ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ РАЗРЯДЫ В ГАЗАХ
Эффект Пеннинга – снижение потенциала зажигания разряда в газе, обусловленное присутствием примеси другого газа, потенциал ионизации которого ниже энергии возбуждения метастабильного уровня основного газа. Эффект объяснил Ф. Пеннинг в 1928 г. В отсутствии примеси электроны, ускоренные в электрическом поле, отдают свою энергию атомам, переводя их в метастабильное состояние. Поэтому ионизация электронным ударом мала и напряжение зажигания оказывается высоким. При наличии примеси происходят столкновения возбужденных атомов основного газа, с атомами примеси, в результате чего последние ионизируются за счет энергии, освобождающейся при переходе метастабильных атомов в основное состояние. Появление такой дополнительной ионизации приводит к снижению потенциала ионизации среды и, значит, к снижению напряжения зажигания разряда [3].
Факторы, влияющие на газовый разряд
В обычных условиях любой газ, будь то воздух или пары серебра, является изолятором. Для того, чтобы под действием электрического поля возник ток, требуется каким-то способом ионизовать молекулы газа. Внешние проявления и характеристики разрядов в газе чрезвычайно разнообразны, что объясняется широким диапазоном параметров и элементарных процессов, определяющих прохождения тока через газ. К первым относятся состав и давление газа, геометрическая конфигурация разрядного пространства, частота внешнего электрического поля, сила тока и т.п., ко вторым – ионизация и возбуждение атомов и молекул газа, рекомендация удары второго рода, упругое рассеяние носителей заряда, различные виды эмиссии электронов. Такое многообразие управляемых факторов создает предпосылки для весьма широкого применения газовых разрядов.
|
|
|
Потенциалом ионизации называется энергия, необходимая для отрыва электрона от атома или иона. Для нейтронных невозбужденных атомов величина этой энергии изменяется от 4 до 24 (Не) электрон-вольт. В случае молекул и радикалов энергия разрывов связей лежит в пределах 0,06+ 11,1 э.в.
Фотоионизация атомов. Атомы могут ионизироваться при поглощении квантов света, энергия которых равна потенциалу ионизации атома или превосходит ее.
Поверхностная ионизация. Адсорбированный атом может покинуть нагретую поверхность, как в атомном, так и в ионизованном состоянии. Для ионизации необходимо, чтобы работа выхода поверхности была больше энергии ионизации уровня валентного электрона адсорбированного атома (щелочные металлы на вольфраме и платине).
Процессы ионизации используются не только для возбуждения различных видов газовых разрядов, но и для интенсификации различных химических реакций и для управления потоками газов с помощью электрических магнитных полей.
|
|
|
Примеры применения процессов ионизации:
- способ электродуговой сварки с непрерывной и импульсной моделей энергии, отличающийся тем, что с целью повышения точности выполнения сварного шва и облегчения зажигания дуги, ионизирующие дуговой промежуток;
- способ нагрева стали в окислительной атмосфере, отличающийся тем, что с целью снижения обезуглеродивания, в процессе нагрева осуществляют ионизированные атмосферы;
- способ измерения малых потоков газа, выпускаемых в вакуумный объем, отличающийся тем, что с целью повышения точности измерения, газ перед запуском ионизируют и формируют в однородный полный пучок, а затем вводят ионный пучок в вакуумный объем, где его нейтрализуют на металлической мишени, и по току ионного пучка судят о величине газового потока.
Высокочастотный тороидальный разряд
Обычно газовый разряд происходит между проводящими электродами, создающими граничную конфигурацию электрического поля и играющими значительную роль в качестве источников и стоков заряженных частиц. Однако наличие электродов необязательно (высокочастотный тороидальный заряд).
|
|
|
Роль среды и электродов
При достаточно больших давлениях и длинах разрядного промежутка основную роль в возникновении и протекании разряда играет газовая среда. Поддержание разрядного тока определяется поддерживанием равновесной ионизации газа, происходящий при малых токах за счет гауноендовских процессов каскадной ионизации, а при больших токах за счет термической ионизации.
