Виды разрядов. Применение газовых разрядов

1. При небольших давлениях и напряжениях порядка U=200 – 1000 В возникает тлеющий разряд.

Опыт 10.2. Прохождение электрического тока через воздух при постепенном его разрежении

Оборудование:

1. Двухэлектродная трубка для демонстрации электрического разряда

2. Вакуум - насос ротационный или Комовского

3. Выпрямитель высоковольтный

4. Гальванометр демонстрационный от амперметра

5. Резиновый шланг толстостенный

6. Сопротивление ограничительное порядка 2–3 МОм

7. Провода соединительные

Рис. 81.

Если рассмотреть газоразрядную трубку во время протекания разряда, то можно заметить, что разряд неоднороден. Выделяют (Рис. 81):

· Астоново темное пространство;

· катодную пленку;

· катодное темное пространство;

· тлеющее свечение;

· Фарадеево темное пространство;

· положительный столб.

Основными для протекания и поддержки заряда является катодное темное пространство, в котором электроны разгоняются, и тлеющее свечение, где происходит рекомбинация. Если постепенно сближать анод и катод, уменьшая длину разряда, то в конце концов останутся только два этих участка.

Рис. 82.

Этот разряд применяется в основном для целей освещения, рекламы и так далее. Однако на основе тлеющего разряда, например, в парах ртути, созданы выпрямительные лампы, способные давать ток порядка тысяч и десятков тысяч ампер. Применяются разряды также в устройствах, которые работают в режиме ключей, например, тиратроны холодного накала, газотроны.

Также с помощью этого типа разряда происходит напыление тонких слоев различных металлов.

 

Опыт 10.3. Тлеющий разряд.

Цель работы: получить тлеющий разряд.

Оборудование:

1. Катушка Румкорфа

2. Стеклянная колба

3. Вакуумный насос

Рис.83.

Ход работы.

1. К концам стеклянной колбы длиной порядка 1 м подведено напряжение от катушки Румкорфа, и один из концов колбы подсоединен к вакуумному насосу. Включим откачку и подадим напряжение. При давлении порядка атмосферного разряд не возникает.

2. Давление упало до нескольких десятков мм рт. ст. Наблюдается светящийся столб газа внутри колбы. Вблизи катода катодное свечение, отделенное от электрода темным прикатодным пространством, далее темный промежуток и практически равномерно светящийся по всей длине колбы анодный столб.

3. С уменьшением давления в колбе уменьшается длина анодного свечения, изменяется цвет свечения. От красной части спектра он переходит практически на весь видимый диапазон. При очень внимательном наблюдении можно заметить начало зеленоватого свечения стенок трубки, которое образуется за счет электронной бомбардировки стенок вылетающих с катода частиц. Вблизи катода видны волновые структуры свечения газа, так называемые страты, связанные с волнами ионизации в положительном анодном столбе.

Вывод: с помощью катушки Румкорфа, стеклянной колбы и вакуумного насоса мы получили тлеющий разряд.

2. Искровой разряд происходит при нормальном давлении, но при огромных потенциалах. Примером искрового разряда может служить молния. Перед разрядом возникает слабо светящийся канал в газах, сопротивление которого меньше, чем остальных участков газа. Этот канал называют стримером, именно по нему и проходит разряд.

Опыт 10.4. Искровой разряд.

Цель: продемонстрировать искровой разряд.

Оборудование:

1. Большая индукционная катушка

2. Плоский диск

Ход работы.

При демонстрации используется большая индукционная катушка. Разряд проходит между острием и плоским диском. При малом расстоянии между электродами искра проскакивает как при размыкании цепи, так и при ее замыкании. В искре получается переменный ток. Если же раздвинуть электроды, то искра проскакивает лишь при размыкании цепи, то есть ток пульсирует в одном направлении.

Если расстояние между электродами увеличить до достаточно большой величины, то напряжения на них уже не будет хватать для пробоя искрового промежутка и искра проскакивать не будет.

