Các dạng phóng điện trong chất khí

Sự phóng điện trong chất khí bao gồm tất cả các trường hợp chuyển động trong chất khí dưới tác dụng của điện trường của các hạt tích điện (electron và ion) do quá trình ion hóa... Điều kiện tiên quyết để xảy ra sự phóng điện trong chất khí là sự có mặt của các chất khí tự do. điện tích trong đó - electron và ion.

Một chất khí chỉ bao gồm các phân tử trung tính hoàn toàn không dẫn điện, tức là một chất điện môi lý tưởng... Trong điều kiện thực tế, do tác dụng của các chất ion hóa tự nhiên (bức xạ cực tím từ Mặt trời, tia vũ trụ, bức xạ phóng xạ từ Trái đất, v.v.), chất khí luôn chứa một lượng điện tích tự do nhất định - các ion và điện tử, mang lại cho nó một độ dẫn điện nhất định.

Sức mạnh của các chất ion hóa tự nhiên rất thấp: do hoạt động của chúng, khoảng một cặp điện tích được hình thành trong không khí mỗi giây trên mỗi cm khối, tương ứng với sự gia tăng mật độ thể tích của điện tích po = 1,6-19 CL / (cm3 x inch ). Cùng một lượng điện tích trải qua quá trình tái hợp mỗi giây. Số điện tích trong 1 cm3 không khí đồng thời không đổi và bằng 500-1000 cặp ion.

Do đó, nếu đặt một hiệu điện thế lên các bản của một tụ điện không khí phẳng có khoảng cách S giữa các điện cực, thì một dòng điện sẽ được thiết lập trong mạch, mật độ của nó là J= 2poS = 3,2×10-19 S A / cm2 .

Việc sử dụng các chất ion hóa nhân tạo làm tăng mật độ dòng điện trong khí lên gấp nhiều lần. Ví dụ, khi khe hở khí được chiếu sáng bằng đèn thủy ngân-thạch anh, mật độ dòng điện trong khí tăng lên 10 - 12 A / cm2; trong trường hợp phóng điện chân thực gần thể tích bị ion hóa, dòng điện ở mức 10-10 A / cm2, v.v.

Xét sự phụ thuộc của cường độ dòng điện chạy qua một khe hở khí có điện trường đều vào giá trị của hiệu điện thế i đặt vào (Hình 1).

Cơm. 1. Đặc tính dòng – điện áp khi phóng điện

Ban đầu, khi điện áp tăng, dòng điện trong khe hở tăng lên do lượng điện tích tăng lên rơi xuống dưới tác dụng của điện trường trên các điện cực (phần OA). Trong phần AB, dòng điện thực tế không thay đổi, vì tất cả các điện tích hình thành do các chất ion hóa bên ngoài đều rơi vào các điện cực. Dòng điện bão hòa Is được xác định bởi cường độ của chất ion hóa tác động lên khe hở.

Khi điện áp tăng thêm, dòng điện tăng mạnh (đoạn BC), điều này cho thấy sự phát triển mạnh mẽ của các quá trình ion hóa khí dưới tác dụng của điện trường. Ở điện áp U0, dòng điện trong khe hở tăng mạnh, trong trường hợp này mất đi tính chất điện môi và biến thành dây dẫn.

Hiện tượng trong đó một kênh dẫn điện cao xuất hiện giữa các điện cực của khe hở khí được gọi là sự cố điện (sự cố trong chất khí thường được gọi là phóng điện, có nghĩa là toàn bộ quá trình hình thành sự cố).

Sự phóng điện tương ứng với phần của đặc tính OABS được gọi là phụ thuộc, vì trong phần này, dòng điện trong khe hở khí được xác định bởi cường độ của chất ion hóa hoạt động. Sự phóng điện trong phần sau điểm C được gọi là độc lập, vì dòng phóng điện trong phần này chỉ phụ thuộc vào các thông số của chính mạch điện (điện trở của nó và công suất của nguồn điện) và để duy trì nó, sự hình thành các hạt tích điện do ion hóa bên ngoài là không cần thiết. Điện áp Wo tại đó sự phóng điện bắt đầu được gọi là điện áp ban đầu.

