Электрический разряд в газах
Л Е К Ц И Я
по дисциплине "Электроника и пожарная автоматика" для курсантов и студентов
по специальности 030502.65 – «Судебная экспертиза»
по теме № 1.«Полупроводниковые, электронные, ионные приборы»
Тема лекции «Индикаторные и фотоэлектрические приборы».
Индикаторные приборы
Электрический разряд в газах.
Газоразрядными (ионными) называют электровакуумные приборы с электрическим разрядом в газе или парах. Газ в таких приборах находится под пониженным давлением. Электрический разряд в газе (в паре) это совокупность явлений, сопровождающих прохождение через него электрического тока. При таком разряде протекает несколько процессов.
Возбуждение атомов.
Под ударом электрона один из электронов атома газа переходит на более удаленную орбиту (на более высокий энергетический уровень). Такое возбужденное состояние атома длится 10-7 – 10-8 секунды, после чего электрон возвращается на нормальную орбиту, отдавая при этом в виде излучения полученную при ударе энергию. Излучение сопровождается свечением газа, если излучаемые лучи относятся к видимой части электромагнитного спектра. Для того, чтобы произошло возбуждение атома, ударяющий электрон должен иметь определенную энергию, так называемую энергию возбуждения.
Ионизация.
Ионизация атомов (или молекул) газа происходит при энергии ударяющего электрона большей, чем энергия возбуждения. В результате ионизации из атома выбивается электрон. Следовательно, в пространстве будут два свободных электрона, а сам атом превратится в положительный ион. Если эти два электрона при движении в ускоряющем поле наберут достаточную энергию, каждый из них может ионизировать новый атом. Свободных электронов будет уже четыре, а ионов – три. Происходит лавинообразное нарастание числа свободных электронов и ионов.
Возможна ступенчатая ионизация. От удара одного электрона атом переходит в возбужденное состояние и, не успев вернуться к нормальному состоянию, ионизируется от удара другого электрона. Увеличение в газе числа заряженных частиц за счет ионизации (свободных электронов и ионов) называют электризацией газа.
Рекомбинация.
Наряду с ионизацией в газе происходит и обратный процесс нейтрализации противоположных по знаку зарядов. Положительные ионы и электроны совершают в газе хаотическое движение, и приближаясь друг к другу могут соединиться, образуя нейтральный атом. Этому способствует взаимное притяжение разноименно заряженных частиц. Восстановление нейтральных атомов называют рекомбинацией. Так как на ионизацию затрачивается энергия, положительный ион и электрон в сумме имеют энергию большую, чем нейтральный атом. Поэтому рекомбинация сопровождается излучением энергии. Обычно при этом наблюдается свечение газа.
При возникновении электрического разряда в газе перевес имеет ионизация, при уменьшении его интенсивности – рекомбинация. При постоянной интенсивности электрического разряда в газе наблюдается установившийся режим, при котором число свободных электронов (и положительных ионов), возникающих за единицу времени вследствие ионизации в среднем равно числу нейтральных атомов, получающихся вследствие рекомбинации. С прекращением разряда ионизация исчезает и, вследствие рекомбинации, восстанавливается нейтральное состояние газа.
Для рекомбинации требуется некоторый отрезок времени, поэтому деионизация совершается за 10-5 – 10-3 секунд. Таким образом, по сравнению с электронными приборами, газоразрядные приборы значительно более инерционны.
Виды электрических разрядов в газах.
Различают самостоятельный и несамостоятельный разряды в газе. Самостоятельный разряд поддерживается под действием только электрического напряжения. Несамостоятельный разряд может существовать при условии, что помимо напряжения действуют еще какие-либо дополнительные факторы. Ими могут быть излучение света, радиоактивное излучение, термоэлектронная эмиссия накаленного электрода и т.д.
Несамостоятельным является темный или тихий разряд. Свечение газа обычно незаметно. В газоразрядных приборах он практически не используется.
К самостоятельным относится тлеющий разряд. Для него характерно свечение газа, напоминающее свечение тлеющего угля. Разряд поддерживается за счет электронной эмиссии катода под ударами ионов. К приборам тлеющего разряда относятся стабилитроны (газоразрядные стабилизаторы напряжения), газосветные лампы, тиратроны тлеющего разряда, знаковые индикаторные лампы и декатроны (газоразрядные счетные приборы).
Дуговой разряд может быть как несамостоятельным, так и самостоятельным. Дуговой разряд получается при плотности тока значительно большей, чем в тлеющем разряде и сопровождается интенсивным свечением газа. К приборам несамостоятельного дугового разряда относятся газотроны и тиратроны с накаленным катодом. К приборам самостоятельного дугового разряда относятся ртутные вентили (экситроны) и игнитроны, имеющие жидкий ртутный катод, а также газовые разрядники.
Искровой разряд имеет сходство с дуговым разрядом. Он представляет собой кратковременный импульсный электрический разряд. Используется в разрядниках, служащих для кратковременного замыкания тех или иных цепей.
Высокочастотный разряд может возникать в газе под действием переменного электромагнитного поля даже при отсутствии токопроводящих электродов.
Коронный разряд является самостоятельным и используется в газоразрядных приборах для стабилизации напряжения. Наблюдается в случаях, когда один из электродов имеет очень малый радиус.