4 Вида самостоятельного разряда:
Тлеющий разряд возникает при низких давлениях. Применяется: в газосветных лампах, лампах дневного света, для катодного напыления металлов. Катод, сильно нагреваясь, за счет попадания положительных ионов, переходит в парообразное состояние. Помещая вблизи катода различные предметы, их покрывают равномерным слоем металла.
Искровой разряд возникает при больших напряженностях электрического поля ~ 3*106 В/м в газе и давлении ~ атмосферному.
Используется: в двигателях внутреннего сгорания для воспламенения горючей смеси, искровых разрядников, для электроискровой точной обработки металлов (резанья, сверления), в спектральном анализе для регистрации заряженных частиц.
Дуговой разряд. Применяется: для сварки и резки металлов, получения высококачественных сталей, освещения, в выпрямителях.
Коронный разряд возникает вблизи острия при Е=30кВ/см, появляется свечение, имеющее вид короны.
Различают отрицательную и положительную короны, создают радиопомехи.
Применяют: в электрофильтрах для очистки промышленных газов от примесей, для нанесения порошковых и лакокрасочных покрытий.
Закон Пашека. Пробивное напряжение воздуха и других газов в электрическом поле является функцией произведения давления газа на расстояние между электродами:
Uпр=f (ph)
1 – воздух; 2 – азот; 3 – неон; 4 – элегаз
Рисунок 2.7 – Кривые Пашика для газов
С увеличением давления электрическая прочность газов увеличивается. При больших давлениях длина свободного пробега электронов мала, так как повышается концентрация молекул газа. Вследствие этого кинетическая энергия электронов недостаточна для ионизации молекул.
Возрастание электронной прочности ниже атмосферного, объясняется уменьшением числа молекул газа в единице объема и энергии электрона не хватает для ионизации.
Плазма и ее свойства. Плазмой называется сильно ионизированный газ, в котором концентрация положительных и отрицательных зарядов практически одинакова.
Плазму различают:
- высокотемпературную – возникает при высоких температурах;
- газоразрядную – возникающую в газе.
Свойства плазмы:
-высокой степенью ионизацией;
-большой электропроводностью и в основном ток создается электронами (наиболее подвижными частицами);
-свечением;
-сильным взаимодействием с электрическим и магнитным полями;
-колебаниями электронов в плазме с частотой ~ 108Гц, вызывающими общее вибрационное состояние плазмы.
Эти свойства позволяют считать плазму как четвертое состояние вещества.
Применение. Низкотемпературная (<105К) применяется в газовых лазерах, термоэлектронных преобразователях и магнитогидродинамических генераторах (тепло в эл. энергии), в плазменных ракетных двигателях, для резки и сварки металла.
3.7 Электролюминесценция, катодолюминесценция
Электролюминесценция – это излучения света под действием электрического поля или протекающего тока. При воздействии электрического поля на полупроводник (называемый люминофором) возникает ударная ионизация атомов электронами, за счет электрического поля, а также эмиссия электронов из центра захвата. Вследствие этого концентрация свободных носителей превысит равновесную и полупроводник окажется в возбужденном состоянии, т.е. в состоянии при котором его внутренняя энергия превышает равновесную при данной температуре.
Устройство электролюминесцентного излучателя (конденсатора): на металлическое основание напыляется тонкий слой (до 20 мкм) полупроводника (сульфида цинка), поверх него наносится тончайший, прозрачный для видимого света, слой металла. При подключении к металлическим слоям источника (постоянного или переменного) возникает зеленовато-голубое свечение, яркость которого пропорциональна значению U источника. Если в состав люминофора входит селенид цинка, то можно получить белое, желтое или оранжевое свечение.
Недостатки:
низкое быстродействие;
нестабильный параметр;
невысокая яркость свечения;
малый ресурс.
Электролюминесценция наблюдается и в полупроводниковых диодах, при протекании через диод тока, при прямом включении. При этом электроны переходят из n-области в p-область и там рекомбинируют с дырками. В зависимости от ширины запрещенной зоны фотоны имеют частоты в видимой или невидимой человеком части светового спектра, сделанных из кремния, излучают невидимый инфракрасный свет.
Для светодиодов используется материалы с шириной запрещенной зоны от 1,6 эВ до 3,1 эВ (это красный и фиолетовый цвет), а поэтому широко используется для создания цифровых индикаторов, оптронов, лазеров.
Преимущество:
технологичность;
высокое быстродействие;
большой срок службы;
надежность;
микро миниатюрность;
высокая монохроматичность излучения.
По конструкции светодиоды различают: инжекционные, полупроводниковые лазеры, суперлюминесцентные (занимающие промежуточные значения и применяют в ВОЛС), с управляемым цветом свечения.
ЗСИ – знакосинтезирующие индикаторы, – в которых изображение получают с помощью мозаики на независимо управляемых преобразователях «электрический сигнал-свет».
В ЗСИ используется свечение, возникающее в люминофорах помещенных в сильное электрическое поле. Конструктивно они представляют собой группу конденсаторов, у которых одна из обкладок выполнена прозрачной, а другая не прозрачной.
При подключении источника к обкладкам люминофор начинает светиться.
Если прозрачный электрод сделать той или иной формы, то зона свечения повторит форму. Цвет сечения зависит от состава люминофора. Используются в дисплеях.
Яркость свечения зависит от значения U и частоты: U=160-250В, f=300-4000Гц.
Потребляемая мощность сотые-десятые доли ватт, яркость 20-65кд/м2.
Катодолюминесценция. При удалении из колбы газа (при давлении ≈ 1,3 Па) свечение газа ослабевают и начинают светиться стенки колбы. Почему? Электроны, выбиваемые из катода положительными ионами, при таком разряжении редко сталкиваются с молекулами газа и поэтому, ускоренные полем, ударяясь о стекло, вызывает его свечение, так называемую катодолюминесценцию, а поток электронов, получил название катодных лучей.
Низковольтная вакуумная люминесценция. По механизму действия не отличается то высоковольтной и носит рекомендательный характер.
Сущность – люминофор бомбардируется электронами, которые возбуждают люминофор и приводят к нарушению термодинамического равновесия. Появляются электроны, энергия которых больше энергии для зоны проводимости, и дырки, имеющие энергию, меньшую потолка валентной зоны. В связи с неустойчивостью неравновесного состояния начинается процесс рекомбинации с излучением фотонов катодами, что сопровождается излучением.
Если рекомбинация будет осуществляться через ловушку, то через некоторое время носители могут вернуться на свои места, что увеличивает послесвечение.
Низковольтная люминесценция характеризуется:
типом люминофора;
глубиной проникновения в кристалле бомбардирующих электронов;
используется низковольтное напряжение (единицы-десятки вольт);
используются в вакуумных ЗСИ;
напряжение накала = 5В;
Uа = (20-70)В;
Ток анода сегмент (1-3)мА.
Преимущества вакуумных ЗСИ:
высокая яркость свечения;
многоцветность;
минимум потребления энергии;
большое быстродействие.
Недостатки: необходимо иметь три источника питания, хрупкость конструкции.