Условия возникновения неравновесного состояния

В электрических разрядах под влиянием внешнего электрического поля может возникать неравновесное состояние. Возникновение неравновесного состояния в электрических разрядах используется в квантовых генераторах, термоэмиссионных и МГД-генераторах, а также в целом ряде других практически важных случаях. Ниже рассмотрим условия возникновения неравновесного состояния.

Свободные заряженные частицы во внешнем электрическом поле напряженностью Е_э на длине свободного пробега l_c приобретают дополнительную кинетическую энергию, равную

где е - заряд электрона.

Приобретенную во внешнем поле энергию заряженная частица (электрон) растрачивает при упругих и неупругих столкновениях с другими частицами ок-

ружающей среды. При одном столкновении средняя доля потерь составляет

Здесь первый член учитывает потери энергии при упругих столкновениях электрона массой т_е с другой частицей массой М. Второй член в (14.35) учитывает неупругие столкновения. В числителе сумма берется по всем возможным энергетическим затратам ∆E_i, которые имеют место при столкновении электрона с атомами n_a i -ro сорта, обладающими сечением σ_i(v); с учетом времени между отдельными актами столкновения τ. Знаменателем второго члена выражения (14.35) является средняя энергия электронного газа. В равновесных условиях среднее значение энергии без учета внешних воздействий равно k_БT.

Нарушение равновесия произойдет тогда, когда общая энергия частицы с учетом потерь будет соизмерима или больше средней энергии электрона, т.е.

Если наложенное внешнее поле слабое, то источниками подвода (или отвода) энергии к замкнутой системе можно пренебречь. Тогда

Упругие столкновения будут удовлетворять неравенству (14.37) только в том случае, когда сталкиваются примерно равные частицы. При упругих столк-

новениях электронов с атомами и молекулами в замкнутой системе отклонения от равновесия не произойдет, так как доля потерь незначительная. В этих условиях имеем

Следовательно, только неупругие столкновения ответственны за вывод замкнутой системы из равновесия. Это могут быть следующие случаи:

1) остывание газа при протекании эндотермических реакций;

2) разогрев газа за счет выделения энергии, запасенной внутри газа, и осуществление экзотермических реакций. Примером второго случая является первоначальное увеличение температуры плазмы искрового разряда при резком его выключении, когда рекомбинационные процессы являются определяющими и приводят к дополнительному разогреву плазмы.

Во внешних сильных электрических полях энергия W_е, приобретаемая частицей в электрическом поле, может значительно превышать среднее зна чение энергии Тогда неравенство (14.38) приобретает вид

Когда неупругими столкновениями можно пренебречь (условия катодного темного пространства в тлеющем разряде), неравенство (14.39) запишется так:

Для тлеющего разряда в азоте при давлении 0,1 Торр и температуре газа 300 К неравенство (14.40) выполняется при напряженности электрического поля примерно 3 кВ/см и более. Такие величины возникают в приэлектродных областях электрических разрядов.

В положительном столбе электрических разрядов потери энергии на упругие столкновения незначительны. Тогда неравенство (14.39) преобразуется к виду:

Для положительного столба тлеющего разряда при 0,1 Торр в азоте неравенство (14.41) не нарушается при Е_э ~ 1 кВ/см и выше. Величину напряженности электрического поля 1 кВ/см в положительном столбе осуществить затруднительно, поэтому в условиях положительного столба электронный и атомный газы должны находиться в равновесии. Такая ситуация реализуется в дуговых и искровых разрядах. В тлеющем разряде неравенство (14.41) легко выполнить для быстрых электронов, которые находятся в хвосте максвелловского распределения, в силу того, что они обладают большими длинами свободного пробега и более эффективно возбуждают частицы окружающего газа, вызывая ионизацию. В условиях динамического равновесия возможно получать двугорбые распределения электронов по энергиям. Двугорбые распределения действительно наблюдались в тлеющем разряде. Это позволило тлеющий разряд применить в качестве источника возбуждения в непрерывных квантовых генераторах больших мощностей на газе СО₂.

Вопросы для повторения

1. Когда и при каких условиях в газах возможно протекание электрического тока?

2. Дайте определение несамостоятельному и самостоятельному электрическому разряду.

3. Какие существуют виды ионизации? Дайте им краткую характеристику.

4. Опишите количественно процесс автоионизации.

5. Что устанавливает формула Саха?

6. В чем заключается процесс рекомбинации?

7. Опишите процесс рекомбинации при двойных и тройных столкновениях.

8. Запишите условие стационарности по электрическому заряду в случае несамостоятельного разряда и исследуйте его в различных предположениях.

9. Как формулируется закон Пашена?

10. Выведите формулу для электрического тока при лавинообразном разряде.

11. Каковы характерные особенности тлеющего разряда?

12. Чем отличается коронный разряд от тлеющего, и где он используется?

13. Что представляет собой дуговой разряд?

14. Какое техническое применение нашел дуговой разряд?

15. Укажите основные черты искрового разряда.

16. Где используется искровой разряд?

17. Почему возникает неравновесное состояние в электрических разрядах?

Поиск по сайту: