Трансформаторные подстанции высочайшего качества

с нами приходит энергия

Газовая плазма

Газовой плазмой называется сильно ионизированная газовая среда, характеризующаяся почти полным равенством концентраций положительно и отрицательно заряженных частиц. Обычно в плазме беспорядочное движение частиц преобладает над их направленным движением под действием электрического поля или в результате диффузии.
В состоянии плазмы газ находится в столбе и фарадеевой темной области тлеющего (см. раздел) и дугового (см. раздел) разрядов, высокочастотном разряде, канале иск-рового разряда, в стволе молнии.
Плазма характеризуется следующими параметрами:
— концентрации электронов и ионов; — температуры электронного, ионного и нейтрального газов (атомов или молекул); — плотности беспорядочных электронного и ионного токов; — плотности направленных электронного и ионного токов; — продольная напряженность электрического поля.
Для средних давлений газа связь между этими параметрами устанавливается с помощью диффузионной теории.
Температура электронного газа
Те может быть найдена из выражения

где — потенциал ионизации газа; — давление газа, Па, приведенное к 273 К;
R — радиус разрядной трубки;
-константа для данного газа; — средняя длина свободного пробега электронов при 1 Па; — подвижность ионов.
Значения коэффициентов
а и s для некоторых газов приведены в табл. 3-19.
Приведенное выше выражение показывает, что
Te зависит от рода газа (коэффициент s) и, произведения давления на радиус разрядной трубки.
На рис. 3-28 приведен универсальный график зависимости температуры электронного газа от произведения
.

Таблица 3-19 Значения коэффициентов а и s для некоторых газов

Коэффициенты

Ne

Ar

Hg

 

Универсальная зависимость температуры электронного газа Te от произведения давления газа p0 на радиус разрядной трубки R (s — постоянная для данного газа).

Диаграмма относительного распределения потерь мощности в ртутном разряде в зависимости от давления пара р.

Рис. 3-28

Рис. 3-29

Продольная напряженность электрического поля в плазме может быть вычислена по формуле

где R — радиус разрядной трубки; Da — коэффициент двухполярной диффузии; Ui — потенциал ионизации; ke — подвижность электронов; ηi — доля мощности разряда, расходуемая на ионизацию.
На рис. 3-29 приведена полученная Б. Н. Клярфельдом для ртутного разряда диаграмма распределения полной мощности
, получаемой электронами от поля и теряемой в единице объема, на мощность , затрачиваемую на упругие столкновения, -на возбуждение резонансных и -нерезонансных уровней и — на ионизацию в зависимости от давления ртутного пара.
На рис. 3-30, а приведены экспериментальные кривые зависимости продольной напряженности поля
от давления газа для инертных газов при диаметре разрядной трубки R = 2 см, а на рис. 3-30,б — зависимости от давления паров ртути.
Распределение концентрации зарядов по сечению разрядной трубки характеризуется формулой

где — концентрация зарядов на расстоянии r от оси трубки; — концентрация зарядов
на оси;
— число ионизации, производимых одним электроном в 1 с; -коэффициент двухполярной диффузии; — функция Бесселя нулевого порядка, причем

R — радиус разрядной трубки.
Средняя концентрация зарядов

Плотности беспорядочного электронного
и ионного токов определяются из соотношений

где -средние концентрации электронов и ионов; — температуры электронного и ионного газов; — массы электрона и иона.
Соответственно

Плотность направленного электронного тока определяется как

Стенки разрядной трубки приобретают отрицательный потенциал по отношению к плазме из-за большей скорости электронов. Этот потенциал устанавливается таким, что плотности ионного и электронного токов на стенку выравниваются.
Перепад потенциала в ионной оболочке, создающейся у стенки, вычисляется по формуле

где — плотности беспорядочного электронного и ионного токов.
Толщина ионной оболочки у стенки
определяется по закону «степени 3/2» для ионного тока:

Экспериментальное исследование параметров плазмы при средних давлениях, результаты которого были приведены выше, проводится по методу зондов Ленгмюра (подробнее см. раздел).
Для плазмы низкого давления диффузионная теория неприменима, и некоторые основные соотношения могут быть получены по теории Тонкса и Ленгмюра.
Теория плазмы высокого и сверхвысокого давления основана на том факте, что с ростом давления газа средняя кинетическая энергия заряженных частиц приближается к средней кинетической энергии частиц нейтрального газа, т. е. плазма становится по своим свойствам близкой к изотермической плазме .
Основными процессами в плазме высокого давления являются термическая ионизация и рекомбинация зарядов в объеме.
Степень ионизации газа характеризуется уравнением Сага:

где — степень ионизации ; р — давление газа, Па; ; Т — температура газа, К; — потенциал ионизации газа, В.
На рис. 3-31, а и б приведены графики зависимости
.
Внешний вид плазмы высокого давления (например, столба тлеющего или дугового разряда) отличается тем, что она не заполняет всего сечения разрядной трубки, а представляет собой узкий ярко светящийся шнур по оси трубки. Процесс отшнуровывания тем сильнее, чем выше давление и больше плотность тока. Так как в отшнурованном положительном столбе стенки разрядной трубки практически не играют роли, то дуга при атмосферном давлении может гореть на воздухе («дуга Петрова»). Температура шнура в парах ртути оказывается равной 5000-6000 К при давлении 100 000 Па и достигает 8000-10 000 К при давлениях около 25 000 000 Па.

Зависимость продольной напряженности поля в плазме разряда от давления газа.
а — в инертных газах при разрядном токе
и диаметре трубки 2 см; б — в плазме ртутного разряда для различных диаметров разрядной трубки D при токе .

Рис. 3-30

Зависимость степени термической ионизации от температуры Т.
а — для ртути при разных давлениях; б — для паров Ag, Cu, Fe,
Hg и газов Н2 и N2 при р=100 000 Па.

Рис. 3-31