Các hình thức tự hòa tan thành khí tùy thuộc vào các điều kiện mà quá trình phóng điện diễn ra, chúng có thể khác nhau.

Ở áp suất thấp, do số lượng nhỏ các phân tử khí trên một đơn vị thể tích, khe hở không thể thu được độ dẫn điện cao và phóng điện phát sáng... Mật độ dòng điện trong phóng điện phát sáng thấp (1-5 mA / cm2), phóng điện bao phủ toàn bộ không gian giữa các điện cực.

Cơm. 2. Phóng điện phát sáng trong khí

Ở áp suất khí gần bằng áp suất khí quyển và cao hơn, nếu công suất của nguồn điện thấp hoặc điện áp đặt vào khe hở trong thời gian ngắn thì xảy ra hiện tượng phóng tia lửa điện... Một ví dụ về hiện tượng phóng điện tia lửa điện là hiện tượng phóng điện ở dạng sét… Khi tiếp xúc với điện áp trong thời gian dài, sự phóng tia lửa điện có dạng tia lửa điện xuất hiện luân phiên giữa các điện cực.

Cơm. 3. Chân thành xả

Trong trường hợp nguồn năng lượng có công suất đáng kể, tia lửa phóng điện biến thành một vòng cung, trong đó dòng điện có thể chạy qua khe hở, đạt tới hàng trăm, hàng nghìn ampe. Dòng điện như vậy góp phần làm nóng kênh phóng điện, tăng độ dẫn điện của nó và kết quả là dòng điện tăng thêm. Vì quá trình này mất một thời gian để hoàn thành, nên với việc đặt điện áp trong thời gian ngắn, sự phóng tia lửa điện không biến thành sự phóng điện hồ quang.

Cơm. 4. Phóng điện hồ quang

Trong các trường không đồng nhất cao, quá trình tự phóng điện luôn bắt đầu ở dạng phóng điện corona, chỉ phát triển ở phần khe hở khí nơi cường độ trường cao nhất (gần các cạnh sắc của điện cực). Trong trường hợp phóng điện corona, độ dẫn cao qua kênh không xảy ra giữa các điện cực, tức là không gian vẫn giữ được các đặc tính cách điện của nó. Khi điện áp đặt vào tăng thêm, sự phóng điện hào quang chuyển thành sự phóng điện thực sự hoặc hồ quang.

Phóng điện corona - loại phóng điện tĩnh trong chất khí có mật độ đủ, xảy ra trong điện trường không đồng nhất mạnh. Quá trình ion hóa và kích thích các hạt khí trung tính bằng các trận lở electron được định vị trong một lượng vùng giới hạn (nắp nhật hoa hoặc vùng ion hóa) của một điện trường mạnh gần một điện cực có bán kính cong nhỏ. Ánh sáng xanh nhạt hoặc tím của chất khí bên trong vùng ion hóa, tương tự như vầng hào quang của vành nhật hoa, đã tạo ra tên gọi của loại phóng điện này.

Ngoài bức xạ trong vùng nhìn thấy, tia cực tím (chủ yếu), cũng như ở các bước sóng ngắn hơn của quang phổ, sự phóng điện corona còn đi kèm với sự chuyển động của các hạt khí từ điện cực corona - cái gọi là "Gió điện", vo ve, đôi khi là phát xạ vô tuyến, hóa học, phản ứng (ví dụ: sự hình thành ozon và oxit nitơ trong không khí).

Cơm. 5. Phóng điện corona vào khí gas

Các quy luật xuất hiện phóng điện trong các loại khí khác nhau là như nhau, sự khác biệt nằm ở các giá trị của các hệ số đặc trưng cho quá trình.