Вывод: искровой разряд – это неустановившийся электрический разряд, возникающий в том случае, когда непосредственно после пробоя разрядного промежутка напряжение на нем падает в течение очень короткого времени ниже величины напряжения погасания заряда.

Рис. 84.

При протекании разряда на электродах появляются кратеры, они разрушаются. Именно на этом принципе основана электроискровая обработка металлов.

 

Опыт 10.5. Электроискровая обработка металлов.

Оборудование:

1. Электрофорная машина или высоковольтный выпрямитель

2. Прибор для демонстрации электроискровой обработки металла

3. Батарея конденсаторов демонстрационная

4. Реостат на 200 Ом

5. Провода соединительные

Рис. 85.

При электрическом разряде (искре) между двумя контактами происходит разрушение металла. Это явление советские ученые используют для искровой обработки металлов. Электроискровой способ позволяет обрабатывать твердые сплавы, делать в изделиях отверстия различной формы и глубины.

Ход работы:

1. Собирают установку (Рис.85).

2. Обрабатываемое изделие прочно устанавливают в ванне с керосином. Стержень-электрод может совершать вертикальные движения вверх-вниз, Электрод соединен проводником с отрицательным полюсом источника постоянного тока, а изделие — с положительным полюсом.

3. Электрический ток идет от отрицательного полюса к электроду, от него через зазор в керосине к изделию и от последнего к положительному полюсу источника тока. Таким образом, в полученной электрической цепи роль анода выполняет изделие, а электрод является катодом.

4. Когда электрод приблизится к изделию и зазор будет очень маленьким, проскочит искра, при этом на аноде произойдет разрушение (эрозия), мельчайшая частичка изделия будет вырвана. По мере опускания электрода глубина образуемого отверстия возрастет.

5. Включенный в цепь конденсатор препятствует образованию дуги, а реостат дает возможность подобрать нужное напряжение и ток в цепи.

6. В электроискровых установках электрод совершает все время колебания. Это достигается с помощью соленоида. Верхний конец электрода в этом случае снабжается сердечником.

7. Соленоид присоединяется с разных сторон реостата так, чтобы концы проводов находились под разными напряжениями.

Когда проскакивает искра и по основной цепи идет ток, соленоид втягивает сердечник вверх, поднимая одновременно и электрод. Это вызывает увеличение зазора, и основная электрическая цепь оказывается разорванной.

8. В результате соленоид тоже выключится, сердечник упадет вниз, и, следовательно, опустит и электрод — искра проскочит снова. Затем весь процесс повторяется. Таким образом, соленоидный регулятор не только периодически выключает электрическую цепь и делает электрод вибрирующим, но и постепенно опускает электрод.

9. Дуговой разряд – разряд, который возникает при резком повышении температуры, и вследствие этого испарения вещества электрода. Именно поэтому плотность тока при дуговом разряде велика. Напряжение, при котором он происходит, обычно не превышает 40-50В, а токи достигают сотен ампер. Дугу открыл и исследовал В.В. Петров. Дуговой разряд используется для сварочных работ, в электроклавишных панелях.

10. Коронный разряд возникает на проводниках, имеющих большой потенциал, а также малый радиус кривизны. Наблюдается в виде слабого свечения газа вокруг проводников, остриев, там, где велика напряженность поля (Рис. 85). Происходит вследствие неполного пробоя диэлектрика (то есть воздуха).

Рис. 86.

В высоковольтных устройствах, в частности, в линях высоковольтных передач, коронный разряд приводит к вредным утечкам тока. Поэтому приходится принимать меры для его предотвращения. С этой целью, например, провода высоковольтных линий берут большого диаметра, тем большего, чем выше напряжение линии.

Полезное применение в технике коронный разряд нашел в электрофильтрах. Очищаемый газ движется в трубе, по оси которой расположен отрицательный коронирующий электрод. Отрицательные ионы, имеющиеся в большом количестве во внешней области, оседают на загрязняющих газ частицах или капельках и увлекаются вместе с ними к внешнему некоронирующему электроду. Достигнув этого электрода, частицы нейтрализуются и оседают на нем. Впоследствии при ударах по трубе осадок, образованный уловленными частицами, осыпается в сборник.

