Descarcari electrice

Original: http://mysite.du.edu/~jcalvert/phys/dischg.htm

Cum scânteie, strălucire și munca arc


Conținut


i.   
Introducere: procese fundamentale
ii.   
Caracteristicile tensiune-curent
iii.   
Scânteia: Defalcarea: avalanșă de electroni, de descărcare de gestiune Townsend, Legea Paschen lui, tub Geiger-Müller
iv.   
Strălucirea descărcare de gestiune: fenomenele catod, coloana pozitiv, pomparea cu laser, asemănarea, pulverizare
v.   
Arcul descărcare de gestiune: fenomene catodice, plasma joasa si de inalta presiune, rezistență negativă, arcul de carbon din aerul
vi.   
Aplicatii de arce: sudura, lampi, redresoare, de comutare, protectie, siguranțe fuzibile.
vii.   
Referințe

Introducere


Un rezultate de descărcare de gestiune electrice de la crearea unui traseu conductor între două puncte de potențial electric diferit în mediul în care sunt scufundate puncte. În cazul în care livrarea de sarcină electrică este continuă, descărcarea de gestiune este permanent, dar altfel este temporară, și servește pentru a egaliza potențialele. De obicei, mediul este un gaz, de multe ori atmosfera, iar diferența de potențial este una mare, de la câteva sute de volți la milioane de volți. Dacă cele două puncte sunt separate printr-un vid, nu poate exista nici descărcarea de gestiune. Transferul de materie între cele două puncte este necesară, deoarece numai materia poate transporta sarcina electrica. Această chestiune este, de obicei electroni, fiecare purtând o taxă de 4.803 x 10-10 ESU. Electronii sunt foarte ușoare, 9.109 x 10-28 g, și astfel poate fi mutat cu putin efort. Cu toate acestea, ionii pot efectua, de asemenea gratuit, deși ele sunt mai mult de 1836 de ori mai grele, și, uneori, sunt purtători importante. În cazul în care sunt disponibile atât electroni și ioni, cu toate acestea, electronii transporta cea mai mare parte a curentului. Ionii pot fi pozitiv sau negativ perceput, de obicei pozitiv, și să multipli mici taxa electronic.

Descărcări electrice au fost studiate de la mijlocul secolului al 19-lea, atunci când a devenit disponibil pompe de vid și a surselor de energie electrică de curent. Aceste evacuări de laborator in tuburi vidate parțial-sunt foarte familiar, dar există, de asemenea descarcari electrice in natura, fulgere fiind exemplul primar. Există, de asemenea aurorei boreale și australis, Sf Foc Elmo lui, scântei de la mersul pe jos pe un covor în vreme uscată și pisici frecare, trosnituri sunete atunci când haine noi din uscător sunt separate, și fenomene similare, multe rezultate din potențialul ridicat de electricitate statică. Tehnologia oferă o multitudine de exemple, cum ar fi sudura cu arc, de descărcare de gestiune corona pe liniile de înaltă tensiune, lămpi fluorescente, inclusiv startere lor automate, semne publicitare neon, lămpi de neon și argon strălucire, lămpi cu mercur și sodiu, lămpi cu mercur cu arc pentru iluminare și UV, lumini arc de carbon, tuburi vidate, inclusiv redresoare umplute cu gaz, indicatori numerici Nixie și dispozitive similare. Unele dintre acestea sunt istorice, dar toate sunt interesante si de multe ori fascinant pentru a viziona.

Un motiv bun pentru acest articol este de asemenea, că informațiile privind descărcări electrice, nu este ușor de găsit în literatura actuală, în ciuda importanței lor în multe domenii ale fizicii, astrofizica, electricitate atmosferică și inginerie. McGraw-Hill Enciclopedia de Fizică nu are nici o intrare pentru “descărcare electrică” sau “arc electric”, de exemplu. Cel mai apropiat poate veni sunt articole pe fizica plasmei, care nu face treaba. Fizica plasmei, așa cum este, în general, prezintă, este un domeniu destul de limitată, în principal preocupat de căutarea fără noroc pentru putere termonucleară. În fiecare zi vedem multe exemple de evacuări – iluminat stradal, semne de neon, lampi fluorescente – așa cum funcționează trebuie să fie cunoștințe valoroase.

Cele două terminale de descărcare de gestiune sunt la diferite potențiale. Mai mare, sau pozitiv, potențialul este la anod, în timp ce partea inferioară, sau negativ, potențialul este la catod. Aceste electrozi sunt adesea conductoare, dar nu trebuie să fie. Într-o furtună, un electrod nor poate fi pur și simplu o regiune de exces de încărcare distribuite pe un volum. Aceste nume au fost date de Michael Faraday, cu ajutorul savantului clasice William Whewell, când a început să studieze electrochimie si descărcări electrice în anii 1830. Cuvântul “anod” este din grecescul “Ana-Hodos” sau “mod de,” în timp ce “catod” este de la “kata-Hodos”, sau “o cale de ieșire.” Electrod este o creație mai târziu pentru “electro-Hodos” sau “mod electric,” si este noncommttal în ceea ce privește direcția pozitivă a curentului. Curentul convențional este în direcția de sarcină pozitivă, astfel încât electronii de fapt lăsați la “modul în” și introduceți de la “cale de ieșire.”

Dacă nu se specifică altfel, vom presupune că mediul este un gaz compus în principal din molecule neutre (nu va face diferența între moleculele și atomii), care de obicei ne trata ca ideal. Apoi, presiunea p a gazului este pur și simplu legată de numărul densitatea n sale de p = nkT, unde T este temperatura absolută, iar k este constanta, 1.38 x 1010-16 mai erg Boltzmann / K. Dacă T este în K, iar n este în cm-3, atunci p este în dyne / cm2. În lucrările tehnice, presiunea gazului este măsurată în mmHg, și 760 mmHg este presiunea atmosferică, 1.0123 x 106 dyne / cm3, de la care conversia poate fi derivat. La un atmosferă și 273K, densitatea număr dintr-un gaz este 3.22 x 1018 cm-3, care este aceeași pentru toate gazele (Legea lui Avogadro). Gazul este normal electric neutru, și conține nici ioni nici electroni, și așa este un nonconductor. În viața de zi cu zi, ne bazăm pe aer pentru a fi un izolator în relațiile noastre cu energie electrică.

Electronii, ionii și moleculele neutre sunt în mișcare termică neîncetat, pentru că coliziunile lor sunt perfect elastice. În echilibru, vitezele sunt distribuite în funcție de distribuția Maxwell,f(v) = (m/2πkT)3/2exp(-mv2/2kT)4πv2, care integrează la unitatea cu privire la dv. Temperatura de electroni Te este de obicei foarte diferit de ioni și temperatura neutru Tn la presiuni scăzute, pentru că electronii primesc mai multă energie de la câmpurile electrice într-o descărcare de gestiune, și pot face schimb de energie cinetică cu neutre doar cu mare dificultate, astfel ca acestea reprezintă o rezervor de energie cinetică, care este în contact foarte slab cu neutre. Masa mult mai mare a ionilor și neutrii înseamnă de asemenea că se mișcă la viteze mult mai mici. Viteze date electronii prin câmpuri electrice sunt adesea mult mai mare decât vitezele termice, în special în apropierea catodului, unde câmpul electric este foarte ridicat. Aceste electroni, in mod natural, nu au o distribuție maxwelliana până când și-au pierdut cea mai mare parte a energiei lor în coliziuni inelastice și ionizare. √ viteza rms (3kT / m) este viteza unei particule cu energia medie. Aproximativ 60% dintre particule au mai puțină energie, 40% mai mult. Energia cinetică medie a unei particule la temperatura T este (3/2) kT.

Dacă V este diferența de potențial dintre anod și catod, iar d este distanța dintre ele, atunci gradient de potențial mediu, sau câmpul electric, este V / d. Din nou, în lucrările tehnice, V se măsoară în volți practice, cele familiare în care o baterie lanterna consumabile 1.5 V. Unitatea Gaussian este ESU, aproximativ 300 V, care apare în argumente teoretice. Prin urmare, câmpul E va fi în V / cm, sau în statvolt / cm, iar conversia între ele este ușor. Acest câmp medie va conduce un ion pozitiv în direcția sa, un electron în direcția opusă.

Pentru o descărcare să apară, trebuie să existe, de obicei, o sursă de electroni la catod, iar natura acestei surse controlează forma descărcării. Razele cosmice și radioactivitate naturală produc continuu un număr mic de electroni și ioni în toate gazele de la suprafața pământului, și acest lucru dă aer o conductivitate mic. Electronii vor migra spre anod, ionii de catod, iar un curent mic va curge. Acest curent nu are efecte vizibile, și pot fi detectate și măsurate doar cu dificultate, dar este întotdeauna prezent. Orice organism acuzat atrage acuzația de semn opus care, mai devreme sau mai târziu va neutraliza sarcina sa, cu toate că motivul obișnuit pentru pierderea de încărcare este de conducere pe suprafața suporturilor ale corpului, care este în mod normal mult mai mare decât mici curentul spațiu de ionii și electronii în mod normal prezente în aer.

Mai multe surse mari de electroni sunt necesare pentru o descărcare de gestiune bun. O sursă este efectul fotoelectric, atunci când lumina de lungime de undă suficient de scurt cade într-o metal sau semiconductor și eliberează un fotoelectron. Fotonii pot fi, de asemenea, absorbit de o molecula, care oferă unui electron și devine o ion pozitiv. Hν energie fotonica trebuie să fie mai mare decât energia necesară pentru a elibera electronul, funcția de lucru. Emisie Thermionic, emisia de electroni de către un organism încălzit, poate furniza curenți grele. Organismul trebuie să fie încălzit la incandescență, și de emisie eficient, funcția sa de lucru trebuie să fie scăzut. Tungsten are o funcție de lucru de 4 eV, și a fost mult timp folosit ca un emițător de electroni, deoarece are, de asemenea, un punct de topire ridicat. Metalele alcaline au o funcție lucru mic, dar nu pot fi folosite singure din cauza punctelor lor de topire scăzut. Electronii izbitoare o suprafață metalică poate bate electroni secundari vrac ușor, dar acest lucru este de folos pentru evacuările, deoarece electronii impact anod, și electroni secundari ar cădea pur și simplu înapoi în anod, nu adauga la curent de descărcare de gestiune. Cu toate acestea, ioni pozitivi pot crea, de asemenea, electroni secundari. Deși acest lucru nu este un proces eficient, se produce electroni la locul potrivit și poate suporta o descărcare de gestiune.

Electronii deja în descărcarea de gestiune, cum ar fi electronii aleatorii produse de razele cosmice și radioactivitate, poate adăuga la numărul lor de ionizante molecule de gaz de coliziune. Fiecare coliziune ionizante produce un nou electron, și un ion pozitiv care se mișcă în altă parte, o pereche de ioni. Un electron nu poate face acest lucru dacă nu a dobândit energia cinetică suficientă de a fi accelerat în un câmp electric. Există două moduri de acest lucru poate fi făcut. În cazul în care electronul nu face coliziuni, chiar un câmp electric mic va permite să acumuleze energie într-un termen lung suficient. În acest caz, KE = MV2 / 2 = EEX, în cazul în care E este pe teren și x este distanța parcursă. Energiile de electroni sunt adesea citate în electron volți, eV-abreviat, și astfel încât energia U în eV este dat de UE = EEX, astfel că U este doar potential scăderea distanță x. Pe de altă parte, în cazul în care probabilitatea de coliziune a electronului într-un DX distanță este dx / Le, în cazul în care Le este numit electronul medie drumul liber, și Le este mult mai mică decât distanța X, atunci se dă viteza de electronului prin v = KE, unde K este mobilitatea electronilor, în cm / s per V / cm, de exemplu. Apoi, singura cale pentru electronul pentru a accelera este de a găsi un teren mai mare E.

