Электротехнический интернет-журнал Electrik.info

"Электрик Инфо" - онлайн журнал про электричество. Теория и практика. Обучающие статьи, примеры, технические решения, схемы, обзоры интересных электротехнических новинок. Уроки, книги, видео. Профессиональное обучение и развитие. Сайт для электриков и домашних мастеров, а также для всех, кто интересуется электротехникой, электроникой и автоматикой.

 

Электрик Инфо » Избранные статьи » Начинающим электрикам » Электронная эмиссия, ионизация воздуха и электрическая искра
Количество просмотров: 1683
Комментарии к статье: 0


Электронная эмиссия, ионизация воздуха и электрическая искра


 
 

Автоэлектронная эмиссия в вакууме

Известно, что в металлах существуют электроны проводимости. И хотя они непрерывно участвуют в тепловом движении, тем не менее постоянно удерживаются внутри металла благодаря действию сил, направленных от поверхности металла — внутрь него, и не дающих электронам произвольно покинуть данный металл. Эти силы — силы притяжения, действующие на электроны со стороны положительно заряженных ионов кристаллической решетки металла.

В результате вблизи поверхности внутри металла имеется электрическое поле E, обуславливающее разность потенциалов φ на переходе из пространства снаружи металла — внутрь него. То есть потенциальная энергия электрона, чтобы он смог проникнуть снаружи вовнутрь металла, должна уменьшиться на величину eφ.

Энергетическая диаграмма

Рассмотрим энергетическую диаграмму. Здесь изображены: W0 — энергия покоящегося электрона вне металла; Ec – минимальная энергия электрона проводимости.

Налицо потенциальная яма, глубина которой как раз и равна eφ = W0 – Ec. Данная величина называется электронным сродством и характеризует конкретное вещество. Соответственно, если некий электрон внутри металла обладает энергией W1, которая меньше W0, то у такого электрона просто не хватит энергии чтобы покинуть металл.

Но электронам внутри металла можно каким-нибудь способом сообщить дополнительную кинетическую энергию, так что часть электронов сможет покинуть металл, и мы будем наблюдать явление электронной эмиссии, то есть испускание электронов с поверхности данного металла.

Одним из частных случаев электронной эмиссии является автоэлектронная эмиссия — испускание электронов поверхностью металла под действием достаточно сильного электрического поля.

Вакуумированная трубка с электродами

Рассмотрим для примера вакуумированную трубку, внутри которой с двух ее сторон впаяны два электрода, один из которых (а именно — катод) имеет заостренную форму, а другой — отличается сравнительно большой площадью поверхности.

Катод, как следует из его названия, подключается к отрицательному полюсу источника напряжения, а анод — к положительному. В этой ситуации линии напряженности электрического поля E возле катода окажутся сгущены сильнее по сравнению с пространством возле анода.

Разберем ситуацию более подробно. Допустим, у нас есть анод в форме сферы радиуса b, а катод представляет собой маленький шарик радиуса a, причем b>>a, при этом катод установлен точно в центре сферы. В этом случае в точке на расстоянии r от центра сферы напряженность электрического поля будет равна:

Напряженность электрического поля

А если принять r = a, то найдем напряженность поля E у самой поверхности катода. Она будет приблизительно равна:

Напряженность поля у поверхности электрода

Значит уже при напряжении между катодом и анодом в 1000 вольт и радиусе катода в 0,01 мм, напряженность электрического поля на его поверхности будет равна 100 МВ/м! В таких условиях в вакуумированной трубке возникнет слабый электрический ток (измеряемый микроамперами), поскольку электроны начнут покидать острие катода и станут носителями данного тока. И чем выше мы поднимем напряжение между катодом и анодом — тем большим окажется этот ток.

Катод при этом может быть холодным, поэтому данный вид эмиссии называют холодной эмиссией или автоэлектронной эмиссией. Если напряжение продолжить повышать дальше, то катод начнет разогреваться вплоть до испарения металла и возникновения газового разряда в данной трубке.

Нетрудно понять, что автоэлектронная эмиссия возникает просто в силу того, что сильное электрическое поле возле катода изменяет потенциальный барьер на поверхности металла — высота барьера уменьшается, поэтому и необходимая работа выхода для электронов становится меньше. Барьер к тому же становится тоньше, а это значит, что в целом повышается вероятность того, что электрон проникнет сквозь него и покинет таки поверхность металла.