Опыт 10.6. Принцип электростатической очистки.

Цель: продемонстрировать принцип электростатической очистки.

Оборудование:

1. Диэлектрическая трубка

2. Проволока

3. Станиолевая лента

Ход работы.

Внутри диэлектрической трубки имеется проволока, а по ее краям станиолевая лента. Между ними может создаваться высокое напряжение. Если запустить внутрь трубки сигаретный дым и затем подать высокое напряжение от электростатической машины, то через некоторое время мы заметим, что мелкие частицы этого дыма за счет поляризации частиц в неоднородном поле, создаваемом внутри этой трубы, быстро осаждается на стенки, и трубка становится прозрачной.

Опыт 10.7 Осаждение дыма в электрическом поле.

Цель: продемонстрировать осаждение дыма в электрическом поле.

Оборудование:

1. Электростатическая машина

2. Проволока

3. Пластина

4. Стеклянный стакан

Ход работы.

Возьмем электростатическую машину, которая подсоединена одним полюсом к проволоке, находящейся внутри стакана, а другим – к пластине, находящейся под стаканом вблизи его дна. Заполняем стеклянный стакан дымом и затем начинаем подавать высокое напряжение на электроды, вращая электростатическую машину. При этом мелкие частицы дыма электризуются, заряжаются от центрального провода и эффективно осаждаются вблизи второго электрода. Пространство внутри стакана быстро очищается от дыма.

Вывод: сильное электростатическое поле может использоваться для эффективной очистки воздуха от загрязняющего его дыма.

Рис. 87.

Газовый разряд получил применение:

1. Дуговой разряд для сварки и освещения

2. Тлеющий разряд как источник света в люминесцентных лампах и плазменных экранах

3. Искровой разряд для зажигания рабочей смеси в двигателях внутреннего сгорания

4. Коронный разряд для очистки газов от пыли и других загрязнений, для диагностики состояния конструкций

5. Плазмотроны для резки и сварки

6. Разряды для накачки лазеров, например, гелий-неонового лазера, азотного лазера, эксимерных лазеров и т.д.,

а также:

1. В счётчике Гейгера

2. В ионизационных вакуумметрах

3. В тиратронах

4. В криотронах

5. В гейслеровой трубке

Дуговой разряд. Электрическая дуга.

В 1802 году русский физик В.В. Петров (1761-1834) установил, что если присоединить к полюсам большой электрической батареи два кусочка древесного угля и, приведя угли в соприкосновение, слегка их раздвинуть, то между концами углей образуется яркое пламя, а сами концы углей раскалятся добела, испуская ослепительный свет.

Простейший прибор получения электрической дуги состоит из двух электродов, в качестве которых лучше брать не древесный уголь, а специально изготавливаемые стержни, получаемые прессованием смеси графита, сажи и связующих веществ. Источником тока может служить осветительная сеть, в которую для безопасности включается реостат.

Заставляя гореть дугу при постоянном токе в сжатом газе (20 атм), удалось довести температуру конца положительного электрода до 5900°С, т.е. до температуры поверхности Солнца. Еще более высокой температурой обладает столб газов и паров, обладающий хорошей электрической проводимостью, через который идет электрический ток. Энергичная бомбардировка этих газов и паров электронами и ионами, подгоняемыми электрическим полем дуги, доводит температуру газов в столбе до 6000-7000°С. Такая сильная ионизация газа возможна только благодаря тому, что катод дуги испускает очень много электронов, которые своими ударами ионизируют газ в разрядном пространстве. Сильная электронная эмиссия с катода обеспечивается тем, что катод дуги сам накален до очень высокой температуры (от 2200 до 3500°С). Когда для зажигания дуги угли приводятся в соприкосновение, то в месте контакта, обладавшем очень большим сопротивлением, выделяется почти все джоулево тепло проходящего через угли тока. В результате концы углей сильно разогреваются, и этого достаточно для того, чтобы при их раздвижении между ними вспыхнула дуга. В дальнейшем катод дуги поддерживается в накаленном состоянии самим током, проходящим через дугу. Главную роль в этом играет бомбардировка катода падающими на него положительными ионами.