Valoarea medie cale liberă L este invers proporțională cu presiunea, astfel încât presiunea are un mare efect asupra cum o energie de electroni câștiguri. Moleculele gazului au, de asemenea, o cale de mijloc gratuit, dar din moment ce moleculele sunt mai mari, lor medie a cale liberă L este mai scurtă decât Le. Ca o estimare, putem lua Le = 5.64L. În Ne, drumul liber mijlociu la 760 mmHg și 273K este 1.93 x 10-5cm, în timp ce în aer este de 9,6 x 10-6 cm. Prin “aer” se înțelege amestecul de obicei de azot și oxigen, precum și valorile sunt în medie.

Energia necesară pentru a ioniza neon, numit energia de ionizare, în reacția Ne → Ne+ + e, este 21.559 eV, și să bat doi electroni de pe necesită 41.07 eV. Pentru a ridica un atom Ne la prima sa stare excitată necesită 16,58 eV, care se numește energia de rezonanță. Acest lucru oferă o idee despre energia necesară pentru a produce o pereche de ioni. Deoarece cele mai multe coliziuni nu duc la ionizare, și există multe moduri de a fritter energie departe inutil, energia medie pe pereche de ioni produs este mai mare decât potențialul de ionizare, mai degrabă mai aproape de două ori această valoare. Pentru a da un electron de energie suficientă pentru a ioniza Ne la o atmosferă, intensitatea câmpului ar trebui să fie E = 21.559 / (5,64) (1,93 X 10-5), sau aproximativ 200.000 de V / cm, un domeniu extrem de mare, care ar avea unele efecte imprevizibile. La 1 mmHg, domeniul ar trebui sa fie 260 V / cm, o valoare mai usor de manuit.

Energia necesară pentru a excita o moleculă sau atom de prima stare excitată deasupra starea fundamentală se numește energie de rezonanță, și este, desigur, mai puțin decât energia de ionizare. Gazele inerte, care au o coajă închisă de electroni în starea fundamentală, au energii de rezonanță foarte mari. Pentru El, este 19.81V, și pentru Ne, 16.62 eV. Aceste niveluri sunt, de asemenea metastabile, ceea ce înseamnă că o tranziție către starea fundamentală de radiatii este dificil, și ei pot păstra lor de energie de excitare pentru o perioadă îndelungată, poate până când se ciocnesc cu un perete, sau experienta un alt coliziune cu un electron sau atom. Acest lucru face posibilă ionizare cumulativ, în cazul în care un atom poate fi ionizat de mai multe coliziuni în care electronii au energie suficientă pentru a ioniza într-o singură coliziune. Energia unui metastabil poate fi transferat într-un atom sau moleculă diferită de o ciocnire a două tip. Metale alcaline, cu un singur electron în afara s-o coajă închisă, au potențialul de rezonanță foarte mici. Pentru sodiu, Vi = 5.138V și Vr = 2.102V. Pentru cesiu, cifrele sunt 3.893V și, respectiv, 1.39V. Mercur, de multe ori folosite în evacuări, are Vi = 10.43V și Vr = 4.67V, iar cele mai state excitate, a 3P sunt metastabile la starea sol 1S (dar tot dau o linie ultraviolete puternice). Notația spectroscopic este inclus pentru cei care o vor aprecia. Elementele fundamentale ale structurii atomice și spectrele sunt importante în înțelegerea evacuări.

Emisia de lumină este unul din principalele caracteristici ale evacuărilor. Lumina de o frecvență definită este emis atunci când un atom excitat scade la un nivel de energie mai mic. Dacă există un moment dipol electric tranziție, atunci tranziția este numit permis, și are loc în aproximativ 10-8 s dacă nimic intervine. Frecvența coliziune este de aproximativ 1011 pe secundă, la presiune atmosferică, astfel încât, de obicei, energia de excitare se pierde într-o coliziune înainte de a fi radiat. La 1 mmHg, cu toate acestea, frecvența coliziune este comparabil cu durata de viață radiații, iar radiația este o posibilitate. Radiatii este intotdeauna o competetion între procese de excitație-. Dacă momentul de dipol tranziție este forțat să fie zero prin considerente de simetrie, atunci radiații poate avea loc prin alte mijloace, cum ar fi dipol magnetic sau quadrupole radiații, dar durata de viață radiativ pentru acestea este mult mai mult, astfel încât acestea nu sunt văzute chiar și la presiune de 1 mm Hg . Acestea sunt tranziții interzise. Ele nu sunt de fapt interzise, ​​doar improbabil. La presiuni mai mari, atomi excitați sunt afectate în mod continuu de ciocniri, care extinde liniile emise. La presiuni mai înalte, statele Atom sunt unse afară, și radiația începe să-și asume caracteristicile radiației termice negru corp.

Mercur are linii puternice la 253.65 nm, 404.66 nm, 407.78 nm, 435.84 nm, 546.1 nm, 576.96 nm și 579.06 nm (și multe altele nu la fel de puternic). Primul este linia de rezonanță în ultraviolet care excita puternic fluorescență, și următoarele două sunt la limita scurta lungime de unda de ochiul uman. Linia cyan la 436 nm, linia verde la 546 nm, și dubletul galben la 577 și 579 nm poate fi ușor de văzut în spectrul unui tub fluorescent, și ar trebui să fie familiare tuturor. Ele pot fi separate prin filtre pentru a fi utilizate în experimente de optică, iar acest lucru a fost în mod obișnuit realizat înainte de apariția laser He-Ne jurul 1971. Liniile Cele 254 nm, 408 nm și 577 nm sunt toate “interzise” de regulile de selecție obișnuite, dar se întâmplă a fi foarte puternică în Hg, în cazul în care combinațiile singlet-triplet între nivelurile inferioare nu sunt foarte interzise.

În cazul în care un electron elibereaza un alt de o coliziune ionizante, atunci cei doi pot ambele electroni suplimentare gratuite, și așa mai departe. Acest lucru creează o avalanșă de electroni, care poate trimite o explozie de electroni spre anod, lăsând în urma lor un nor de ioni pozitivi lente care vor face drumul lor spre catod. Rezultatul net este de a multiplica curent de electroni inițial, un efect utilizat în phototubes gaz să crească fotocurentului pentru o anumită cantitate de lumină. Acest lucru nu începe o descărcare de gestiune susținută, ci doar crește curentul care altfel ar fi disponibile. Acest tip de descărcare produce puțină lumină, de aceea este numit o descărcare întuneric sau Townsend, după omul care le-a studiat in detaliu primul.

Că nor de ioni pozitivi se va ciocni devreme sau mai târziu cu catod. Este mai degrabă improbabil pentru un ion pozitiv pentru a smulge un electron din puținele care sunt disponibile în timp ce acesta este în mișcare prin gazul. Recombinarea este un proces foarte dificil, deoarece o singură particulă este rezultatul, mai degrabă decât de trei particule care vin dintr-o ionizare, asa ca este greu de a conserva atât impuls și energie. Prin urmare, cele mai multe dintre ionii pozitivi create într-o avalanșă de electroni ajunge la o suprafață în cele din urmă, și acestea sunt conduse spre catod prin câmpul electric. Cand ajung, acestea recombina la suprafață, iar în unele cazuri scoate un electron. Pentru Ne pe un catod Fe, unul din aproximativ fiecare 45 ionii produce un electron. Cu toate acestea, în cazul în care avalanșa de electroni produce mai mult de 45 de electroni, atunci nu vor fi suficiente pentru a înlocui ioni pozitivi electronului care a plecat inițial catodul (sau venit din altă parte). Acum evacuarea produce propriile sale electroni, fără a se baza pe razele cosmice sau radioactivitate naturală, și devine auto-întreținute. Acesta este un eveniment important în viața o descărcare de gestiune, și, de obicei înseamnă că descărcarea de gestiune devine evident prin lumina sau zgomot. Potențialul între anod și catod la care se întâmplă acest lucru se numește potențial Vs. scântei Acum, toată calea între anod și catod devine efectuarea cauza electronii și ionii distribuite de-a lungul acesteia.

Cu excepția cazului în ceva limitează curentul, cum ar fi dispariția diferenței de potențial, aceasta crește rapid și fără limite. Bombardamentul Ion încălzește suprafața catodului, care devine incandescent, și începe să emită electroni thermionically, fără referire la numărul de ioni care vin sau eficiența avalanșă de electroni. Orice loc care devine mai fierbinte decât vecinul său, tinde să devină chiar mai fierbinte ca electronii suplimentare cu catod atrage ionii pozitivi la fața locului. Aceasta, starea finală de descărcare de gestiune, se numește un arc. Numele a venit de la modul în care calea de descărcare de gestiune, atunci când aranjat să fie orizontală, a crescut într-o flacără arc, sau arc. Este nevoie de foarte puțin diferență de potențial pentru a sprijini arcul, în principal, doar suficient pentru a menține calea de descărcare de gestiune furnizat cu ioni pentru a înlocui pe cele pierdute în diferite moduri. Un accident vascular cerebral trăsnet este un exemplu de astfel de descărcare de gestiune, dar cu anod și catod, care sunt destul de diferite de cele intr-o lumina arc de carbon. În lumina arc de carbon, descărcarea de gestiune este pornit prin tragere atomii de carbon în afară, care produce un arc dintr-o dată, deoarece descărcarea de gestiune nu are sarcina dificilă de a stabili o cale de efectuarea pe o distanță mare, la fel ca în fulger. Un arc este, de asemenea, ori de câte ori un circuit electric este întrerupt, și trebuie să se stingă înainte de a face orice daune.

Natura o descărcare de gestiune depinde, așa cum am văzut, pe metoda pentru furnizarea electroni la catod, și cu privire la modul se limitează la descărcarea de gestiune. Accident vascular cerebral fulgere, și arcul de carbon, sunt ambele arce neizolate. Accident vascular cerebral trăsnet atrage electronii sale din nor, catodul sa, și le transmite pe pământ, anod sa. Arcul de carbon obține electroni sale de la fața locului catod la carbonul negativ, care se încălzește până la incandescență. Ambele sunt auto-limitate, suprafața canalului efectuarea aranjarea în sine, astfel încât curentul exterior netă este nulă. O descărcare între electrozi metalici într-un tub de sticlă care devine electronii de la bombardamentul pozitiv-ion de catod, și este limitată prin pereții de sticlă, se numește descărcare luminiscentă. Glow evacuările sunt utile și convenabil pentru a studia, astfel încât proprietățile lor sunt foarte familiar, dacă nu cele ale majorității deversărilor. O descărcare poate exista în apropierea unui punct ascuțit, sau alt loc cu o mică rază de curbură în cazul în care câmpul electric este crescut în mod semnificativ de la valoarea medie. Un potențial negativ asupra punctului ea un catod face, în timp ce anodul este un volum nedeterminată în gazul înconjurător. Un potențial pozitiv se face un anod, și atrage electroni de la un volum înconjurătoare nedeterminată, care devine catod. Aceste două evacuări arata destul de diferit cu potențiale constante, dar cu curent alternativ contrariilor se succed și să facă o impresie medie. În cazul în care descărcarea de gestiune apare la aproximativ presiunea atmosferică, este numit corona.

În orice descărcare de gestiune, mai multe procese concurează la electrozii și în gazul, așa explicații și teorii pot deveni subiecte de dispută. O teorie, de obicei, ia în considerare doar procesul principal care funcționează în condițiile problemei, iar acest lucru este de multe ori destul de satisfăcătoare. Uneori diferite ipoteze și mecanisme pot duce la același rezultat, ceea ce complică și mai mult lucrurile. Cititorul ar trebui să țină cont de faptul că explicațiile complete de sunt, probabil, imposibil în multe cazuri, și trebuie să fim mulțumiți cu rezultate calitative sau semi-cantitative. De asemenea, varietatea fenomenelor din evacuări este foarte bogat și depinde de mulți factori, cum ar fi puritatea și pregătire a suprafeței, care sunt dificil de cuantificat. Întreaga soiul nu pot fi menționate aici, numai ceea ce este tipic pe baza unor ipoteze rezonabile. Există o mare domeniu de gândire și raționament în acest domeniu, ceea ce face fascinant, împreună cu frumusețea fenomenelor.

