3)

3.10. Что из себя представляет длина свободного пробега входящая в формулу для подвижности? (лекция №3)

4.

1. Что такое дифффузия?

2. Какие вы знаете законы Фика?

3. Какое выражение для диффузии известно из газокинетической теории?

4. Каким сотношением определяется связь диффузии и подвижности частиц?

5. В каких плазмах можно пользоваться соотношением для диффузии и подвижности частиц?

6. Что такое амбиполярная диффузия?

7. что такое модель эквивалентного давления?

8. Что происходит с коэффициентом диффузии в магнитном поле?

9. Чем отличается запись коэффициента диффузии сильных магнитных полей и слабых полей?

10. Как можно измерить диффузию?

5.

1. Какие факторы нужны для появления в разрядном промежутке тока?

2. На какие две основные группы можно разделить ток в газе?

3. Что такое самостоятельный ток?

4. Что такое несамостоятельный ток?

5. Какой ток подразумевают, когда говорят о классификации по месту возникновения: на электродах или в объеме?

6. Что такое установившийся ток, какие примеры такого тока вы можете назвать?

7. При рассмотрении несамостоятельного тока без ионизационного усиления какие делаются допущения?

8. Какие частные случаи целесообразно рассмотреть при анализе несамостоятельного тока в разрядном промежутке? Почему?

9. Как можно посчитать максимальную концентрацию частиц в объеме создаваемую внешним ионизатором?

10. В каком случае газовый промежуток можно характеризовать удельным сопротивлением и проводимостью?

Лекция 6. Несамостоятельный ток с ионизационным усилением.

1. Что такое коэффициент α ?

2. В чем выражается ионизационное усиление?

3. К чему приводит учет γ- процессов на катоде?

4. Напишите условие пробоя Пашена.

5. Что такое приведенная напряженность электрического поля?

6. Что такое цена иона?

7. Что такое точка Столетова?

8. Какие эмпирические формулы для коффициента ионизационного усиления вы знаете?

9. Как ведет себя зависимость коэффициента ионизационного усиления от приведенной напряженности поля.

10. Чем обусловлено стягивание поля к катоду после зажигания самостоятельного разряда?