Рис. 88. Электрическая дуга

При эксплуатации высоковольтных электроустановок, в которых неизбежно появление электрической дуги, борьба с электрической дугой осуществляется при помощи электромагнитных катушек, совмещённых с дугогасительными камерами. Среди других способов известны использование вакуумных и масляных выключателей, а также методы отвода тока на временную нагрузку, самостоятельно разрывающую электрическую цепь.

Электрическая дуга используется при электросварке металлов, для выплавки стали (дуговая сталеплавильная печь) и в освещении (в дуговых лампах).

Дуговая сварка.

Электросварка — один из способов сварки, использующий для нагрева и расплавления металла электрическую дугу.

Температура электрической дуги превосходит температуры плавления всех существующих металлов. Электросварка не изменяет химического состава материала.

К электроду и свариваемому изделию для образования и поддержания электрической дуги от сварочного трансформатора подводится электроэнергия. Под действием теплоты электрической дуги кромки свариваемых деталей и электродный металл расплавляются, образуя сварочную ванну, которая некоторое время находится в расплавленном состоянии. В сварочной ванне металл электрода смешивается с расплавленным металлом изделия (основным металлом), а расплавленный шлак всплывает на поверхность, образуя защитную плёнку. При затвердевании металла образуется сварное соединение. Энергия, необходимая для образования и поддержания электрической дуги, поступает от специальных источников питания постоянного или переменного тока.

В процессе электросварки могут быть использованы плавящиеся и неплавящиеся электроды. В первом случае формирование сварного шва происходит при расплавлении самого электрода, во втором случае — при расплавлении присадочной проволоки (прутков и т. п.), которую вводят непосредственно в сварочную ванну.

Для защиты от окисления металла сварного шва применяются защитные газы (аргон, гелий, углекислый газ и их смеси), подающиеся из сварочной головки в процессе электросварки.

Различают электросварку переменным током и электросварку постоянным током. При сварке постоянным током шов получается с меньшим количеством брызг металла, поскольку нет перехода через нуль и смены полярности тока.

В аппаратах для электросварки постоянным током применяются выпрямители.

Выплавка стали.

Дуговая сталеплавильная печь (ДСП) – электрическая печь, в которой используется тепловой эффект электрической дуги для плавки металлов и др. материалов.

Плавка в ДСП, после осмотра печи и ремонта пострадавших участков футеровки (заправка), начинается с завалки шихты. В современные печи шихту загружают сверху при помощи загрузочной бадьи (корзины). Для предохранения корзины от ударов крупными кусками шихты на дно бадьи загружают мелкий лом. Для раннего шлакообразования в завалку вводят известь в объеме 2-3 % от массы металлической шихты. После окончания завалки в печь опускают электроды, включают высоковольтный выключатель и начинают период плавления. На данном этапе возможна поломка электродов (при плохой проводимости между электродом и шихтой исчезает электрическая дуга и электрод упирается в непроводящий кусок шихты). Регулирование отдаваемой мощности осуществляется изменением положения электродов (длины электрической дуги) либо напряжения на электродах. После периода расплавления в печи образуется слой металла и шлака. Шлак скачивают через шлаковую летку (рабочее окно), постоянно присаживая шлакообразующие, в течение всего периода плавления, с целью удаления фосфора из расплава. Шлак вспенивают углеродсодержащими материалами для закрытия дуг, для лучшей его скачиваемости и уменьшения угара металла.