При уменьшении давления газа и длины разрядного промежутка все большую роль играют процессы на электродах; при P 0,02+0,4 мм.рт.ст/см процессы на электродах становятся определяющими.
Тлеющий разряд
При малых разрядных токах между холодными электродами и достаточно однородном поле основным типом разряда является тлеющий разряд, характеризующийся значительным (50 .. 400 В) катодным падением потенциала. Катод в этом типе разряда испускает электроны под действием заряженных частиц и световых квантов, а тепловые явления не играют роли в поддерживании разряда.
Тлеющий разряд нашёл применение в устройстве, предназначенном для считывания информации с перфорированного носителя, используются лампы тлеющего разряда, имеющие невысокую стоимость, и, кроме того, обладающие высокой надежностью. Освещение ламп через перфорации носителя информации источником пульсирующего света вызывает зажигание некоторых из них, продолжающиеся и после исчезновения светового импульса. Таким образом, лампы тлеющего разряда обеспечивают хранение информации и не требуют дополнительного запоминающего устройства.
|
|
|
Коронный разряд
Примесь молекулярных газов в разрядном промежутке при коронном разряде приведет к образованию страт, т.е. расположенных поперек градиента электрического поля темных и светлых полос.
Тлеющий разряд в сильно неоднородном электрическом поле и значительном (P 100 мм.рт.ст.) давлении называют коронным. Ток коронного разряда имеет характер импульсов, вызываемых электронными лавинами. Частота появления импульсов 10-100 кГц.
Дуговой разряд
Дуговой разряд наблюдается при силе тока не менее нескольких ампер. Для этого типа разряда характерно малое (до 10 В) катодное падение потенциала и высокая плотность тока. Для дугового разряда существенна высокая электронная эмиссия катода и термическая ионизация в плазменном столбе. Спектр дуги обычно содержит линии материала катода.
Способ выпрямления переменного тока с помощью газоразрядного промежутка с полым катодом при низком давлении газа, соответствующим области левой ветви кривой Пашена, отличающийся тем, что с целью повышения выпрямленного тока и уменьшения падения напряжения в течении проводящей части периода, при положительном потенциале на аноде систему "анод-полый катод" переводить в режим дугового разряда.
Искровой разряд
Искровой разряд начинается с образования стример самораспространяющихся электронных лавин, образующих проводящий канал между электродами. Вторая стадия искрового разряда главный разряд – происходит вдоль канала, образованного стримером, а по своим характеристикам близка к дуговому разряду, ограниченному во времени емкостью электродов и недостаточностью питания. При давлении 1 атм., материал и состояние электродов не оказывает влияния на пробивное напряжение в этом виде разряда.
Расстояние между сферическими электродами, соответствующее возникновению искрового пробоя весьма часто служит для измерения высокого напряжения.
Способ определения размера макрочастиц с подачей их на заряженную поверхность, отличающийся тем, что с целью повышения точности измерения, определяют интенсивность световой вспышки, сопровождающей электрический пробой между заряженной поверхностью и приближающейся к ней частицей и по интенсивности судят о размере частицы.
Факельный разряд
Факельный разряд – особый вид высокочастотного одноэлектродного разряда. При давлениях, близких к атмосферному или выше его, факельный разряд имеет форму пламени свечи. Этот вид разряда может существовать при частотах 10 МГц, при достаточной мощности источника.
10.9. "Стекание" зарядов с острия
При изучении заряженного острия наблюдается интересный эффект – так называемое стекание зарядов с острия. В действительности никакого стекания нет. Механизм этого явления следующий: имеющиеся в воздухе в небольшом количестве свободные заряды в близи острия разгоняются и, ударяясь об атомы газа, ионизируют их. Создается область пространственного заряда, откуда ионы того же знака, что и острие, выталкиваются полем, увлекая за собой атомы газа. Поток атомов и ионов создает впечатление стекания зарядов. При этом острие разряжается, и одновременно получает импульс, направленный против острия.
