Электрический разряд в газах возникает при протекании электрического тока через газовую среду вследствие ионизации газа. В зависимости от ряда факторов разряд может излучать видимый свет. Свойства электрических разрядов в газах изучаются в связи с проектированием источников освещения и при проектировании высоковольтного электрооборудования.
Типы разряда
Эффект лавины между двумя электродами. Первоначальный акт ионизации освобождает один электрон, а каждое последующее столкновение освобождает еще один электрон, так что в результате каждого столкновения появляются два электрона: ионизирующий электрон и освобожденный электрон.Переход от тлеющего к дуговому разряду в аргоне путем повышения давления газа .Вольт-амперные характеристики электрического разряда в неоне при 1 торр с двумя плоскими электродами, разнесенными на 50 см. [ сомнительно – обсудить ] A: случайные импульсы космического излучения B: ток насыщения C: лавинный разряд Таунсенда D: самоподдерживающийся разряд Таунсенда E: нестабильная область: коронный разряд F: субнормальный тлеющий разряд G: нормальный тлеющий разряд H: аномальный тлеющий разряд I: нестабильная область: переход тлеющего разряда в дугу J: электрическая дуга K: электрическая дуга Область AD называется темным разрядом; есть некоторая ионизация, но ток ниже 10 микроампер и нет значительного количества производимого излучения. Область FH является областью тлеющего разряда; плазма испускает слабое свечение, которое занимает почти весь объем трубки; большая часть света испускается возбужденными нейтральными атомами. Область IK является областью дугового разряда; плазма сосредоточена в узком канале вдоль центра трубки; производится большое количество излучения.
I : Таунсендовский разряд , ниже напряжения пробоя . При низких напряжениях единственным током является ток, возникающий из-за генерации носителей заряда в газе космическими лучами или другими источниками ионизирующего излучения. По мере увеличения приложенного напряжения свободные электроны, несущие ток, получают достаточно энергии, чтобы вызвать дальнейшую ионизацию, вызывая электронную лавину . В этом режиме ток увеличивается от фемтоампер до микроампер, т. е. на девять порядков величины, при очень небольшом дальнейшем увеличении напряжения. Вольт-амперные характеристики начинают сужаться вблизи напряжения пробоя, и свечение становится видимым.
II : тлеющий разряд , который происходит после достижения напряжения пробоя. Напряжение на электродах внезапно падает, а ток увеличивается до миллиамперного диапазона. При более низких токах напряжение на трубке почти не зависит от тока; это используется в трубках-регуляторах напряжения тлеющего разряда . При более низких токах площадь электродов, охватываемых тлеющим разрядом, пропорциональна току. При более высоких токах нормальное свечение превращается в ненормальное свечение, напряжение на трубке постепенно увеличивается, и тлеющий разряд охватывает все большую и большую поверхность электродов. Маломощные коммутационные устройства (тиратроны тлеющего разряда), стабилизация напряжения и осветительные приборы (например, газоразрядные лампы , декатроны , неоновые лампы ) работают в этой области.
Тлеющий разряд облегчается электронами, ударяющими по атомам газа и ионизирующими их. Для образования тлеющего разряда длина свободного пробега электронов должна быть достаточно большой, но короче расстояния между электродами; поэтому тлеющие разряды нелегко возникают как при слишком низком, так и при слишком высоком давлении газа.
Напряжение пробоя для тлеющего разряда нелинейно зависит от произведения давления газа и расстояния между электродами согласно закону Пашена . При определенном значении давления × расстояние существует наименьшее напряжение пробоя. Увеличение напряжения пробоя для более коротких расстояний между электродами связано со слишком большой длиной свободного пробега электронов по сравнению с расстоянием между электродами.
Небольшое количество радиоактивного элемента может быть добавлено в трубку, либо как отдельный кусок материала (например, никель-63 в критронах ), либо как добавка к сплаву электродов (например, торий ), чтобы предварительно ионизировать газ и повысить надежность электрического пробоя и зажигания тлеющего или дугового разряда. Также может быть использован газообразный радиоактивный изотоп, например, криптон-85 . Также могут быть использованы электроды зажигания и электроды поддержания активности разряда. [2]
Часто используется отношение E/N между электрическим полем E и концентрацией нейтральных частиц N, поскольку средняя энергия электронов (и, следовательно, многие другие свойства разряда) является функцией E/N. Увеличение электрической напряженности E в некоторый q-множитель имеет те же последствия, что и уменьшение плотности газа N в q-множитель.
Использование тлеющего разряда для решения некоторых картографических задач было описано в 2002 году. [3] Согласно статье в журнале Nature, описывающей эту работу, [4] исследователи из Имперского колледжа Лондона продемонстрировали, как они построили мини-карту, которая дает туристам светящиеся указатели маршрута. Чтобы сделать однодюймовый лондонский чип, команда выгравировала план центра города на стеклянном предметном стекле. Установка плоской крышки сверху превратила улицы в полые, соединенные трубки. Они заполнили их гелием и вставили электроды в ключевые туристические узлы. Когда напряжение подается между двумя точками, электричество естественным образом проходит по улицам по кратчайшему пути от А до В — и газ светится, как крошечная светящаяся полоска. Сам подход обеспечивает новый видимый аналоговый вычислительный подход для решения широкого класса задач поиска в лабиринте, основанный на свойствах свечения тлеющего разряда в микрофлюидном чипе.
Ссылки
^ Справочные данные для инженеров: радио, электроника, компьютеры и связь Венди Миддлтон, Мак Э. Ван Валкенбург, стр. 16-42, Newnes, 2002 ISBN 0-7506-7291-9
↑ Справочник по оптоэлектронике, том 1 Джона Дейкина, Роберта Г. В. Брауна, стр. 52, CRC Press, 2006 ISBN 0-7503-0646-7
^ Рейес, DR; Ганем, MM; Уайтсайдс, GM; Манц, A. (2002). «Тлеющий разряд в микрофлюидных чипах для видимых аналоговых вычислений». Lab on a Chip . 2 (2): 113–6. doi :10.1039/B200589A. PMID 15100843.
^ "Тлеющий разряд в микрофлюидных чипах для видимых аналоговых вычислений". Nature . 27 мая 2002 г. doi :10.1038/news020520-12.