Caracteristicile tensiune-curent

Să considerăm acum o descărcare de gestiune tipic de laborator, care are loc într-un tub de sticlă cu electrozi metalici. Natura electrozilor are un efect redus asupra caracteristicilor descărcării. Materiale utilizate în mod obișnuit sunt carbon-, platina, fier, nichel sau wolfram. Sursa de tensiune E este conectat în serie cu o rezistență limitatoare de curent R, astfel încât tensiunea dintre anod și catod este V = E – IR. Această relație este exprimată prin liniile de încărcare în diagrama, pentru valori ale R egale cu R3 > R2 > R1. Curba neregulat este caracteristica VI acestui dispozitiv, distorsionat pentru a arăta diferitele regiuni convenabil. Punctul A este un punct stabil de funcționare pentru R = R1. Acest lucru poate fi văzut după cum urmează: să presupunem că curentul I care urmează să fie ușor redusă pentru un motiv oarecare. Apoi V devine mai mare, în funcție de linia de încărcare, în timp ce tensiunea dintre anod și catod devine mai mică. Diferența de tensiune actioneaza pentru a creste curentul, restabilirea-l la valoarea înainte de apariția perturbației. În cazul în care curentul este ușor crescut, găsim un deficit de tensiune, care reduce curentul, aducând din nou punctul de funcționare înapoi la locul inițial. Acest lucru se va întâmpla întotdeauna în cazul în care curba VI este mai abrupt înclinat decât linia de încărcare. La punctul A, curentul nu este mai mult decât un microamper, descărcarea de gestiune este de culoare închisă, și nu este auto-susținută. Suntem în regiunea Townsend.

Acum imaginați-vă R redus constant de la R1 la R2. Punctul A se mișcă în sus curba până când se atinge potențialul scântei. Acum tensiunea este redus drastic, iar punctul de funcționare este B, care este stabilă. Descărcarea de gestiune este acum de sine stătătoare ca un descărcare luminiscentă, și de încălzire catod nu este suficientă pentru a determina trecerea la un arc. Dacă R este scăzut în continuare, spre R3, se ajunge de tensiune în întreaga crește de descărcare de gestiune până la punctul B “. Deși B ‘este stabilă în ceea ce privește fluctuațiile mici, încălzire catod poate fi suficient pentru a crește oferta de electroni și coborâți tensiunea de descărcare de gestiune. Această schimbare este de cooperare, precum și descărcarea de gestiune se mișcă repede la punctul C, în cazul în care V este mai mic și eu este mai mare. Aceasta este arcul, și punct de operare C este stabil. Cu toate acestea, în cazul în care R este în continuare redusă, curentul va crește fără limită până se topește ceva. Regiunile în care schimbările de tip descărcare sunt prezentate eco-hașurate, pentru a arăta că valorile reale nu pot fi clar definite. Această caracteristică spune multe despre comportamentul de circuit a evacuărilor, dar nu spune prea multe despre relațiile dinamice, numai cu privire la punctele de operare stabile. Vom discuta fiecare dintre speciile de descărcare de mai jos principalele.

 

Spark: defalcare

Să începem prin a analiza defalcarea inițială a descărcării de gestiune, care produce scânteia. Presupunem că fiecare electron emis de catod creează o avalanșă, iar ionii pozitivi din această avalanșă a reveni la catod și elibera noi electroni să se alăture descărcarea. Să presupunem nicio electroni încep de la catod, iar la o distanță x au înmulțit la n. Electronii adăugate la avalanșă în DX distanță va fi Dn = αndx, proporțional atât cu numărul de electroni, și DX distanță. Factorul alfa este probabilitatea de creare a unei noi electroni per unitate de lungime (sau, numărul mediu de electroni create per cm de cale), și se numește primul coeficient Townsend. Dacă α este constantă, putem integra relația pentru a găsi că ln n = αx + C, și de a determina care C = ln nu, astfel încât ln (n / nu) = αx sau n = noeαx, ecuația de creștere exponențială.

Numărul de electroni care ajung la anod va fi n = noeαd, unde d este distanța de la catod la anod. În general, α va fi o funcție de câmp electric E, dar aici presupunem E este constantă, astfel încât ecuația noastră are exact numai pentru electrozi plan paralel și în absența efectelor spațiu de încărcare. Cu toate acestea, ne va da comanda-of-magnitudine rezultate. Numărul de ioni pozitivi produse în avalansa va fi n – nr. Noi presupunem că toate întoarcere la catod, în cazul în care eliberarea y (n – nr) noi electroni. Factorul y exprimă eficiența ionilor din electroni eliberatoare. Aceasta înseamnă că numărul net de electroni părăsesc catod va fi nici o + γ (n – nr), iar numărul eventual ajunge la anod va fi n = [no + γ(n – no)]eαd . Dacă vom rezolva pentru n, aflăm că n = noeαd/[1 – γ(eαd – 1] În cazul în eαd este mult mai mare decât 1, avem pur și simplu n = noeαd/(1 – γeαd).

Dacă eαd crește la 1 / γ, numitorul dispare, iar numărul de electroni care ajung crește anodice fără limită. Acesta este punctul de scântei sau defecțiuni. Dependența de α pe câmp electric E este descrisă de formula empirică α/p = Ae-Bp/E, unde A și B sunt constante, p este presiunea, iar E câmpul electric. Presiunea vine în, deoarece cel mai important lucru este energia acumulată într-o cale liberă medie, EL, și L este invers proporțională cu presiunea. Prin urmare, în cazul în care modificările de presiune, Episcopul / E va rămâne constantă. alfa se depinde de coliziuni, și va fi proporțională cu presiunea din același motiv. Prin urmare, α / p va fi constantă, la fel ca AP, ca și modificările de presiune. Astfel, constantele A și B trebuie să fie determinată pentru un singur presiune. Dimensiunile A și B sunt (cm-mmHg)-1 și V / cm-mmHg, respectiv. Pentru aer, A = 14,6 și B = 365, iar pentru heliu A = 2,8 și B = 34. Aceste cifre deține doar în anumite intervale de câmp electric, desigur. Y factor de aer pe un catod de nichel este 0,036, pentru neon 0,023, care sunt cifrele tipice.

Putem estima acum potențialul de a găsi ceea ce a dus valoarea E pentru care eαd = 1/γ. Condiția este ln (1 / γ) = aD = Apde-Bpd/Vs, pe care le rezolva pentru Vs. Acest lucru oferă Vs = Bpd/ln[Apd/ln(1/γ)], sau C1(pd)/ln[C2(pd)] în ceea ce privește noile constante care pot fi tabulare. Frapant lucru despre această relație este că potențialul spumant este o funcție de doar PD produs. Aceasta se numește Legea Paschen lui. Mai mult decât atât, prin stabilirea derivatul de Vs cu privire la PD egale cu zero, constatăm că potențialul spumant are un minim atunci când C2pd = 1, or pd = e ln(1/γ)/A.

Tensiunea scântei ca o funcție de pd pentru aer este prezentată în graficul din dreapta, care arată un minim la 327 V la pd = 5.67 mmHg-mm. Din constantele de ionizare a aerului, vom găsi 266 V cu ajutorul ecuației de mai sus, care nu este de acord rău. La pd = 2000 mmHg mm tensiunea scântei este 10kV, și la 4500 mmHg mm este 20kV. Cifrele sunt pentru electrozi-plan paralel, astfel încât acestea dau tensiunile ceea ce a dus pentru valorile corespunzătoare ale intensitate a câmpului.

Ne-am asumat mecanismul de defalcare a fi avalanșe de electroni și producția pozitiv-ion de electroni de la catod. Ionii pozitivi excitate ar putea emite, de asemenea, radiații care ar scoate fotoelectrozilor de catod cu același efect. Prin urmare, faptul că avem amplificare de cooperare a curentului de electroni nu determină în mod clar mecanismul. Acest lucru se întâmplă de multe ori în studiul de descărcări electrice, și de multe ori mecanisme obscure în timp ce efectele lor sunt bine-cunoscute.

Minimul potențialului spumant are o consecință ciudat. Pentru valori ale PD la stânga de minim, în cazul în care descărcarea de gestiune are o alegere de două căi de lungimi diferite, se va alege calea mai mult, deoarece se descompune la o tensiune mai mică (în partea dreaptă a minim), așa cum se arată în figura. În acest caz, aducând electrozii mai aproape poate crește de fapt, tensiunea defalcarea.

La presiuni scăzute, defalcare apare cu o scânteie mut de forma filamente fine. La presiuni ridicate, scanteia este luminos si zgomotos. Repartizarea poate apărea ca tensiunea este ridicată, sau distanța catod-anod este crescută sau la presiune redusă (pentru pd la dreapta minim). Taxe spațiu poate provoca distribuția de tensiune pentru a schimba, și domeniile crescut au același efect ca și o creștere a tensiunii de ansamblu. Lightning arată defalcare progresivă pe un drum lung prin acest mecanism. O creștere simplu în ionizare primară care ridică nici nu va cauza defalcare de la sine. Sparks au efecte chimice, crearea de ozon și oxizi de azot în aer din cauza ionizarea și excitație, și inițierea reacțiilor chimice.

Contra Tubul Geiger-Müller este un exemplu interesant de caracteristici de degradare. Acesta constă dintr-un catod metalic cilindric cu un anod sârme fine pe axa, așa cum se arată în diagrama. Fereastra subțire de intrare a particulelor beta (electroni) nu este afișată, în cazul în care contorul este destinat acestui scop. Contorul detectează, de asemenea, raze y, care evacuării fotoelectrozilor de catod, sunt supuse Compton, sau pentru a crea perechi de electroni-pozitroni. Contorul GM nu este un instrument sofisticat, dar are marele avantaj de a da un impuls mare, care poate fi chiar auzit direct prin căști fără amplificare. Acesta este umplut cu argon și un pic de vapori de alcool etilic.

Crearea unei electron liber în volumul de la ghișeu sau la catod inițiază o descărcare de gestiune avalanșă care implică, în general, întreaga lungime a tubului. Electronii sunt colectate prin firul anod provocând frontul crescător al impulsului, și apoi ionii muta mai lent spre catod, ceea ce face coada puls. Ionii sunt măturat în aproximativ 100 de ps, în care tubul este insensibil. Rata maximă de numărare este de aproximativ 5000 de impulsuri / s, precum și pierderea de capete de acuzare din cauza timpului mort se numește pierderea coincidență.

Dacă rata de numărare cu o anumită sursă se măsoară în funcție de tensiunea aplicată pe tubul, o caracteristică ca cea din figura este găsit. Numărarea începe la potențialului inițial, în cazul în care câmpul electric este primul suficient de puternic pentru a susține o avalanșă. Rata de numărare crește până la pragul Geiger, și rămâne aproape constantă în platoul Geiger. Este existența acestei platou, care permite instrumentul să fie calibrat. Toate evacuările din această regiune sunt de putere similare. Dacă ionii eliberat un număr suficient de electroni la catod, evacuarea ar deveni de sine stătătoare, făcând tubul nefuncțional. Pentru a preveni acest lucru, se adaugă un gaz de stingere, de multe ori alcool etilic, dar, de asemenea, un halogen cum o clor sau brom, care suge electroni. Contorul GM este între o descărcare de gestiune Townsend pe de o parte, în care curentul depinde de ionizare, și defalcarea, în cazul în care descărcarea de gestiune este auto-întreținute. La o tensiune aplicată suficient de mare, cu toate acestea, o descărcare luminiscentă nu poate fi evitată.

