Раздел II. Установки дугового нагрева
Глава 5. Основы теории и свойства дугового разряда
5.1. Ионизация газов. Понятие плазмы
Плазмой принято называть вещество, находящееся в четвертом состоянии, характеризующееся наличием нейтральных молекул и атомов, а также заряженных частиц – электронов и ионов, проводящее электрический ток и подчиняющееся законам магнитной газодинамики. В обычных условиях различные газы и их смеси (воздух, аргон, водород, гелий, углекислый газ и др.) не проводят электрический ток. Проводимость возникает тогда, когда в газовой среде помимо молекул и атомов появляются свободные заряженные частицы – электроны, положительные и отрицательные ионы и газ превращается в плазму. Для молекулярных газов первым процессом является диссоциация – образование атомов. Возникновение в газе заряженных частиц – ионизация газа – может происходить в результате его нагрева, поглощения энергии рентгеновского или ультрафиолетового излучения, космических лучей, лучей оптического квантового генератора (лазера), действия электрического поля и др.
Образование ионов
требует затраты энергии извне на
преодоление кулоновских сил притяжения
между электроном и положительным ионом,
называемой энергией (работой) ионизации
,
которую определяют как произведение
заряда электрона на потенциал ионизации
:
.
Потенциал ионизации атома равен разности
потенциалов, которую должен пройти
электрон, чтобы приобрести кинетическую
энергию, достаточную для ионизации
атома при соударении с ними. Численно
величины
и
равны, если
выражать в электрон-вольтах.
Работа ионизации определяет химическую активность элемента, поскольку при ионизации отрываются валентные электроны: =3,9 26 эВ и составляет: для цезия – 3,9, калия – 4,3, циркония – 6,8, железа – 7,9, водорода – 13,6, азота – 12,4, гелия – 24,6 эВ. После отрыва наиболее слабо связанного электрона от атома могут отрываться электроны, связанные сильнее. При этом образуются многократно ионизованные ионы.
Уравнение сил,
действующих на частицу с массой
и единичным зарядом
,
имеет вид:
,
(5.1)
где Е
– напряженность электрического поля,
В/м;
– масса частицы, г; v
– скорость частицы, м/с: а
– ускорение, м/с2.
При начальной
скорости, равной нулю, скорость в момент
.
Пройденный путь за время
:
.
(5.2)
Подставляя в
уравнение (5.2) значение
,
где U
– разность потенциалов на пути
,
получим скорость электрона:
(5.3)
где
– масса электрона;
=1822
– атомная единица массы.
Фотоионизация
– ионизация
атомов излучением возможна лишь в том
случае, если энергия фотона
превышает работу ионизации
:
,
здесь
– частота излучения,
;
– постоянная Планка; с
– скорость света, м/с;
– длина световой волны, м.
Так все виды ионизации: тепловое движение частиц, электрическое поле, световое излучение – повышают скорость взаимного перемещения частиц, то и наложение высокочастотного напряжения приводит к ионизации пространства.
Одновременно с процессом ионизации происходит деионизация – рекомбинация положительных и отрицательных частиц и диффузия их за пределы ионизированного объема газа.
Процесс деионизации зависит от давления и температуры и в некоторой степени определяется коэффициентом рекомбинации:
.
Таким образом, при повышении давления и понижении температуры плазма быстро деионизируется и теряет электропроводность, превращаясь в нейтральный газ. Процесс деионизации ускоряется диффузией заряженных частиц из нагретых плазменных объемов. Коэффициент диффузии
,
где
– средняя скорость заряженных частиц,
м/с;
– длина свободного пробега, м.
Обычно количество существующих зарядов разного знака вследствие процессов ионизации и рекомбинации в объеме плазмы примерно одинаково и суммарный заряд плазмы равен нулю. Такую плазму называют квазинейтральной, т. е. почти нейтральной.
Существуют понятия равновесной и неравновесной плазмы. Плазму называют равновесной в том случае, если температуры ее компонентов - молекул, атомов, ионов и электронов – одинаковы. Такую плазму называют также изотермической. Неравновесной или неизотермической называют плазму, у которой температуры компонентов различны.