Несколько примеров на применение коронного разряда:
- устройство для кондиционирования воздуха, содержащее корпус с поддоном и патрубками для подвода и отвода воздуха и размещенный в корпусе воздуховоздушный теплообменник с каналами орошаемыми со стороны одного из потоков, отличающийся тем, что с целью повышения степени охлаждения воздуха путем интенсификации испарения коронирующие воды, по оси орошаемых каналов теплообменника установлены электроды, прикрепленные к имеющему заземление корпусу с помощью изоляторов и подключенные к отрицательному полюсу источника напряжения;
- измерение диаметра проволоки тоньше пятидесяти микрон с помощью коронного разряда. Как известно, коронный разряд в виде светящегося кольца возникает вокруг проводника, если к проводнику приложить высокое напряжение. При определении сечения проводника коронный разряд будет иметь вполне определенные характеристики. Стоить изменить сечение, тотчас изменяется и характеристика коронного разряда.
ЭЛЕКТРОКИНЕТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ
Эффекты, связанные с относительным движением двух фаз под действием электрического поля, а также возникновение разности потенциалов при относительном смещении двух фаз, на границе между которыми существует двойной электрический слой, называется электрокинетическими явлениями.
Электроосмос (электроэндоосмос) – движение жидкостей или газов через капилляры, твердые пористые диафрагмы и мембраны, а также через слои очень мелких частиц под действием внешнего электрического поля. Электроосмос применяется при очистке коллоидных растворов от примесей, для очистки глицерина, сахарных сиропов, желатина, воды, при дублении кож, а также при окраске некоторых материалов.
Эффект обратный электроосмосу – возникновение разности потенциалов между концами капилляра, а также между противоположными поверхностными диафрагмами мембраны для другой пористой среды при продавлении через них жидкости (потенциал течения).
Электрофорез (катофорез) – движение под действием внешнего электрического поля твердых частиц, пузырьков газа, капель жидкости, а также коллоидных частиц, находящихся во взвешенном состоянии в жидкой или газообразной среде. Электрофорез применяют при определении взвешенных в жидкости мелких частиц, не поддающихся фильтрованию или сжиманию, для обезвоживания торфа, очистки глины или каолина, обезвоживания красок, осаждение каучука из латекса, разделения масляных эмульсий, осаждения дымов и туманов. Эффект обратный электрофорезу – возникновение разности потенциалов и жидкости в результате движения частиц, вызванного силами не электрического характера, например, при оседании частиц в поле тяжести, при движении в ультразвуковом или центробежном поле (седментационный потенциал или потенциал оседания). Электрокапиллярные явления – явления связанные с зависимостью величины поверхностного натяжения на границе раздела электрод-раствор от потенциала электрода.
СВЕТ И ВЕЩЕСТВО
Эффект Садовского – возникновение механического вращающего момента у тела, облучаемого эллиптически поляризованным светом. Когда на кристаллическую пластинку в V4 длины волны падает свет, поляризованный по кругу, появляется вращающий момент, стремящийся повернуть пластинку в сторону вращения электромагнитного вектора волны. Величина вращательного момента, возникающего под действием света, прямо пропорциональна длине волны излучения и плотности электромагнитной энергии в падающем пучке. Эффект очень мал, но наблюдается как для видимого света, так и для сантиметровых волн [3].
Эффект Шпольского – возникновение квазилинейчатых спектров сложных органических соединений в специально подобранных растворах при низких температурах. Впервые явление наблюдали Э. В. Шпольский и его сотрудники в 1952 г. Растворитель должен быть химически нейтральным по отношению к внедренным молекулам, быть оптически прозрачным в область поглощения и испускания внедренных молекул (жидкий парафин). Исследуемое вещество растворяют в нем в малых концентрациях, затем раствор охлаждают ниже точки кристаллизации растворителя. Спектры испускания и поглощения этого состава состоит из серии узких спектральных линий, напоминают атомные спектры.