Выпуск готовой стали и шлака в стальковш осуществляется через сталевыпускное отверстие и жёлоб путём наклона рабочего пространства (или, если печь оборудована вместо жёлоба донным выпуском, то через него). Рабочее окно, закрываемое заслонкой, предназначено для контроля за ходом плавки (замер температуры металла и отбор пробы химического состава металла). Также рабочее окно может использоваться для подачи шлакообразующих и легирующих материалов (на малых печах). На современных сверхмощных печах подача шлакообразующих во время плавки осуществляется через специальное отверстие в своде конвеерной подачей. Углеродистые материалы для вспенивания шлака подаются в печь либо порционно через свод, либо вводятся инжекционными горелками струей сжатого воздуха. Перед выпуском и во время выпуска в стальковш добавляются легирующие и раскислители, а при отсекании печного шлака еще и шлакообразующие материалы.

Рис. 89. Дуговая сталеплавильная печь постоянного тока

Использование электрической энергии (электрического тока), возможность расплавить шихту (металлолом) практически любого состава, точное регулирование температуры металла и его химического состава подтолкнуло промышленность к использованию ДСП в ходе второй мировой войны, для производства легированной стали, качественного литья и, как следствие, деталей оружия и боеприпасов. Сегодня дуговые сталеплавильные печи производят различные сорта сталей и чугунов, а также могут являться источником сырья (полупродукта) для агрегатов ковш-печь (АКП) и машин непрерывного литья заготовок (МНЛЗ).

Дуговой разряд в освещении.

Дуговая лампа — общий термин для обозначения класса ламп, в которых источником света является электрическая дуга. Дуга горит между двумя электродами из тугоплавкого металла, как правило, из вольфрама. Пространство вокруг промежутка обычно заполняется инертным газом (ксеноном, аргоном), парами металлов или их солей (ртути, натрия и др.). В зависимости от состава, температуры и давления газа, в котором происходит разряд, лампа может излучать свет различного спектра. Если в спектре излучения много ультрафиолетового света, а необходимо получить видимый, используется люминофор.

Рис.90. Ксеноновая дуговая лампа

В дуговой лампе газ между электродами ионизируется под воздействием высокой температуры и электрического поля, в результате чего переходит в состояние плазмы. Плазма хорошо проводит ток. За счёт рекомбинации электронов излучается свет.

Сопротивление разрядного канала зависит от температуры: чем она выше, тем больше проводимость. В результате чего дифференциальное сопротивление лампы в рабочем режиме нередко отрицательное, поэтому дуговые лампы требуют для питания источника, имеющего большое внутреннее сопротивление, а значит, не подходят для подключения в обычные электрические сети. Для согласования сопротивления лампы и питающей сети используется балласт. Чаще всего, при питании лампы переменным током, он представляет собой дроссель, обладающий согласованным с параметрами лампы реактивным сопротивлением.

Для того, чтобы дуга зажглась, должен произойти электрический пробой газа. Для этого требуется предварительный подогрев и большая напряжённость электрического поля. Для этой цели применяются различные схемы: может кратковременно замыкаться цепь в обход лампы (в результате чего импульс образуется за счёт самоиндукции дросселя при размыкании), или подаваться высокое напряжение от отдельного импульсного зажигающего устройства, могут использоваться дополнительные поджигающие электроды или рабочие электроды могут механически сближаться.

Цвет излучаемого света, как и электрические характеристики лампы, меняются со временем и изменением температуры. Температура дуги в лампе может достигать нескольких тысяч градусов Цельсия, стеклянной колбы — до 500 градусов.

Тлеющий разряд.

Тлеющий разряд — один из видов стационарного самостоятельного электрического разряда в газах. Формируется, как правило, при низком давлении газа и малом токе. При увеличении проходящего тока превращается в дуговой разряд.

В отличие от нестационарных (импульсных) электрических разрядов в газах, основные характеристики тлеющего разряда остаются относительно стабильными во времени.

Типичным примером тлеющего разряда, знакомым большинству людей, является свечение неоновой лампы.

Присоединим электроды к источнику постоянного тока с напряжением несколько тысяч вольт (годится электрическая машина) и будем постепенно откачивать из трубки воздух. При атмосферном давлении газ внутри трубки остаётся тёмным, так как приложенное напряжение в несколько тысяч вольт недостаточно для того, чтобы пробить длинный газовый промежуток. Однако когда давление газа достаточно понизится, в трубке вспыхивает светящийся разряд. Он имеет вид тонкого шнура (в воздухе - малинового цвета, в других газах - других цветов), соединяющего оба электрода. В этом состоянии газовый столб хорошо проводит электричество.