Strălucirea Descărcarea de gestiune

Dacă vom reduce presiunea gazului la între 1 mm Hg și o cmHg, vom obține o descărcare luminiscentă care arata ca cel din diagrama, o descărcare de gestiune tipic strălucire de joasă presiune. Dacă am început cu presiunea atmosferică la, ne-ar fi imposibil să înceapă o descărcare de gestiune cu, să zicem E = 300 V Așa cum am pompat tubul jos, la un moment dat o descărcare va începe, umple tubul cu lumina roz, în cazul în care gaz a fost de aer, dar curentul ar fi scăzut și lumina nu intensa. Cu evacuare în continuare, curentul ar crește ca tensiunea pe tubul scăzut, și vom vedea o regiune întunecată iese din catod. Continuând, regiunea întunecată ar crește în lățime, și catodul ar părea să fie acoperite cu o lumină albăstruie moale. Lumina coloanei roz poate începe să fluctueze în valuri mișcare. La presiunea menționată mai sus, tensiunea pe tubul ar fi puțin și curentul mare, iar acest lucru este starea de descărcare de gestiune se arată în diagrama.

La presiuni mai mici, regiunea întunecată ar extinde proporțional cu inversul presiunii, lumina din jurul catodului se va extinde, de asemenea, și, probabil, o regiune intunecata între acesta și catodul ar deveni evident. Coloana roz de lumina va crește în mod constant mai scurte, și, eventual, să fie înghițit de zona întunecată. Acum sticla a tubului s-ar putea să înceapă să fluorescență verde în cazul în care electroni rapizi lovit, și tensiunea peste descărcarea de gestiune ar crește ca a cazut curentul. Electron drumul liber mijlociu este acum comparabilă cu dimensiunile tubului. În cele din urmă, lumina la catod ar pâlpâie și ieși, și descărcarea de gestiune ar înceta, ca electronii ar putea găsi nici molecule pentru ionizarea ca acestea traversat tubul de la un capăt la altul.

Numele diferitelor regiuni sunt afișate pe diagrama. Există două părți principale ale descărcarea de gestiune. La stânga, regiunea dintre catod și spațiul închis Faraday (DS) este motorul care conduce la descărcarea de gestiune, creând electronii necesare. Dacă vom prelungi tubului, această regiune nu alterează, dar rămâne aceeași. La dreapta, regiunea dintre spațiul întunecat Faraday și anod servește pentru a conecta motorul de electroni cu anodul cu o cale conductoare. Este aproape electric neutru, o plasmă limitat între pereții, anodul, iar spațiul de culoare închisă Faraday. Acesta este înconjurat din toate părțile de ceea ce este în esență un înveliș de plasmă care taie curent pereți (care presupun un potențial relativ negativ în plasmă), permite doar dreptul de suma de curent de electroni pentru a merge la anod, și să vină de la spațiul întunecat Faraday.

Catodul este bombardat de ioni pozitivi provin în principal din regiunea strălucire negativ, în cazul în care sunt create de coliziuni cu electroni rapizi. Aceste ioni recombina la catod, apoi cad la starea sol cu ​​emisie de lumină. Această lumină constituie lumina catod, care este separat de catod printr-un interval foarte îngust închis, spațiul întunecat Aston. Regiunile “întunecate” nu sunt foarte întuneric, doar mai luminoasă decât regiunile luminoase. Spatiul de culoare închisă catod are cel mai puternic câmpul electric în descărcarea de gestiune, care crește proporțional cu distanța față de catod. Această regiune este umplut cu o sarcină spațială pozitivă a ionilor se deplasează în direcția opusă. Când electronii dobândească suficientă energie pentru a ioniza, ei încep să facă în așa fel încât acestea să intre lumina negativa, cea mai strălucitoare parte din descărcarea de gestiune. În lățimea strălucirea negativ, toate ionii pozitivi care nevoile de refulare sunt în continuă create, și apoi acestea sunt accelerate spre catod. Chiar ionii pot fi excitate de electroni rapizi, iar ambele moleculele neutre și ionizate contribuie la lumina. Electronii sunt epuizate de acest efort, și deriva afară, în spațiul întunecat Faraday la viteză redusă. Există acum mult mai puține ioni în jurul, astfel încât electronii pot fi accelerate în domeniul blând. În timp ce accelera, densitatea lor număr scade. Cu excepția aproape de catod, electronii transporta practic toate a curentului de descărcare de gestiune. Când au suficientă energie pentru a excita moleculele gazului, lumina emisă devine evidentă. Această lumină este produs cu excitație minimă, și constă doar din lumina emisă de atomi neutri care au fost incantati de mai sus energia de rezonanță, ceea ce explică caracterul diferit de lumina emisă de strălucirea negativ.

De aici a vecinătatea anodului, potențial gradientul trebuie să fie suficiente pentru a permite electronii cele mai energice pentru a forma ioni le înlocui pe cele care difuzează la pereții numai. Electronii transporta cea mai mare parte a curentului de descărcare în această regiune, în principal ionii asigurarea neutralității doar electric. Ca anod este abordat, ajustări trebuie făcute pentru a se potrivi curentului anodic. Curentul de electroni aleatoare poate fi mai mare decât este necesar, astfel încât electronii trebuie încetinit printr-o densitate de electroni în plus pe lângă anod, sau, în mod alternativ, un înveliș ion pozitiv se poate cere să elaboreze curent suplimentar din plasmă. Acesta este cazul prezentat în figură. Ionii suplimentare necesare sunt făcute în lumina anod, în timp ce puțin excitație apare lângă anod, făcând un spațiu întunecat. Ce se întâmplă la anod este variabilă și depinde de detaliile descărcarea de gestiune individuale.

Diagrama este puțin diferită de cea care apare în mai multe referințe, care pare a fi copiate de la un original de Loeb. Comună Diagrama are, cred, unele inexactități, dintre care cel mai important este densitatea ion pozitiv în fața catodului, care nu poate cădea la zero, ca Loeb pare să indice, dar trebuie să rămână finită.

Noi ar trebui să discute acum importantă proprietatea de similitudine în evacuări de gaze. Acest este, în principal pe faptul că drumul liber este dată de L = 1 / nπd2, unde n este densitatea de particule și πd2 este o secțiune transversală efectiv pentru coliziune. Diametrul unei sfere echivalent este D. Această expresie pot fi multiplicate cu o unitate aproape constant pentru a ține cont de o diferență de viteză de particule se ciocnesc, sau distribuirea viteze relative moleculare, dar un lucru esențial este proporționalitatea la 1 / n, care deține foarte bine pentru gazele diluate important în evacuări. Densitatea număr, la rândul său, este dat de n = p / KT în ceea ce privește presiunea și temperatura.

Am văzut deja acest lucru în lege Paschen lui. pd = pL(d/L), în care pL este o constantă, iar raportul d / L determină natura de descărcare de gestiune, astfel încât aceleași lucruri se întâmplă pentru aceleași valori ale PD. Diagrama din dreapta prezintă două tuburi de descărcare de formă similară, în care dimensiunile liniare sunt în raportul A. Diferența de potențial între cele tuburilor este aceeași. În cazul în care presiunile scala în raportul invers A, atunci numărul de căi medii libere în orice distanțe similare este aceeași, și PD este o constantă pentru comportament similar. Deoarece diferența de potențial este constantă, câmpurile electrice E = -dV / dx asemenea scară cu presiunile, astfel încât raportul E / p este constantă. Raportul α / p este o funcție de numai E / p, deci este constantă. Din expresia pentru curenții din regiune Townsend, constatăm că densitățile actuale sunt constantă dacă densitățile de curent inițială la catozi sunt aceleași. Rețineți că rapoartele densitati particule incarcate nu sunt aceleași ca raportul dintre densitățile molecule neutre. Densități molecule neutre sunt determinate de p = nkT, dar densități de particule incarcate sunt determinate de ecuația lui Poisson d2V / DX2 = ± -4πn. Rata de schimbare a densitati de particule sunt, de asemenea într-un raport diferit. Nu totul cântare în mod corespunzător, dar în cele mai multe cazuri similitudine este o aproximare foarte bună. Acest lucru arată, de altfel, că testele de la tensiune redusă nu se poate face pe modele, deoarece evacuări nu vor fi comparabile în cazul în care tensiunile sunt diferite.

Cea mai mare parte a tensiunii între anod și catod este reprezentat de catod intră Vc lângă catod. Aston constatat experimental că câmpul electric este mai mare la catod, și cade liniar la zero la sfârșitul căderii catod în strălucirea negativ. Această scădere liniară înseamnă că potențialul ridică parabolic: V(x) = (2Vc/d2)x(x – 2d). Acest lucru înseamnă că există o cheltuială constantă spațiu pozitiv în regiunea suma Vc/2πd2, iar câmpul la catod este Eo = 2Vc/d.. Dacă K este mobilitatea ionilor pozitivi, atunci curentul ion pozitiv poate fi găsit. Curentul de electroni este de ori y acest lucru, așa densitatea totală de curent la catod este jo = Vc2K(1 + γ)/πd3.

Electronii sunt accelerate de câmpul puternic în apropiere de catod la o energie destul de mare. Ele sunt apoi mișcă mult mai repede decât mobilitatea lor în domeniul electric, dar nu sunt încetinite de mult de ciocniri elastice cu atomi neutri, și continuă să ioniza cu creșterea eficienței în care acestea lent, face cel mai lucrarea în lumina negativa. Aspectul spectrului de atomi ionizați, precum și arată neutre care electronii au încă viteze mari în acest domeniu, dacă acestea sunt în mișcare în direcții aleatoare. Lățimea strălucirea negativ este aproximativ egală cu “gama” a electronilor la presiune intermediară. Această gamă nu este exact la fel ca și conceptul cu același nume, în oprirea razelor beta radioactive.

Se poate crede cu naivitate că electronii sunt accelerați în meniurile catod ca într-un vid, și apoi începe ionizante atunci când ajung la energie suficienta, dar acest lucru nu este o imagine validă, și duce la confuzie, atunci când încercarea de a înțelege descărcarea de gestiune. Drumul liber mijlociu este în continuare scurt, chiar la 1 mm Hg, și moleculele neutre mult mai numeroși decât electroni și ioni. În timp ce densitatea neutră este de aproximativ 4 x 1,015 cm-3 la 1 mm Hg, densitățile de electroni și ioni nu depășesc 1010, și sunt, de obicei nu mai mare de 108. Doar unul din zece milioane de molecule este ionizat, și mișcarea de electroni și ioni este reglementată de mobilitate, mai degrabă decât de accelerare liberă. Electronul medie cale liberă în neon la 1 mm Hg este de aproximativ 0,5 mm, care oferă electronii libertate de a călători. Nu este de mirare că fenomenele catodice îmbrățișează catod bine la presiuni mai mari, și să extindă ca interval crește de electroni. Un câmp electric foarte mare la suprafața catodului este o caracteristică a tuturor evacuărilor, și aici este locul unde electronii obține energia inițială.

Doar câteva dintre ionii pozitivi necesare sunt create în spațiul întunecat catodic, în cazul în care cea mai mare potențial creștere are loc. Cele mai multe apar în lumina negativ în cazul în care ionizare este cel mai eficient, atunci deriva spre catod. Gama de o particulă încărcată rapid este familiarizat de radioactivitate. Este distanța proiectată în direcția generală a mișcării, nu lungimea drumului real, în special pentru electroni, și este distanța până la punctul în care particulele au energie suficientă pentru ionizare în continuare. Gama de electroni de U eV energie într-un gaz de greutate moleculară M este gata R = 1.4 x 10-7 (TU2/pM) cm, unde p este în mmHg, iar T este în K. negativ gradele strălucire în Faraday spațiu întunecat ca electronii devin relativ lent și în imposibilitatea de a ioniza. Acum, ei pur și simplu trebuie să facă drumul lor spre anod într-un fel, fără a utiliza până de mult de tensiune.