При высокой напряженности электрического поля у катода автоэлектронная эмиссия способна проявить себя даже при достаточно низкой его температуре, в этих условиях вовсе не обязательно подогревать катод или освещать его ультрафиолетом или рентгеновскими лучами, чтобы добиться эмиссии. Напомним, что здесь мы рассмотрели процессе эмиссии в вакууме.

Автоэлектронная эмиссия, ионизация, искра

Самостоятельный разряд в газе на примере воздуха

В своем обычном состоянии газы электрический ток не проводят. Но если подвергнуть газ определенному внешнему воздействию, его можно сделать электропроводным.

Например в атмосферном воздухе под действием ультрафиолетовых лучей появляются заряженные частицы. Это происходит потому, что от атомов газа отщепляются электроны, и вместо нейтральных атомов в воздухе будут присутствовать также положительные ионы и электроны. Часть электронов будет вскоре захвачена нейтральными атомами, тогда в данном объеме появятся еще и отрицательные ионы.

Для ионов газа справедливо утверждение, что скорость упорядоченного движения ионов пропорциональна напряженности электрического поля E, в котором они находятся, а также подвижности ионов b:

Самостоятельный разряд в газе на примере воздуха

Подвижность ионов определяется как средняя скорость, которую приобретают ионы газа в электрическом поле напряженностью равной 1 В/м. Причем подвижности отрицательных и положительных ионов различны:

Подвижность ионов

Приведенное выше утверждение справедливо тогда, когда число соударений достаточно велико, и средняя длина свободного пути ионов газа значительно меньше чем расстояние между катодом и анодом. В обычных условиях это положение выполняется практически всегда, поскольку давления в газе около десятых мм рт.ст уже достаточно, иначе можно было бы считать что процесс происходит в вакууме. В результате подвижность ионов обратно пропорциональна давлению в газе в широком интервале давлений.

Стоит отметить, что характер движения ионов в газах сильно сложнее чем характер движения электронов в металлах. Дело в том, что ионы в газе зачастую распределены неравномерно между электродами, поэтому имеется определенный градиент концентрации ионов между электронами, вызывающий поток диффузии ионов.

Поскольку токи положительных и отрицательных ионов не равны друг другу, в газе формируются объемные заряды, усложняющие картину распределения напряженности электрического поля между электродами. Кроме того носители заряда здесь могут возникать также по причине ударной ионизации электронами, и концентрация ионов может поэтому зависеть от напряженности электрического поля. Все это ведет к тому, что в газе закон Ома обычно не выполняется.

Возникновение самостоятельного разряда по принципу лавины

В условиях ионизации в газе возможно возникновение самостоятельного разряда по принципу лавины. Допустим, из катода вылетел электрон. На длине свободного пробега он движется ускоренно под действием электрического поля, и приобретает кинетическую энергию.

Если данная энергия больше или равна энергии ионизации атомов газа, то при столкновении с атомом, атом будет ионизирован, он станет положительным ионом, в результате уже имеются движущийся положительный ион и новый электрон. Электроны станут двигаться к аноду, а положительные ионы — к катоду.

После соударений электроны будут набирать энергию, и при следующих соударениях появятся четыре электрона. Затем восемь, потом шестнадцать и т. д. Так образуется лавина электронов по мере их движения к аноду (и соответствующее число положительных ионов, движущихся к катоду).

Число пар ионов и электронов, образовавшихся на единице пути от одного электрона называется коэффициентом объемной ионизации α. А поскольку энергия электронов тем больше, чем больше напряженность электрического поля Е, то и коэффициент объемной ионизации α зависит от напряженности Е.

Коэффициент α также пропорционален давлению в газе. Чтобы разряд при этом стал самостоятельным, необходимо, чтобы электронная лавина поддерживалась процессом поставки новых электронов взамен тех, которые уходят на анод.

Одним из таких процессов может выступать вторичная электронная эмиссия, при которой некоторые особо быстрые положительные ионы выбивают из катода некоторое число электронов.

В определенных гипотетических условиях (при определенной напряженности), оба процесса в совокупности приведут к возникновению самостоятельного разряда.