Применение: спектральный анализ смесей, изучение процессов фотохимии органических соединений и др. [3].
Эффект Бурштейна-Мосса – сдвиг края области собственного поглощения света полупроводником в сторону высоких частот при увеличении концентрации электронов проводимости. Ток в кристалле InSb с собственной проводимостью край поглощения соответствует (при Т=300 К) длине волны λкр = 7,2 мкм; после легирования образца донорами до концентрации 5·10-18 см, λкр = 3,2 мкм. Эффект установлен американцем Э. Бурштейном и англичанином Т. Моссом в 1954 г. [3].
Электрогирация – возникновение или изменение оптической активности в кристаллах под действием электрического поля. Например, в центросимметричном кристалле РЬМоС>4 при напряженности поля 10 кВ возникает оптическая активность, дающая удельное вращение плоскости поляризации света ~5° на длине волны Аг=400нм. В кристаллах кварца обнаружена квадратичная зависимость электрогирации от напряженности поля. В некоторых сегнетоэлектриках (например, 5PbO3GeO2) от напряженности поля зависит знак оптической активностью в области температур фазового перехода электрогирация в сегнетоэлектриках обычно выше, чем в диэлектриках [3].
Эффект Франца – сдвиг границы (края) собственного поглощения света в полупроводнике в сторону меньших частот в присутствии внешнего электрического поля. Экспериментально был открыт в 1960 г. в отсутствии электрического поля краю соответствует частота света 
, где εg – ширина запрещенной зоны. В электрическом поле край поглощения размывается и становится возможным поглощение света с частотой 
. Одновременно с коэффициентом поглощения меняется и показатель преломления.
Применение: модуляция оптического излучения [3].
Эффект Штарка – расщепление спектральных линий атомов, молекул и др. квантовых систем в электрическом поле. Открыт в 1913 г. немецким физиком И. Штарком, является результатом сдвига и расщепления на подуровни уровней энергии под действием электрического поля Е. Различают линейный эффект Штарка; при нем получается симметричная относительно первичной линии картина расщепления. Линейный эффект характерен для атомов в не слишком сильных полях и составляет тысячи доли эВ. Линейный эффект наблюдается также для водородоподобных атомов.
Для многоэлектронных атомов типичен квадратичный эффект Штарка. Данный эффект наблюдается и в переменном электрическом поле.
Рис. 12.1. Зависимость расщепления электрических уровней энергии Ав от напряженности электрического поля Е при линейном (а) и квадратичном (б) эффект Штарка
Применение: с устройствах микроволновой спектроскопии, в частотных модуляторах лазерного излучения [3].
Эффект Хапле – один из эффектов магнитооптики, состоящий в изменении диаграммы направленности и в уменьшении степени поляризации света резонансной частоты, рассеянного атомами, находящимися в слабом внешнем магнитном поле. Характер поляризации рассеянного света существенным образом зависит от величины и направления поля и направления наблюдения. В сильных магнитных полях эта зависимость исчезает. Эффект открыл немецкий физик В. Хапле в 1924 г.
Применение: используют в спектроскопии как метод измерения характеристик атомных уровней, например среднее время жизни уровня. Нашел для измерения сверхслабых магнитных полей [3].
Плеохроизм – изменение окраски вещества в проходящем свете от направления распространения и поляризации этого света. Чаще всего плеохроизм наблюдается в кристаллах. У одноосных кристаллов различают 2 «главные» окраски - при наблюдении вдоль оптической оси и перпендикулярно к ней; у двуосных кристаллов - 3 основные окраски - при наблюдении по 3-м направлениям, которые обычно совпадают с главными направлениями кристалла. По другим направления кристалл виден окрашенным в иные, промежуточные цвета.
Сильным плеохроизмом отличаются, например, турмалин и ацетат меди.
Применение: использование поляроидов (поляризационных светофильтров), частично или полностью поляризующие свет [3].
Дата добавления: 2018-05-09; просмотров: 582; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!