Distribuția intensității luminii în spațiul întunecat catod și strălucirea negativ este un subiect bun pentru contemplare. Lumina nu vine din ionii pozitivi (cu excepția cazului în care au fost în continuare entuziasmat, care se întâmplă), ci de la ionii care au recombinate. Întreaga regiune dintre catod și spațiul întunecat Faraday este plin de ioni pozitivi, dar recombinare este mult mai probabil în cazul în care electronii se mișcă încet, iar acest lucru înseamnă electroni, care au ionizate deja și sunt acum în derivă despre, și ioni mai lent care nu au fost încă fost accelerat de domeniu. Electronii în spațiul întunecat sunt încă în mișcare prea repede pentru acest lucru, deci nu este puțină lumină acolo.

Analiza arată că scăderea catod unde densitatea de curent necesară nu este prea ridicată este V = (3B / A) ln (1 + 1 / γ), densitatea de curent este j = 5.92 x 10-8(AB2)(Kp)(1 + γ)p2/ln(1 + 1/γ), in μA/cm2 și atunci când diferitele constantele au unitățile lor obișnuite, iar lățimea spațiului întunecat catodic este d = 3.76 ln (1 + 1 / & gamma 🙂 / Ap cm. Aceste ecuații pot fi utilizate pentru a găsi valori empirice pentru constantelor A și B. Pentru neon, K = 7.52 x 103 cm / s / V / cm la 1 mmHg, iar γ = 0.022 pe o catod de fier. Experiment dă d = 0,72 cm la 1 mmHg, j = 6 pA / cm2, iar V = 150V. Din aceste date, A = 20 și B = 261, care nu este nerezonabil. Rețineți că V este independent de presiunea, d variază invers cu presiunea, iar j este proporțională cu pătratul presiunii. Acest lucru se aplică, desigur, în intervalul de presiuni în cazul în care analiza aproximativă este valabil.

Curentul printr-un descărcare luminiscentă este controlată de către circuitul exterior. Dacă un curent i se cere, apoi o zonă catod A = i / j este necesară în condițiile analizei noastre. Dacă acest domeniu catod nu este disponibilă, atunci căderea catodică trebuie să crească pentru a oferi o densitate de curent mai mare. Această regiune se numește strălucirea anormal. Creșterea Căderea catodic generează electroni și ioni mai rapide mai repede, astfel încât strălucirea negativ se extinde și luminează, și ionii rapid bombardeaza catodul. Într-o lampă strălucire, este ușor pentru a vedea raspandirea strălucire negativ curentul prin lampa este crescut.

Bombardament rapid ion determină pulverizarea materialului catodului. Rata de pulverizare este proporțională cu (Vc – V), unde V este căderea normală catod, iar Vc informatice stabilite căderea catodică. 850V, nu ar fi o cifră neobișnuit, în cazul în care V = 200V, spune. Mecanismul exact de pulverizare este în dubiu, dar se pare că materialul catod este scos la suprafata catodului, și apoi s-a evaporat de încălzire locală. Rata de depunere se supune legii-invers pătrat. Filmele produse sunt destul de coerente și uniforme. Argint sputters relativ ușor, din aluminiu cu dificultate. În cazul în care suprafețele catodice sunt special pregătite, probabil cu substanțe funcție de muncă reduse în catozi catod, pulverizare le poate distruge rapid, chiar si la supratensiuni relativ mici. Nu pare a fi putin de pulverizare la căderea normală catod. Electrozii de lămpi incandescente sunt tratate cu materiale de lucru cu funcții mici, astfel încât acestea sunt răniți de supracurent, și tensiuni lor izbitoare ar putea crește.

În spațiul închis Faraday, câmpul electric este din nou controlată de încărcare spațiu și drumul liber mijlociu, de această dată de electroni, care transporta aproape toate curent. Energia cinetică a câștigat într-un mediu cale liberă L este MV2 / 2 = anghilă, astfel încât să putem găsi viteza și, prin urmare densitatea de curent, J = NE (2EeL / m) 1/2. Atunci ecuația Poisson este dE / dx = 4πne = 4πj (2EeL / m) -1/2. Integrarea acestei ecuații, aflăm că E = (6πj)3/2(2eL/m)-1/3x2/3. Prin urmare, câmpul electric crește pe măsură ce avansăm prin spațiul închis Faraday. Atunci când aceasta ajunge la o valoare suficientă pentru a da electronului o energie cinetică egală cu energia de rezonanță Vr, atunci electronii pot excita moleculele neutre și începe de emisie de lumină. Acest lucru se întâmplă într-o distanță x de la care EL = Vr, care este proporțională cu 1 / Lj, sau invers proporțională cu p. Dacă presiunea este suficient de scăzută, apoi electronii muta aproape ca într-un vid, și se aplică legea normală Childs 3/2-putere. Atunci distanța x este proporțională cu 1 / √j, din nou invers proporțională cu presiunea. Ca toamna catod și strălucirea negativ, spațiul închis, de asemenea, se extinde Faraday invers ca presiunea. Prin urmare, întreaga regiune catod extinde sau contracte, fără nici o schimbare în dimensiuni relative ar fi modificările de presiune.

Când electronul medie are suficientă energie pentru a excita o moleculă neutră la nivelul său de rezonanță, electronul overzealous ocazional poate ionizarea o moleculă care va crea un ion pozitiv pentru a înlocui unul care se pierde prin difuzie pe perete, unde se recombină. Acesta este un echilibru delicat care pastreaza densitatea de electroni și Ion egale în coloana sau plasma pozitiv. Cu cât diametrul tubului, cu atât mai mare este difuzarea, și cu atât mai mare potențial gradientul longitudinal obligația de a păstra electronii până la viteza de lucru. Densitatea actuală aleatoare este unitatea de suprafață curent de trecere într-o direcție în plasmă, j = nca / 4, unde c este viteza medie termică a suportului încărcăturii, √ (8kT / πM). Aceasta presupune o distribuție maxwelliana, care nu este o presupunere rău. Cu toate acestea, temperatura de electroni poate fi 10,000K sau mai mult în timp temperaturile neutre și ioni sunt nu cu mult peste 300K. Această diferență se datorează de dificultatea extremă a transfera energia cinetică dintre electronii de lumină și moleculele grele, mai ales atunci când electronii sunt conduse de către un câmp longitudinal. Aceasta înseamnă că curentul de electroni aleatorii la perete este mult mai mare decât curentul ionic aleatoare. Astfel încât curentul net pe perete neconductor este zero, peretele trebuie să colecteze electroni pentru a forma un câmp de respingere. Acest strat de exces de încărcare este numit un înveliș de plasmă, și este un fenomen comun, bine vazut in evacuări luminoase.

Pentru descărcarea de gestiune neon glow care transportă 25 mA, gradientul de tensiune în coloana pozitiv pentru o rază R = tub 2 cm este 1,45 V / cm. Pentru R = 1 cm, este de 3,0 V / cm, iar pentru R = 0,75 cm este de 4,3 V / cm. Pentru heliu, scăderea într-un tub de rază 1.5 cm este 5.0 V / cm. O lampă de afișare neon utilizează coloana pozitivă pentru lumina ei. Diametrul tubului poate fi “diametru 0.6 și o lungime de 60 cm. Scăderea totală în coloana pozitiv este de 130 V / ft x 60 ft = 7.8kV, iar electrodul scade suma la 230-300V. Iluminarea este de aproximativ 36 lumeni / ft, iar eficiența 24 lm / W. Pe circuitul deschis, 15kV consumabile transformator. Totuși, acesta se face cu mare reactanță scurgere care scade tensiunea în funcție de curentul absorbit să se stabilizeze descărcarea în poziția ceva mai mică decât 10kV peste tubul. Presiunea în tubul este mai mare decât valoarea da tensiune minimă pentru a suprima pulverizare a catodului, care se închide pereții tuburilor și limitează durata de viață a tubului. Neon dă roșu-portocaliu, heliu galben, roz azot. Mercur poate fi adăugat pentru culori suplimentare, și sticlă colorată poate fi folosit, pentru a face ecrane albastre și verzi. Aceste evacuări strălucire sunt încă o priveliște frecventă.

Corona este numele dat sa straluceasca evacuările la presiune înaltă lângă puncte de câmpuri de mare, de obicei, cauzate de un mic rază de curbură. Punctele sunt un loc evident pentru corona, iar acest lucru este intenția lor în paratrăsnete. Conductori de înaltă tensiune sunt un alt loc bun, dar aici este foarte de dorit. Se afirmă de obicei că domeniul defalcare pentru aer este 30kV / cm, dar fenomenul este mult prea complex pentru o astfel de criteriu simplu. Cu toate acestea, această valoare este de utilizare a estimărilor de inginerie. Un fir negativ devine un catod, iar aprinde contract pentru regiunile regulate de-a lungul firului de, cum ar fi margele, fiecare înconjurat de o perie. Un fir pozitiv devine un anod, cu o strălucire uniformă anod răspândit de-a lungul acesteia. Pierderea corona poate depăși pierderea rezistiv în conductoarele. Este mai puțin în cazul în care conductorii sunt netede și de diametru mare.

Descărcarea luminiscentă este adesea folosit pentru pomparea laseri cu gaze, la fel ca în familiar laserul He-Ne. Obiectivul este de a crea o inversiune populație între nivelurile superioare și inferioare ale unei tranziții radiative. Nivelul superior pentru trecerea cu laser 633 nm este Ne2p55s'[1/2]0 la 166658.484 cm-1 de mai sus starea fundamentală Ne, care este aproape rezonant cu starea excitat metastabilă He21S0 de heliu, și starea de jos este Ne2p53p'[3/2]2 de stat la 150860.468 cm-1, care pot descompune rapid la Ne2p53s[3/2]2 starea metastabilă de neon prin radiații nm 594.5, păstrând starea de jos gol. Acesta este un sistem foarte norocos și ideal pentru pompare cu laser. Există, de asemenea tranziții infraroșu din aceeași regiune care pot fi utilizate, la 1,152 nm și 3391 nm. Nivelul superior de prima este rezonant cu starea He23S1 metastabilă, care facilitează, de asemenea, de pompare.

Tubul de evacuare este de obicei umplut cu 0,8 mmHg și 0,1 mmHg heliu neon, excitat de o descărcare de gestiune DC, o descărcare de gestiune ac, sau de descărcare de gestiune de radio-frecventa. Inversiunea populației este în coloana pozitivă roz. Frecvența laser este ales de către un rezonanță optică între oglinzi exterioare, și de energie este pompat în ea de inversiune populației. Catodul si anod sunt de obicei în tuburi laterale, astfel traseul optic nu este obstrucționată.

Un câmp de radiofrecvență de la o bobină externă în jurul tubului de evacuare poate fi folosit pentru a crea o plasmă. Este necesar pentru câmpul electric RF să fie suficient de puternic pentru a oferi excitație sau energia de ionizare a un electron într-o cale medie gratuit. Acest lucru nu este strict o descărcare de gestiune, deoarece nu există nici fluxul de curent net, dar se produce o plasmă slab-ionizate așa în coloana pozitivă a unei descărcare luminiscentă.

Ca presiunea gazului este redusă, devine tot mai dificil să se producă un număr suficient de ioni pozitivi pentru a menține descărcarea de gestiune. Tensiunea anod-catod pentru a-trebuie să fie crescută continuu, iar electronii devin tot mai energic. Electronul medie drumul liber devine comparabilă cu dimensiunea de descărcare de gestiune, și, practic, întregul spațiu reprezintă spațiul întunecat Faraday. Aceasta este regiunea de raze catodice, ca s-au numit traiectoriile de electroni liniare înainte au fost recunoscute electroni, care pot arunca umbre, devia în câmpuri electrice și magnetice transversale, cauza sticlei de fluorescență, și să producă raze X atunci când acestea sunt oprite brusc de anod sau sticla. În cele din urmă, tubul devine neconductor.

Descărcarea de gestiune Arc

Descărcarea de gestiune arc este o mare de curent, de descărcare de gestiune de joasă tensiune, în contrast cu-curent redus, descărcare luminiscentă de înaltă tensiune. Se caracterizează printr-o caracteristică VI-rezistență negativă, și temperaturi ridicate. Electronii pentru evacuarea sunt furnizate de un loc catod, care este un emițător mult mai eficient de electroni decât fenomenele catod descărcare luminiscentă. Densitatea de curent în locul catod este mare și constantă, așa că ajustează dimensiunea pentru a se potrivi curent de descărcare de gestiune. Electronii sunt eliberate fie de emisie cu catod, sau prin emisie de mare câmp. Importanța relativă a acestor mecanisme a fost mult timp în litigiu, dar este convenabil să se presupună că la fața locului catod fixă ​​de electrozi refractare (cum ar fi de carbon sau tungsten) este catod, în timp ce la fața locului catod rătăcitor de low-topire puncte catozi (cum ar ca mercurul) este de mare de teren. O densitate de curent tipic pentru un loc catod catod este 470 A / cm2, și un loc de mare câmp, 4000 A / cm2.

Emisie de înaltă câmp este în esență cuantic de tunel-mecanice prin bariera de potențial la suprafața catodului. Densitatea de curent este dată de ecuația Fowler-Nordheim J = CE2exp(-D/E), unde C = [6.2 x 10-6/(φ + EF)](EF/φ)1/2 A/V2, și D = 6.8 x 109φ3/2. EF este energia Fermi și φ este funcția de muncă, atât în ​​volți. E este câmpul în V / m. Pentru tungsten, φ = 4.52V și EF = 8.95V. Câmpurile necesare sunt foarte mari. Un câmp de 2 x 107 V / cm produce emisie de numai 1,7 mA / cm2 în tungsten. Cu toate acestea, creșterile curente destul de rapid cu câmp electric. Cu un câmp de 3 x 107 V / cm, curentul este deja 0,2 A / cm2. La presiune atmosferică, drumul liber mijlociu este de aproximativ 10-5 cm în aer, iar în cazul în care scăderea catod este 10V, câmpul electric rezultat cazul în care căderea catod apare pe o cale liber mijlociu este de 106 V / cm. Este vorba despre un factor de 20 mai mult decât este necesar, astfel încât unele anchetatorii au pus la îndoială importanța emisiilor de mare câmp din arce. Cu toate acestea, este cel puțin aproape de valoarea necesară, iar unele consolidarea locală a câmpului de aranjament de ioni pozitivi adsorbite pot face diferența.

Ecuația Richardson-Dushman pentru emisie catod, J = AT2exp(-b/T) este foarte similară în formă cu ecuația Fowler-Nordheim, cu temperatura absolută T înlocuirea intensității câmpului E. A = 60,2 A / cm2, și b = 11600φ. La punctul de fierbere al tungsten, 5993K, J = 3.45 x 105 A / cm2, un rezultat destul de amplu. Chiar și la punctul de topire, densitatea de curent este 541 A / cm2. Mercur are aproximativ aceeași funcție lucru ca tungsten, 4.5V, dar emisia catod la punctul de fierbere, 630K, este de numai aproximativ 10-29 A / cm2, care este cu totul inadecvat. Prin urmare, emisiile de mare câmp pare a fi singura alternativă.

O mică intensitate arc tipic carbon pentru iluminatul funcționează la presiune atmosferică între doi electrozi de carbon cilindrice separate prin câțiva milimetri, la o tensiune de 55V și un curent de 30A. Spotul catod este la o temperatură de aproximativ 3500K, în timp ce craterul erodat în carbonul anod este de aproximativ 4200K, cu o strălucire de 170 cp / mm2. Între ele este o strălucire luminos violet, și o flacara galben coadă, proiectat spre anod. Materialul este suflat afară de catod, și se depune pe peretii vârful anodului. Lumina este caracteristic un negru-corp 3810K, cu radiații puternice în apropiere de UV la 380 la 390 nm, vârfurile cianogen cauza ca compus de carbon și azot. Există, de asemenea un vârf aproape 250 nm. Aceste emisii ultraviolete face ochelari de protecție atunci când este necesar observarea unui arc direct. Radiația este, de asemenea, bogat în infraroșu, din cauza toată căldura în apropiere.

Atomii de carbon sunt consumate continuu în arc. Acestea pot fi de carbon greu pentru durabilitate exterior, cu un miez de carbon moale pentru conductivitate interior, care stabilizează arcul. Materiale speciale de bază poate da arcuri colorate prin colorarea flăcării coada. Ele nu pot fi concentrate cu exactitate ca crater cutia pozitiv. O bază de oxid de ceriu și fluorură de ceriu face carbură de ceriu în craterul, oferind până la 500 cp / mm2 în ceea ce se numește o lumina arc de mare intensitate. Flacăra coada este alb de particule ceriu incandescent. Un carbon tipic pozitiv este de 16 mm în diametru, cu un miez 8 mm, în timp ce carbonul negativ este 11 mm în diametru, cu o 3 mm miez carbon moale.
Arcul poate funcționa fie în gazul ambiantă, sau în vaporii emisi de catod și anod ca acestea sunt vaporizate. Electrozii funcționează la punctele lor de fierbere, care determină temperaturile maxime disponibile. De exemplu, un arc de cupru este de obicei verde, cu emisie de vapori de cupru în arc. Arcul este format din meniurile catod, coloana pozitivă, iar anodul să cadă. O structură detaliată interesant este văzută, la fel ca în descărcarea de gestiune strălucire. Scăderea catodic este un pic mai puțin decât potențialul de ionizare a gazului sau vaporii. Pentru carbon, potențialul de ionizare este 15.8V, dar scăderea catod este 9-11V. Lățimea regiunii cădere catod este puțin mai mult decât o cale liber mijlociu al unui electron, astfel încât regiunea catodului este foarte subțire. Scăderea anod se produce într-o regiune mai largă, și seamănă cu un înveliș sondă, ca într-un descărcare luminiscentă. Scăderea anod în arcul de carbon este de aproximativ 20V. Între regiunile anozilor și catozilor înguste reprezintă coloana pozitiv cu un gradient liniar de tensiune. Tensiunea de un arc de carbon din aerul este dată aproximativ de V = 38.9 + 2,0x + (16.6 + 10.5x) / I, unde V este în volți, am în amperi, iar x este lungimea arcului în milimetri. Acest lucru este valabil în regiunea în care tăcută caracteristica este hiperbolic. La curenți mari, arcul devine un arc șuierat, iar tensiunea este aproximativ constanta.
Efectele termice joacă un rol important în arce. Catodul este încălzit prin bombardament cu ioni pozitivi, unde efectul ionilor este pur termică și orice emisie pozitiv-ion electroni indusă este neimportant. Nu trebuie să fie întotdeauna suficient de ioni pentru a menține catod cald. Adesea catodul este încălzit din exterior, cel puțin până se stabilește arcul, pentru a ajuta la pornire. Aceasta se poate vedea, de exemplu, în tuburi fluorescente. În unele cazuri, la fel ca în diode redresoare gaz, catodul este încălzit continuu. Aceste catozi sunt pentru a stimula emisie de electroni copios acoperite cu oxid. Încălzire externă a catodului nu afectează natura descărcarea de gestiune în mod semnificativ. Prin luarea în considerare taxa spațiu pozitiv-ion, câmpul la suprafața catodului poate fi estimată ca E = 4V / 3d, unde V este căderea de catod și d este lățimea regiunii catod toamna. Dacă V este de aproximativ 10V și d este de aproximativ o cale medie gratuit, atunci E este 105-106 V / cm. Un astfel de câmp mare este mare încurajare pentru electroni să se alăture descărcarea de gestiune. De asemenea, o zonă supraîncălzit poate forma la suprafața catodului din atomi adsorbiți.
Coloana pozitivă diferă semnificativ între arce operate la presiuni joase (să zicem, sub 10 cmHg presiune) și arce la presiuni mai mari, cum ar fi atmosferice. La presiuni scăzute, este ca coloana pozitivă a unei descărcare luminiscentă, cu o temperatură foarte ridicată de electroni (40,000K nu este neobișnuit) și un ion și gaze la temperatură scăzută (de exemplu, 300K). Ionizare în acest plasma este de impact de electroni, iar plasma disipează în cazul în care pereții nu sunt prezente. La presiuni ridicate, de electroni, de ioni temperaturi și gaze sunt egale și de înaltă (probabil 6000K), și ionizare este în principal termic. Aceasta este un fel de plasmă fierbinte studiat în fizica plasmei. Longitudinală Gradientul de tensiune depinde curent ca E = BI-n și asupra tensiunii ca E = CPM, unde m și n sunt exponenți empirice. Pentru un arc de carbon în aer, n = 1 și m = 0.3, aproximativ. La 1 atm, densitatea de curent într-o coloană pozitiv în azot este de aproximativ 6 A / cm2. Motivul pentru scăderea de tensiune cu o creștere a actuală este că tendinței actuale de creștere determină o scădere a rezistenței coloanei prin multe alte aspecte disponibile.
Gradul de ionizare X într-o plasmă fierbinte poate fi estimată prin ecuația Saha, [x2/(1 – x2)]p = 3.16 x 10-7 T5/4exp(-eVi/kT), în cazul în care p este în atmosfere, T este în K, și VI se în volți. Dacă luăm un potențial de ionizare de 10V (de asta de mercur), apoi la 10,000K si 1 mmHg ecuația Saha dă X = 0.033, sau plasma este de aproximativ 3% ionizat. La 100,000K, gradul de ionizare este x = 0.997, astfel încât plasma este aproape complet ionizat. Chiar și la 1 atm, gradul de ionizare este încă aproximativ 41% la 105K și 0.1% la 104 K. Un grad relativ mic de ionizare suficientă pentru a menține conductivitatea unei plasmă arc de înaltă presiune.
In plasme calde, oxigen și azot sunt în general disociate: O2 → 2O (5.09 V) și N2 → 2N (7.9 V), și reacția N2 + O2 → 2NO. Are potențialul de ionizare NU destul de redus de 9.5V. Potențialul de ionizare a O2 = 12.2V, O = 13.614V, N = 14.54V, N2 = 15.377V. Chiar și atunci când electroni și ioni densitățile numerice și temperaturile sunt aproximativ egale, electronii încă transporta preponderența curentului din cauza mobilității lor mai mari.
Coloana pozitiv de înaltă presiune se adaptează la un diametru D finit, în funcție de curentul de descărcare de gestiune. Acesta nu va extinde pe termen nelimitat, dacă unconfined. Acesta este un rezultat al unui echilibru delicat între pierderea de căldură și generarea de căldură în regiune conducerea, și nu nimic similar cu un “pinch” efect. În cazul în care coloana se extinde, crește pierderea de căldură și ionizare scade. Curentul, prin urmare, tind să se mute în centrul mai conductiv, și ridică temperatura acolo. Acest feedback menține coloana la un diametru constant. Coloana pozitivă este o regiune cilindric în gazul ambiantă, și să se poată deplasa liber, atâta timp cât acesta nu devine prea lungă și necesită mai mult de tensiune este disponibil. Aceasta este însoțită de convecție activ care transporta căldură acestuia. Coloana pozitivă poate fi suflat despre de curenții de aer, și sa mutat de forțe magnetice. Densitatea scăzută provoacă-l să crească atunci când sunt înconjurate de aer mai rece, care, după cum am menționat, a dat numele de “arc” a fenomenului. Curios, în cazul în care accelerația gravitațională este zero (ca într-o stație spațială, de exemplu) gradientul de tensiune longitudinală devine zero! Motivul este faptul că gravitația conduce convecție, și în lipsa de convecție a coloanei nu se răcească, și deci nu are nevoie de nici o putere, cel puțin într-o bună aproximare. Rețineți că acest lucru înseamnă că întregul arc, inclusiv gazul, este sub gravitație zero. Dacă ne-am lăsa electrozii toamna, aceasta este doar ca aplicarea o explozie de aer.
Potențial Distribuția într-un arc este afișat în stânga. Lățimile de catod și anod picături sunt exagerate pentru claritate. Într-un arc scurt, potențialul este aproape doar suma anozilor și catozilor picături. Din cauza curentului mare, un arc are o mică longitudinală tensiune gradientului EL în coloana pozitivă, în special într-un arc de înaltă presiune. Gradientul depinde de eficiența de răcire a coloanei pozitiv de atmosfera ambiantă, și devine mic, dacă răcirea este lentă. Curent care curge prin catod și anod picături genera cantități mari de căldură foarte aproape de electrozi, care este una dintre caracteristicile arcului.
Un arc poate fi pornit fie printr-o tranziție de la o descărcare luminiscentă sau de prin separarea contactelor deja transportă curent. Dacă vom crește curentul într-o descărcare luminiscentă, intram intr-o regiune în care lățimea toamna catod scade (The “strălucirea anormal”). Acest lucru face ca energia ionilor pentru a crește, iar catodul devine încălzit. În arce cu catozi catod, trecerea treptată este ca catod de emisie crește cu temperatura și scade tensiune de descărcare de gestiune. Cu catozi teren cu emisii, cum ar fi cu mercur, tranziția poate fi brusc, ca un loc de catod este creat la un loc favorabil. Mercurul este inițial în formă lichidă, fie ca un bazin sau ca o picătură, și trebuie să fie ridicat la o temperatură în cazul în care presiunea de vapori de mercur va sprijini descărcarea de gestiune. Pornind de un arc de mercur necesită întotdeauna o acțiune specială, fie un catod separat încălzit sau un electrod de aprindere. Presiunea poate fi, de asemenea, a crescut pentru a începe un arc în cazul în care o descărcare luminiscentă există deja. Majorările actuale de piata a presiunii, astfel încât valoarea critică este atinsă în curând.
Distincția dintre caracteristicile stabile și instabile V-I este prezentată în diagrama din dreapta. La stânga
avem cazul obișnuit curentul crește monoton cu tensiunea, astfel încât panta 1 / R = dI / DV este pozitiv. Să presupunem că sunt în funcțiune la punctul A, cu o anumită tensiune aplicată, și există o creștere bruscă a δI curent (cauzate, de exemplu, de o scânteie). Acum tensiunea cerută de către dispozitivul este mai mare, așa că avem un deficit de tensiune în circuitul care va determina curentul să scadă. În cazul în care curentul a fost brusc mai puțin, atunci am avea un surplus de tensiune, iar curentul va fi condus pentru a crește. În orice caz, ne întoarcem la status quo-ul și circuitul este stabil.
In dreapta, avem o caracteristică ca decât un arc, în cazul în care curentul scade monoton cu tensiunea. Panta 1 / R = dI / DV este acum negativ. Dispozitivul se spune că prezintă R. rezistență negativă Dacă avem o creștere bruscă de curent δI din punctul B, atunci avem mai mult de tensiune la dispoziție pentru a crește curent, încă mai mult, un excedent de tensiune. Cu atât mai mult crește actuale, cu atât mai mult este condus pentru a crește. Circuitul este instabilă, iar unele mijloace externe este necesar pentru a limita curentul. Orice dispozitiv cu o rezistență negativă poate fi utilizată ca un oscilator, și un arc nu este o excepție.
Un oscilator rezistență negativ folosind un arc este afișat în partea stângă. Nu ar trebui să fie confundată cu scânteie-gap circuitele oscilante utilizate în radio, la începutul, care au fost ceva complet diferit. L și C fac un circuit acordat în serie cu arc, iar R este rezistența de L. Arcul este alimentat de la sursa E printr-o inductanță mare Lb că blochează oscilant curentul și menține tensiunea arcului constantă. Curentul arc este reglementată de Rb rezistență. Legea de tensiune Kirchhoff în jurul valorii de bucla, inclusiv arc, L, C și R oferă Li” + (R + de/di)i’ + i/C = 0. În cazul în care curentul de arc este reglată astfel încât de / di = -R, atunci avem Li” + i/C = 0, astfel încât soluția de i este o funcție armonică de frecvență f = 1/2&pi√LC. Deoarece de / di este o funcție a curentului, excursii mari curente vor fi amortizată afară și amplitudinea oscilațiilor se va stabiliza. Tensiunea maximă pe condensator va fi I√ (L / C), în cazul în care I este curentul de arc. Nu știu de orice utilizare practică a acestui oscilator, dar oscilațiile pot apărea pe neașteptate în unele cazuri.

