Tipi di scarica elettrica nei gas

La scarica elettrica nei gas comprende tutti i casi di movimento nei gas sotto l'azione di un campo elettrico di particelle cariche (elettroni e ioni) a seguito di processi di ionizzazione... Un prerequisito per il verificarsi di una scarica nei gas è la presenza di libero cariche in esso - elettroni e ioni.

Un gas costituito solo da molecole neutre non conduce affatto una corrente elettrica, cioè un dielettrico ideale... In condizioni reali, a causa dell'azione degli ionizzatori naturali (radiazione ultravioletta del Sole, raggi cosmici, radiazione radioattiva della Terra, ecc.), Il gas contiene sempre una certa quantità di cariche libere - ioni e elettroni, che gli conferiscono una certa conduttività elettrica.

La potenza degli ionizzatori naturali è molto bassa: a seguito della loro azione, si forma nell'aria circa una coppia di cariche ogni secondo in ogni centimetro cubo, che corrisponde ad un aumento della densità volumetrica delle cariche po = 1,6-19 CL / (cm3 x pollici). La stessa quantità di cariche viene ricombinata ogni secondo. Il numero di cariche in 1 cm3 di aria allo stesso tempo rimane costante e pari a 500-1000 coppie di ioni.

Pertanto, se viene applicata una tensione alle piastre di un condensatore ad aria piatto con una distanza S tra gli elettrodi, verrà stabilita una corrente nel circuito, la cui densità è J= 2poS = 3,2×10-19 S A / cm2 .

L'uso di ionizzatori artificiali aumenta molte volte la densità di corrente nel gas. Ad esempio, quando il gas gap viene illuminato con una lampada al quarzo di mercurio, la densità di corrente nel gas aumenta a 10 - 12 A / cm2; in presenza di una scarica sincera vicino al volume ionizzato, correnti dell'ordine di 10-10 A / cm2, ecc.

Si consideri la dipendenza della corrente che attraversa un traferro con campo elettrico uniforme dal valore della tensione applicata i (Fig. 1).

Riso. 1. Caratteristiche corrente-tensione della scarica gassosa

Inizialmente, all'aumentare della tensione, la corrente nel gap aumenta a causa del fatto che la quantità crescente di cariche cade sotto l'azione di un campo elettrico sugli elettrodi (sezione OA). Nella sezione AB la corrente praticamente non cambia, poiché tutte le cariche formate a causa di ionizzatori esterni cadono sugli elettrodi. La corrente di saturazione Is è determinata dall'intensità dello ionizzatore che agisce sul traferro.

Con un ulteriore aumento della tensione, la corrente aumenta bruscamente (sezione BC), il che indica lo sviluppo intensivo dei processi di ionizzazione del gas sotto l'azione di un campo elettrico. Alla tensione U0 si osserva un forte aumento della corrente nel traferro, che in questo caso perde le sue proprietà dielettriche e si trasforma in un conduttore.

Il fenomeno in cui appare un canale ad alta conduttività tra gli elettrodi del gap di gas è chiamato guasto elettrico (il guasto in un gas è spesso chiamato scarica elettrica, che significa l'intero processo di formazione del guasto).

La scarica elettrica corrispondente alla sezione della caratteristica OABS è chiamata dipendente, poiché in questa sezione la corrente nel gas gap è determinata dall'intensità dello ionizzatore attivo. La scarica nella sezione dopo il punto C è chiamata indipendente, poiché la corrente di scarica in questa sezione dipende solo dai parametri del circuito elettrico stesso (la sua resistenza e la potenza della fonte di alimentazione) e per il suo mantenimento, la formazione di particelle cariche a causa di ionizzatori esterni non è necessario. La tensione Wo alla quale inizia l'autoscarica è chiamata tensione iniziale.

Forme di autodissoluzione in gas a seconda delle condizioni in cui avviene lo scarico, possono essere diverse.

A bassa pressione, quando a causa del piccolo numero di molecole di gas per unità di volume, lo spazio non può acquisire un'alta conduttività e una scarica a bagliore... La densità di corrente in una scarica a bagliore è bassa (1-5 mA / cm2), il la scarica copre l'intero spazio tra gli elettrodi.

Riso. 2. Scarica luminescente in gas

A una pressione del gas vicina a quella atmosferica e superiore, se la potenza della fonte di alimentazione è bassa o la tensione viene applicata allo spazio per un breve periodo, si verifica una scarica di scintilla... Un esempio di scarica di scintilla è la scarica sotto forma di fulmine… Con l'esposizione prolungata alla tensione, la scarica della scintilla assume la forma di scintille che appaiono alternativamente tra gli elettrodi.

Riso. 3. Congedo sincero

In caso di potenza significativa della fonte di energia, la scarica della scintilla si trasforma in un arco, in cui una corrente può fluire attraverso lo spazio, raggiungendo centinaia e migliaia di ampere. Tale corrente contribuisce a riscaldare il canale di scarica, aumentandone la conducibilità e, di conseguenza, si ottiene un ulteriore aumento di corrente. Poiché questo processo richiede del tempo per essere completato, quindi con un'applicazione di tensione a breve termine, la scarica della scintilla non si trasforma in una scarica ad arco.

Riso. 4. Scarica dell'arco

In campi altamente disomogenei, l'autoscarica inizia sempre sotto forma di scarica corona, che si sviluppa solo in quella parte del gas gap dove l'intensità del campo è massima (vicino ai bordi taglienti degli elettrodi). Nel caso di scarica corona, non si verifica un'elevata conducibilità attraverso un canale tra gli elettrodi, cioè lo spazio conserva le sue proprietà isolanti. Man mano che la tensione applicata viene ulteriormente aumentata, la scarica a corona si trasforma in una scarica ad arco o in buona fede.

Scarica a corona — il tipo di scarica elettrica stazionaria in un gas di densità sufficiente, che si verifica in un forte campo elettrico disomogeneo. La ionizzazione e l'eccitazione di particelle di gas neutro da parte di valanghe di elettroni sono localizzate in una quantità limitata di zona (corona cap o zona di ionizzazione) di un forte campo elettrico vicino a un elettrodo con un piccolo raggio di curvatura. Il bagliore azzurro pallido o violetto del gas all'interno della zona di ionizzazione, per analogia con l'alone della corona solare, ha dato origine al nome di questo tipo di scarica.

Oltre alla radiazione nel visibile, nell'ultravioletto (principalmente), così come nelle lunghezze d'onda più corte dello spettro, la scarica corona è accompagnata dal movimento delle particelle di gas dall'elettrodo corona - il cosiddetto "Vento elettrico", ronzio, a volte emissione radio, chimica, reazioni (ad esempio, formazione di ozono e ossidi di azoto nell'aria).

Riso. 5. Scarica corona in gas

Le regolarità dell'aspetto della scarica elettrica in diversi gas sono le stesse, la differenza sta nei valori dei coefficienti che caratterizzano il processo.