При дальнейшей откачке светящийся шнур размывается и расширяется, и свечение заполняет почти всю трубку. При давлении газа в несколько десятых миллиметра ртутного столба разряд заполняет почти весь объем трубки. Различают следующие две главные части разряда: 1) несветящуюся часть, прилегающую к катоду, получившую название тёмного катодного пространства; 2) светящийся столб газа, заполняющий всю остальную часть трубки, вплоть до самого анода. Эта часть разряда носит название положительного столба. При подходящем давлении положительный столб может распадаться на отдельные слои, разделённые тёмными промежутками, так называемые страты.

Описанная форма разряда называется тлеющим разрядом. Почти весь свет исходит от его положительного столба. При этом цвет свечения зависит от рода газа. При тлеющем разряде газ хорошо проводит электричество, а значит, в газе всё время поддерживается сильная ионизация. Причинами ионизации газа в тлеющем разряде являются электронная эмиссия с катода под действием высоких температур или сильного электрического поля, последующая ионизация молекул газа электронным ударом свободными электронами, вырванными с катода и летящими по направлению к аноду, а также вторичная электронная эмиссия электронов с катода, вызванная бомбардировкой катода положительно заряженными ионами газа.

В настоящее время трубки с тлеющим разрядом находят практическое применение как источник света – газоразрядные лампы. Для целей освещения часто применяются люминесцентные лампы, в которых разряд происходит в парах ртути, причём вредное для зрения ультрафиолетовое излучение поглощается слоем флюоресцирующего вещества — люминофора, покрывающего изнутри стенки лампы. Люминофор начинает светиться видимым светом, давая в результате свет, близкий по характеристикам к дневному свету (люминесцентные лампы дневного света). Такие лампы дают близкое к “естественному” освещение (но не полный спектр, как у ламп накаливания). Спектр испускаемого люминесцентными лампами света дискретный — красная, зелёная и синяя составляющая в определённой пропорции, плюс незначительные спектральные пики других цветов от примесей люминофора. Энергия освещения распределяется по этим узким полосам спектра, поэтому эти лампы значительно (в 3-4 раза) экономичнее ламп накаливания (у последних до 95% энергии занимает инфракрасная область спектра, невидимая человеческим глазом).

Люминесцентные лампы в быту приходят на смену лампам накаливания, а на производстве и в служебных помещениях почти полностью их вытеснили. Однако люминесцентные лампы не лишены недостатков. Так, например, на производстве использование люминесцентных ламп сопряжено с вредным стробоскопическим эффектом, заключающемся в том, что мерцание люминесцентной лампы с частотой питающего напряжения может совпасть по частоте вращения обрабатывающего механизма, при этом сам механизм в свете такой лампы для человека будет казаться неподвижным, " выключенным", что может привести к травме. Поэтому применяют дополнительную подсветку операционной зоны простой лампой накаливания, лишённой такого недостатка в силу инерции световой отдачи нити накаливания.

Рис.91. Тлеющий разряд в неоне

Газоразрядные лампы применяются также для декоративных целей. В этих случаях им придают очертания букв, различных фигур и т. д. и наполняют газом с красивым цветом свечения (неоном, дающим оранжево–красное свечение, или аргоном с синевато–зелёным свечением).

Важнейшее применение тлеющий разряд получил в сравнительно недавно созданных квантовых источниках света – газовых лазерах.

Искровой разряд.

Искровой разряд (искра электрическая) — нестационарная форма электрического разряда, происходящая в газах. Такой разряд возникает обычно при давлениях порядка атмосферного и сопровождается характерным звуковым эффектом — «треском» искры. Температура в главном канале искрового разряда может достигать 10 000К. В природе искровые разряды часто возникают в виде молний.