Aplicații ale Arcs

Sudarea este o aplicație importantă de arce. Deși flăcări oxiacetilenică sunt suficient de fierbinte pentru a face suduri de fuziune și sunt foarte utile, sudare cu arc este invocată pentru sudare grele. La sudarea cu arc carbon, arcul este lovit între o tijă de carbon și de muncă, precum și o tijă de umplere este folosit în cazul în care este nevoie de un material suplimentar. Sudare cu gaz inert folosește un electrod de wolfram scăldată într-un gaz inert cum ar fi heliu pentru a evita oxidarea munca, și o tijă de umplere. Argon este, de asemenea, utilizate, dar în o sursă spune că nu este potrivit. Deoarece heliu, și chiar argon, sunt destul de scumpe, de sudare cu CO2 a fost de asemenea testate cu succes. Sudare atomic hidrogen folosește o pereche de electrozi de tungsten între care arcul este lovit. Hidrogenul este insuflat pe arcul, unde disociază. Hidrogenul atomic recombină apoi pe suprafața lucrării, creând temperatura ridicată necesară. Aceste metode sunt utile în cazuri speciale, dar tipul cel mai general al sudare cu arc electric este arcul metalic. Arcul este lovit între o tijă de sudare și de lucru, cu tija de sudare furnizarea de metal de umplere.
Este necesar să se excludă atmosfera oxidantă din metalul topit în orice sudură, iar acest lucru se face prin gazele create de acoperire a tijei de sudare. Această acoperire oferă, de asemenea material care face o zgură care transporta departe impuritățile și este periat de pe suprafata atunci cand este rece. Aliaje speciale din sârme pentru sudură oferi completări necesare pentru calitatea materialului de sudură. Selectarea tijei de sudare propriu-zis este o cerință importantă pentru sudare de succes. Explozia de la catod atunci când tija de sudare se face negativ și DC este utilizat permite sudarea deasupra capului, un mare avantaj de sudare cu arc metalic, deși acesta nu este utilizat, cu excepția când este absolut necesar. Lungimea arcului este scurt, de 4 mm sau mai puțin, acoperirea atinge în general activitatea ca sudurii se face. O tensiune de 21V și curenți de la 40 la 240A sunt tipice. Un generator de curent continuu de sudare consumabile 40-60V pe circuit deschis, dar este puternic negativ agravată pentru a limita curentul la nivelul dorit. Un transformator cu flux mare de scurgere este folosit pentru sudura AC, din același motiv. Când se utilizează DC, lucrarea este în general pozitivă, datorită temperaturii mai mare la anod, dar aceasta depinde de tija de sudare utilizat. Suduri adecvate sunt puternice și de încredere, precum și ușurința și economia de a le-a dus la utilizarea lor generală în loc de îmbinări nituite.

Cooper Hewitt-de joasă-presiune cu arc de mercur este afișat în partea dreaptă. A produs 16 lm / W a spectrului linie de mercur, inclusiv linia de rezonanță UVA la 257.3 nm. Acesta a fost folosit, printre altele, pentru expunerea planuri și imprimări BLUELINE (ca era arcul de carbon). Este interesant pentru ajutorul a două anozi pentru funcționare pe AC, un catod de mercur liber, și un aprinzător capacitate. Presiunea de mercur în funcțiune a fost câteva mmHg, controlată de temperatura bulbului. Curentul de descărcare de gestiune a fost limitată de balast L, și curenții anod egalizate de rezistențe alimentarea R. AC a fost amenajat ca un autotransformator. Capacitatea aprinzătorul constat dintr-un inel în jurul bulbului la nivelul suprafeței de mercur. Atunci când comutatorul a fost închis (acest parametru a fost un comutator de înclinare mercur) DC trecut prin L, astfel încât deschiderea comutatorului produs o lovitură inductiv mare care a fost aplicat la inelul prin capacitate C. Acest aparent creat de emisie de înaltă câmp la mercur menisc interiorul bec, care a început descărcarea de gestiune. Ionizare reziduală a fost suficient pentru a reporni descărcarea de gestiune pe fiecare ciclu de tensiune.

Pornind de o descărcare de gestiune cu un catod de mercur liber înseamnă de instituire a unui loc catod pe suprafața de mercur. Acest lucru ar putea fi realizat cu o piscină mică auxiliar care a fost conectat la anod potențial și apoi înclinat pentru a separa mercurul din catod principal, după care descărcarea ar transfera cu ușurință la anod principal. O altă metodă folosită o tijă rezistivă care nu era ud de scufundare mercur în piscină, numit aprindere rezistive. Un mic anod auxilary, numit un anod-arc holding, au fost furnizate, uneori, pentru a menține la descărcarea de gestiune în picioare când curentul principal anod a fost tăiat, probabil printr-o acțiune de control curent. Capacitatea aprinzătorul eliminat inconvenientul unei conexiuni conductoare la descărcarea de gestiune, simplificarea control.

Spotul catodic face o mica depresiune în suprafața care se misca despre rapid, cu agitare și stropirea de mercur. Mercur este vaporizat la fața locului catod, și condensează pe mai reci părți ale anvelopei, de unde se scurge înapoi în bazin. Această proprietate de auto-reînnoire a catodului piscina cu mercur este un mare avantaj. Cu toate acestea, mercurul nu trebuie să splash pe un anod, în cazul în care acesta oferă pericolul de a crea un catod secundar care poate efectua de tensiunea inversă, provocând o backfire.

Mari redresoare mercur-pool au fost o dată folosite pentru a produce curenți mari DC. Ignitron chiar permis de control fază. Aceste redresoare au fost înlocuite cu redresoare de siliciu, care sunt mult mai ieftin și mai convenabil de a folosi, dar mult mai puțin dramatică.

Lampa cu vapori de sodiu este un alt dispozitiv interesant. A fost necesar să se găsească un pahar care nu ar fi atacat de vapori de sodiu la cald înainte de orice astfel de lampă a fost posibil. Lampa foloseste un comprimate oxid catod separat-încălzit și un anod de molibden în aproximativ 2 mmHg de neon. Descărcarea de gestiune este început în neon, și lampa lăsat să se încălzească până la sodiu metalic vaporizează. Acest lucru necesită până la 10 minute. Sodiu se topește la aproximativ 93 ° C, iar la temperatura de lucru de 220 ° C are o presiune a vaporilor de aproximativ 0.3 μmHg. O incintă în jurul Dewar plicul păstrează căldura în. Aceasta este o presiune mică, dar eficiența radiației dintre liniile de rezonanță sodiu este atât de mare încât cea mai mare parte lumina vine de la sodiu. O lampă scurt, de 8 cm, se bazează pe fenomene catod și nu are nici o coloană pozitivă. Cădere de tensiune sa este de aproximativ 17V, și produce 4000 LM, pentru o eficiență de aproximativ 22 lm / W. O lampă de 16 cm mai lung va primi lumina de la coloana de pozitiv, iar căderea de tensiune va fi de aproximativ 25V. Această lampă va produce 7000 lm, cu o eficiență arc de 72 lm / W, iar un randament global de 52 lm / W, cea mai mare cunoscut. Lumina, cu toate acestea, este monocromatic, în intervalul 560-610 nm, delimitată de liniile D sodiu lărgit. Această lumină galben-portocaliu a fost odată foarte familiarizat ca iluminarea autostrada.

Neonul în lampa, deși nu contribuie la lumina, are o funcție importantă de scădere a electronului înseamnă cale liberă, astfel încât electronii petrec o mulțime de timp în descărcarea de gestiune, și au o probabilitate mare de atomi de sodiu interesante. Catod Căderea a lămpii este de aproximativ 15V, suficient ca bombardament scăzut Ion catodului nu este dăunătoare (acest lucru se întâmplă la 25V și de mai sus). Catod toamna este stabilit de neon, dar energia de rezonanță a sodiu este de numai 2.5V, permițând aproape toate sodiu pentru a fi entuziasmat. Temperatura de electroni în coloana pozitiv este de aproximativ 40,000K. Gradientul de tensiune este mic, deoarece neon poate fi ionizat cumulativ, deoarece are un nivel metastabile și poate economisi energie de excitare între coliziunile succesive cu electroni. Densitatea numărul de sodiu în cm 3, este dată în termeni de temperatura T în K de n log = -5,573.3 / T – 1.6794 log T + 28.7134. Când pereții sunt la 390K, aceasta dă 5 x 1010cm3. La aceste temperaturi, radiația de rezonanță are un coeficient de absorbție de 143 cm-1, deci nu ajunge departe inainte de a fi absorbita si apoi re-radiată. Doar o piele subtire exterior al coloanei pozitive emite lumina care este văzut.

Lămpi cu sodiu de înaltă presiune au fost dezvoltate, în care presiunea mare produce o plasmă foarte fierbinte care radiază în întreaga visble, face o lumina aurie, care este mai acceptabil decât galbenul pur al lămpii de joasă presiune. Ele sunt utilizate pe scară largă ca stradale, oferind o strălucire enervant luminos. Este interesant sa ma uit la aceste lămpi lumina cu un spectroscop. Când au în primul rând sunt conectate, ele arată linii argon sau neon, atunci albastrul o descărcare de gestiune mercur și liniile sale tipice galben, verde și roșu. Liniile de sodiu D apărea în curând, și cresc în luminozitate, și apoi în lățime. În cele din urmă, atunci când lampa este la temperatura de funcționare, există două linii negre pe fondul continuă, ca vapori de sodiu absoarbe aceste frecvențe, care prin contrast arata întuneric. Aceasta este similară cu producerea liniilor negre Fraunhofer din spectrul solar cu absorbție linie de continuum photospheric în cromosfera.

Lampa cu vapori de mercur de înaltă presiune a fost dezvoltat mai devreme de lampa de sodiu de înaltă presiune, deoarece problemele cu construcția acestuia nu au fost la fel de provocatoare. Acesta este umplut cu argon la câteva mmHg, și conține o picătură de mercur mic, probabil 200 mg în greutate, care va furniza presiunea de funcționare într-un tub de 15 cm lungime și 3 cm în diametru. Temperatura peretelui de funcționare este de aproximativ 350 ° C O descărcare luminiscentă la electrodul de pornire aproape de un electrod principal prevede ionizare suficientă pentru o descărcare luminiscentă a începe între principalele electrozi, care ridică temperatura peretelui. Când mercurul este vaporizat, grevele arc, și catozi acoperite cu oxid sunt încălzite de Ion bombardament. Lampa este alimentat printr-un transformator cu fluxului de scăpări, astfel încât acesta se comportă ca un balast, de asemenea. Curentul inductiv este echilibrat de un curent capacitiv pentru a corecta factorul de putere, în cazul în care aceasta este o problemă. Aceste lămpi produc o lumina alb-albastru de la liniile spectrale lărgit de mercur, care, la cele mai inalte presiuni devine practic un continuum.

Lampa fluorescentă este un dispozitiv foarte familiar, care ne oferă exemple de arc de mercur de joasă presiune, și o strălucire de argon de descărcare de gestiune, de asemenea. Tubul, care face parte din 5/8 “la 1,5” în diametru, și 9 “la 48” lung, are un catod comprimate oxid cu încălzitor la fiecare capăt. Linia de rezonanță mercur 253,7 nm este ideal pentru fosforescente interesante, cum ar fi activat cu mangan silicat de zinc. Acest fosfor are un vârf la 253 nm excitație, și re-emite radiația în regiunea 460-600 nm în mijlocul spectrului vizibil. Există multe fosfor a alege de la, și combinații ale acestora sunt utilizate pentru a asigura caracteristicile spectrale dorite. Ele funcționează la curenți destul de mici, 0.15 – 0.42 A, și la tensiuni de 45V pentru o nouă “tub de 108V pentru un 48” tub. Un inductor balast este utilizat pentru a limita curentul. Un rezistor ar lucra la fel de bine pentru a limita curentul, dar inductor disipa mai puțină căldură, deși în detrimentul unui factor de putere slabă. Inductorul, totuși, joacă un rol important în inițierea descărcării.

Deoarece tubul conține o picătură de mercur care trebuie vaporizat înainte de dicharge poate începe, încălzitoarele cu catod sunt conectate în serie pe linia să se încălzească mercurului și furnizează unele ionizare. Atunci când este deschis comutatorul de pornire, inductor dă o lovitură de înaltă tensiune care inițiază arcul, deși acesta poate fi un timp înainte de tubul vine la temperatura de funcționare. Lămpile fluorescente sunt foarte eficiente, o fosfor verde da la fel de mult ca 70 lm / W, deși lămpile cu incandescență sunt mai puțin eficiente. Există puține infraroșu în radiații produse. Liniile de mercur vizibile straluceasca prin fosfor, și poate fi văzut într-un spectroscop. Lumina nu este foarte plăcut, dar oferă o bună iluminare a zonelor mari.

“Comutatorul de strălucire”, un starter automat, a fost inventat de RF Hays în 1940. Ea are o bandă bimetalice în formă de U, care se închide circuitul prin încălzire lampa atunci când este cald, dar contactele sunt normal deschise. Există un alt electrod în plic, astfel încât o descărcare luminiscentă poate avea loc atunci când se aplică tensiunea. Tensiunea normală de alimentare este suficient pentru a începe descărcarea, care este în regiunea anormal strălucire de a furniza o sumă bună de căldură la un capăt al benzii bimetalice. Banda închide contactele și pantaloni scurți din descărcarea de gestiune strălucire, și încălzitoarele tub sunt plini de energie. Este amenajat ca banda bimetalic continuă să se încălzească un timp scurt după descărcarea de gestiune încetează, astfel încât circuitul nu redeschide imediat. Când banda bimetalic răcește contactele deschise, provocând șocul inductiv care pornește descărcarea principală, precum și descărcarea luminiscentă în starter. Cu toate acestea, tensiunea pe descărcarea de gestiune principal este suficient pentru a menține strălucirea descărcarea de gestiune, astfel încât descărcarea de gestiune strălucire iese înainte de a putea încălzi din nou banda bimetalic. Dacă lampa principal nu se aprinde, ciclul se repetă până când se face. Aceste startere sunt folosite practic universal, și pot fi incluse ca parte a lămpii.

Arce sunt, de asemenea, implicate în comutare de putere. Ordinare furnizarea sali AC este una dintre cele mai simple circuite pentru a comuta. O alimentare DC, chiar de aceeași tensiune, este mult mai dificil să-și întrerupă. Un comutator care se pot ocupa 10A AC va face bine să se ocupe de 1A DC la aceeași tensiune. Circuite de transmisie de înaltă tensiune sunt foarte dificil de a comuta, chiar și cu AC, și o cantitate mare de tehnologie a fost dezvoltat pentru a satisface problemele. Când un circuit care transportă curent este întreruptă, un arc face întotdeauna la contactele de comutare, și arcul trebuie să fie prelungit până când tensiunea nu va sprijini. Inductanță în circuitul întotdeauna face trecerea mult mai dificil. Care trebuie să fie luate nu pentru a pune capăt curent brusc și pot provoca o lovitură inductiv excesiv, în timp ce inductanța extinde persistența fluxului de curent. Curent alternativ are marele avantaj că actuala este zero de două ori în fiecare ciclu, și avantajul pot fi luate de acest lucru pentru a rupe circuitul. DC de câteva mii de volți este foarte dificil de a întrerupe, deoarece tensiunea poate suporta un arc lung, care trebuie să se stingă în moduri creative. Deschiderea unui comutator cuțit simplu ar rezulta doar într-un arc continuu în acest caz.

Arcul se poate extinde prin alpinism coarne arc condus de flotabilitate și convecție a aerului în jurul ei, sau curentul poate fi folosit pentru a crea un câmp magnetic cu același efect, numit explozie magnetic. Arcul poate fi condus într-un jgheab arc care prelungește calea sa, de o explozie de aer. În cele mai dificile cazuri, contactele deschide într-o baie de ulei. Acest lucru creează un nor de vapori sub presiune înaltă care pot fi utilizate pentru a stinge arcul, și, ocazional, o explozie urât. O mare parte din ingeniozitate a intrat în distribuție de înaltă tensiune pentru a face tensiuni de transmisie de înaltă economice practic. Cu toate acestea, o presupune o linie de transmisie de înaltă tensiune DC nu poate fi pornit deloc, iar aprovizionarea trebuie să fie eliminate în schimb, sau pur și simplu trebuie să fie scurtcircuitat.

Lightning oferă alte probleme. Aici, tensiunile se poate ridica la mai multe milioane de volți în câteva microsecunde, cu curenți de mii de amperi. De protecție la trăsnet trebuie să permită o descărcare de gestiune care ocolește echipamente care ar fi afectate de accident vascular cerebral. Aici vorbim despre fulgere reale, nu doar tulburări din cauza fulgerelor din apropiere, care afectează firele de telefon și astfel. Protecția că rutele un accident vascular cerebral în jurul un izolator poate părăsi ionizare, care facilitează un arc peste izolatorul de la tensiunea normală de linie, deteriorarea izolator, astfel încât echipamentul de protecție trebuie să lucreze rapid pentru a scoate de sub tensiune linia atunci când un accident vascular cerebral fulgere este detectat. Când luminile pâlpâie scurt, motivul obișnuit este că un fulger a provocat circuitele de protecție să se deconecteze și reconecta automat linia. Acesta este doar un eșantion de multe probleme care apar în acest domeniu.

Chiar tensiuni la nivelul 1.5V poate provoca o “scânteie” atunci când contactele deschise. Aceasta nu este o scânteie adevărată, dar efectul temperaturilor ridicate produse la ultimul punct de pe contactele pentru a deschide, atunci când curentul este limitat la o zonă mică. Acesta nu este un pericol de comutare, dar se degradează de contact. Un condensator poate fi utilizată pentru a menține tensiunea peste deschiderea contactelor mic, dar un rezistor este necesară în serie cu ea. În caz contrar, atunci când circuitul este închis, tensiunea pe condensator încărcat ar fi evacuate prin rezistența redusă a contactelor, care le-ar putea uni. Această combinație se numește un snubber, și-l face de joasă tensiune DC de comutare un pic mai bine.

Siguranțe sunt un excelent protecție la supracurent. Ele constau dintr-o sârmă sau echivalent care se topește la un curent care este mai mare decât curentul de lucru de un factor mic, spune 1.5. Când firul se topește, un arc se formează atunci trebuie stinse, deseori fiind închis într-un material care se vaporizează și suflă arcului, sau absoarbe energia arcului. Curentul care se topește un fir poate fi estimată prin formula Preece lui, I = Ad3/2, în cazul în care I este în amperi și d este în inci. Pentru cupru, A = 10,224, pentru aluminiu, A = 7585, pentru a duce o = 1,379, iar pentru argint germană, A = 5230. Un fir de cupru A # 30 sigurante la un curent de aproximativ 10A.

Referințe

Mai bibilographies complet va fi găsite în referințele.

JD Cobine, gazos Conductori (New York: Dover, 1958). (J. D. Cobine, Gaseous Conductors (New York: Dover, 1958)

J. Millman și S. Seely, Electronice (New York: McGraw-Hill, 1951). Capitolele 9, 10 și 11. (J. Millman and S. Seely, Electronics (New York: McGraw-Hill, 1951). Chapters 9, 10 and 11.)

G. Herzberg, Atomic Spectra și structurii atomice (New York: Dover, 1944). (G. Herzberg, Atomic Spectra and Atomic Structure (New York: Dover, 1944).)


Compusă de J. B. Calvert
Creat 3 noiembrie 2002
Revizuită ultima dată 29-07-2009

Comments are closed.