Но в реальности бесконечного возрастания лавин электронов не возникнет, так как цепь разряда имеет сопротивление, при значительном возрастании тока напряжение на промежутке уменьшится, а значит уменьшится и электрическое поле. Поэтому значение тока конечно, и зависит как от ЭДС источника, так и от сопротивления цепи.

Электрический разряд в воздухе

Искра в воздухе

Вернемся к атмосферному воздуху. Будем постепенно наращивать напряжение между катодом и анодом, имеющими форму больших шаров. Электрическое поле между ними будет почти однородным.

В определенный момент, в процессе увеличения напряженности электрического поля, между шарами возникнет электрическая искра — тонкий изогнутый светящийся канал, соединяющий электроды.

Это произойдет в момент, когда электрическая напряженность Е достигнет определенного критического значения Eк. Для воздуха в нормальных условиях это 3 МВ/м. При действии на воздух внешнего ионизатора напряжение пробоя, конечно уменьшится.

Искры в воздухе

Казалось бы, процесс образования искры можно было бы объяснить электронной лавиной, по приведенной выше схеме. Но нет! Если бы существенную роль в искре играла только ударная ионизация электронами, то время развития искры составляло бы порядка 10 — 100 мкс, но практически оно составляет не более 100 нс — в сотни раз меньше!

Процесс образования искры

На самом деле процесс образования искры хорошо объясняет стримерная теория. Согласно стримерной теории, в первый момент появляется скопление ионизированных частиц, имеющих слабое свечение. Эти частицы пронизывают промежуток между катодом и анодом, образуя многочисленные проводящие каналы, по которым устремляются более мощные потоки электронов. Здесь участвуют не только электронные лавины ударной ионизации, но и фактор ионизации газа излучением самого искрового разряда.

Так, кроме первой электронной лавины, возникающей непосредственно возле катода, в точках расположенных далеко впереди «головы» первоначальной лавины зарождаются новые лавины, являющиеся следствием появления затравочных электронов в результате фотоионизации от излучения предыдущей лавины.

Отдельные лавины достигая друг друга сливаются и формируют канал стримера высокой проводимости. Поэтому общий путь стримера «искры» в несколько раз превышает путь проходимый самой первой лавиной. Параллельно стримерам распространяющимся от катода к аноду (отрицательным стримерам), существуют и положительные стримеры, движущиеся от анода к катоду.

Другие полезные статьи:

  • Коронные разряды или огни святого Эльма
  • Как вода проводит электричество
  • Химические источники тока: основные характеристики
  • Практическое применение электролиза
  • Что такое электрический ток






  • Поделитесь этой статьей с друзьями:

    Категория: Избранные статьи » Начинающим электрикам

    Добавление комментария
    Имя:*
    Комментарий:
    Введите код: *

    Популярные статьи:

    Вступайте в наши группы в социальных сетях:

    ВКонтакте | Facebook | Одноклассники

     




    Сайт электрика

    » Главная
    » Начинающим электрикам
    » Электричество в доме
    » Все про автоматы и УЗО
    » Розетки и выключатели
    » Проведение электромонтажных работ
    » Подключение электрооборудования
    » Электрические приборы
    » Освещение дома 
    » Экономия энергии
    » Устройства автоматики
    » Электродвигатели и их применение
    » Секреты электрика
    » Спорные вопросы
    » Делимся опытом
    » Ремонт бытовой техники
    » Автономное электроснабжение
    » Практическая электроника
    » Схемы на микроконтроллерах
    » Автоэлектрика 
    » Электрообзоры 
    » Технические новинки
    » Интересные факты
    » Техника безопасности
    » Электросхемы
    » Программируемые контроллеры
    » Промышленное оборудование
    » Книги и курсы
    » Про электриков
    » Журнал Я электрик 2.0
    » Последние комментарии

    » О сайте и авторах статей

    Новые статьи

    Электрика дома  | Электрообзоры  | Энергосбережение
    Секреты электрика | Источники света | Делимся опытом
    Домашняя автоматика | Электрика для начинающих
    Практическая электроника | Электротехнические новинки

    Copyright © 2009-2020 Электрик Инфо - Electrik.info, Андрей Повный (информация о сайте и авторах статей)
    Вся информация на сайте предоставлена в ознакомительных и познавательных целях.
    За применение этой информации администрация сайта ответственности не несет.
    Перепечатка материалов сайта запрещена.