Искровой разряд представляет собой пучок ярких, быстро исчезающих или сменяющих друг друга нитевидных, часто сильно разветвленных полосок — искровых каналов. Эти каналы заполнены плазмой, в состав которой в мощном искровом разряде входят не только ионы исходного газа, но и ионы вещества электродов, интенсивно испаряющегося под действием разряда. Механизм формирования искровых каналов (и, следовательно, возникновения искрового разряда) объясняется стримерной теорией электрического пробоя газов. Согласно этой теории, из электронных лавин, возникающих в электрическом поле разрядного промежутка, при определенных условиях образуются стримеры – тускло светящиеся тонкие разветвленные каналы, которые содержат ионизированные атомы газа и отщепленные от них свободные электроны. Среди них можно выделить т. н. лидер — слабо светящийся разряд, «прокладывающий» путь для основного разряда. Он, двигаясь от одного электрода к другому, перекрывает разрядный промежуток и соединяет электроды непрерывным проводящим каналом. Затем в обратном направлении по проложенному пути проходит главный разряд, сопровождаемый резким возрастанием силы тока и количества энергии, выделяющегося в них. Каждый канал быстро расширяется, в результате чего на его границах возникает ударная волна. Совокупность ударных волн от расширяющихся искровых каналов порождает звук, воспринимаемый как «треск» искры (в случае молнии — гром).

Рис.92. Искровой разряд

Особый вид искрового разряда – скользящий искровой разряд, возникающий вдоль поверхности раздела газа и твёрдого диэлектрика, помещенного между электродами, при условии превышения напряженностью поля пробивной прочности воздуха. Области скользящего искрового разряда, в которых преобладают заряды какого-либо одного знака, индуцируют на поверхности диэлектрика заряды другого знака, вследствие чего искровые каналы стелются по поверхности диэлектрика, образуя при этом так называемые фигуры Лихтенберга. Процессы, близкие к происходящим при искровом разряде, свойственны также кистевому разряду, который является переходной стадией между коронным и искровым.

Искровой разряд нашёл разнообразные применения в технике. С его помощью инициируют взрывы и процессы горения, измеряют высокие напряжения; его используют в спектроскопическом анализе, в переключателях электрических цепей, для высокоточной обработки металлов.

Коронный разряд.

Коронный разряд − это характерная форма самостоятельного газового разряда, возникающего в резко неоднородных полях. Главной особенностью этого разряда является то, что ионизационные процессы электронами происходят не по всей длине промежутка, а только в небольшой его части вблизи электрода с малым радиусом кривизны (так называемого коронирующего электрода). Эта зона характеризуется значительно более высокими значениями напряженности поля по сравнению со средними значениями для всего промежутка.

Коронный разряд возникает при сравнительно высоких давлениях (порядка атмосферного) в сильно неоднородном электрическом поле. Подобные поля формируются у электродов с очень большой кривизной поверхности (острия, тонкие провода). Когда напряжённость поля достигает предельного значения для воздуха (около 30 кВ/см), вокруг электрода возникает свечение, имеющее вид оболочки или короны (отсюда название).

На линиях электропередачи возникновение коронного разряда нежелательно, так как вызывает значительные потери передаваемой энергии. С целью уменьшения относительной кривизны электродов применяются многопроводные линии (3, 5 или более определённым образом расположенных проводов).

В естественных условиях коронный разряд может возникать на верхушках деревьев, мачтах – т.н. огни святого Эльма.

Огни святого Э́ льма или Огни святого Э́ лмо (англ. Saint Elmo's fire, Saint Elmo's light) – разряд в форме светящихся пучков или кисточек (или коронный разряд), возникающий на острых концах высоких предметов (башни, мачты, одиноко стоящие деревья, острые вершины скал и т. п.) при большой напряжённости электрического поля в атмосфере. Они образуются в моменты, когда напряжённость электрического поля в атмосфере у острия достигает величины порядка 500 В/м и выше, что чаще всего бывает во время грозы или при её приближении, и зимой во время метелей. По физической природе представляют собой особую форму коронного разряда. Название явление получило от имени святого Эльма (Эразма) – покровителя моряков в католической религии.

Морякам их появление сулило надежду на успех, а во время опасности – и на спасение.

В настоящее время разработаны методы, позволяющие получать подобный разряд искусственным путем.

Рис. 93. Коронный разряд на обмотке высоковольтной катушки

Коронный разряд применяется для очистки газов от пыли и сопутствующих загрязнений (электростатический фильтр). Сосуд, наполненный дымом, внезапно делается совершенно прозрачным, если внести в него острые металлические электроды, соединенные с электрической машиной, а все твердые и жидкие частицы будут осаждаться на электродах. Объяснение опыта заключается в следующем: как только и проволоки зажигается корона, воздух внутри трубки сильно ионизируется. Газовые ионы прилипают к частицам пыли и заряжают их. Так как внутри трубки действует сильное электрическое поле, заряженные частицы пыли движутся под действием поля к электродам, где и оседают.

Коронный разряд также применяется в счётчиках элементарных частиц. Счетчик элементарных частиц Гейгера–Мюллера состоит из небольшого металлического цилиндра, снабженного окошком, закрытым фольгой, и тонкой металлической проволоки, натянутой по оси цилиндра и изолированной от него. Счетчик включают в цепь, содержащую источник тока, напряжение которого равно нескольким тысячам вольт. Напряжение выбирают необходимым для появления коронного разряда внутри счетчика.

При попадании в счетчик быстро движущегося электрона последний ионизирует молекулы газа внутри счетчика, отчего напряжение, необходимое для зажигания короны, несколько понижается. В счетчике возникает разряд, а в цепи появляется слабый кратковременный ток. Чтобы обнаружить его, в цепь вводят очень большое сопротивление (несколько МегаОм) и подключают параллельно с ним чувствительный электрометр. При каждом попадании быстрого электрона внутрь счетчика листка электрометра будут отклоняться.

Подобные счетчики позволяют регистрировать не только быстрые электроны, но и вообще любые заряженные, быстро движущиеся частицы, способные производить ионизацию путем соударений. Современные счетчики легко обнаруживают попадание в них даже одной частицы и позволяют поэтому с полной достоверностью и очень большой наглядностью убедиться, что в природе действительно существуют элементарные заряженные частицы.

Коронный разряд применяется в копировальных аппаратах (ксероксах) и лазерных принтерах для заряда светочувствительного барабана, переноса порошка с барабана на бумагу и для снятия остаточного заряда с барабана.

Коронный разряд применяется для определения давления внутри лампы накаливания. Величина разряда зависит от острия и давления газа вокруг него. Острие у всех ламп одного типа — это нить накала. Значит, коронный разряд будет зависеть только от давления. А значит, о давлении газа в лампе можно судить по величине коронного разряда.

 

Контрольные вопросы к §10

1) Какие типы разрядов вы знаете?

2) Дайте определение самостоятельному разряду газа?

3) Дайте определение несамостоятельному разряду газа?

4) Какие способы поддержания существования разряда вы знаете?

5) Перечислите оборудование в опыте 10.1 «Ионизация газа пламенем»

6) Какой вывод следует из опыта 10.1 «Ионизация газа пламенем»?

7) Перечислите оборудование в опыте 10.2 «Прохождение электрического тока через воздух при постепенном его разрежении»

8) Перечислите оборудование в опыте 10.3 «Тлеющий разряд»

9) Какой вывод следует из опыта 10.3 «Тлеющий разряд»

10) Дайте определение стримеру?

11) Перечислите оборудование в опыте 10.4 «Электроискровая обработка металлов»

12) Дайте определение дуговому разряду?

13) Дайте определение коронному разряду?

14) Где получил применение газовый разряд?

15) Из чего состоит простейший прибор для получения электрической дуги?

16) Дайте определение электросварке?

17) Дайте определение дуговой сталеплавильной печи?

18) Дайте определение дуговой лампе?

19) Дайте определение тлеющему разряду?

20) Дайте определение искровому разряду?

 

 

⇐ Предыдущая9101112131415161718Следующая ⇒

Поделиться: