Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана» (национальный исследовательский университет) (МГТУ им. Н.Э. Баумана) Факультет: Энергомашиностроение Кафедра: Высокотехнологические плазменные и энергетические установки Отчет по лабораторной работе Студент: Латыпова Ангелина Аркадьевна Группа: Э8-51Б Название дисциплины: Плазмодинамика Название лабораторной работы: Тлеющий разряд Преподаватель: Рязанов В.А. подпись Москва 2024 1 СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ ............................................................................................................. 3 ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ............................................................................................... 4 1 Теоретическая часть ............................................................................................. 4 1.1 Газовый разряд .................................................................................................. 4 2.2Плазма ................................................................................................................. 7 2 Практическая часть .............................................................................................. 9 2.1 Описание экспериментального стенда............................................................ 9 2.2 Ход эксперимента ........................................................................................... 10 2.3 Выводы ............................................................................................................. 12 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ .......................................... 13 2 ВВЕДЕНИЕ Тематикой лабораторной работы служило изучение тлеющего разряда(ТР) низкого давления. В данном отчете рассмотрены вопросы физики появления газовых разрядов, дана их классификация и описано явление тлеющего разряда в вакууме. Целью лабораторной работы являлось наблюдение и изучение ТР Задачами, поставленными в лабораторной работе, являлись: 1) изучить понятия плазма, газовый разряд, ТР 2) изучить физику ТР 3) понаблюдать за изменением ТР Оборудование: Экспериментальный стенд с вакуумной камерой. 3 ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ 1 Теоретическая часть 1.1 Газовый разряд Современная физика газового разряда изучает протекание электрического тока в газовой среде. Известно, что в нормальных условиях газ в своем составе имеет некоторое количество заряженных частиц, таких как электроны и ионы, соответственно он способен проводить электрический ток, но его проводимость настолько мала, что в дальнейшем будем считать его электрически нейтральным (т.е. диэлектриком). В природе ионы в газах появляются в результате естественной радиоактивности. Явление газового разряда можно наблюдать при определенных условиях, в результате которых в электрическом поле происходит ионизация газа, в следствие этого возникает необходимость классификации. Если разряд не может поддерживаться самостоятельно и существует только за счет внешних факторов (нагрев, ионизирующее, радиационное излучение), то такой разряд называется несамостоятельный. Если же ионизация нейтральных частиц способна поддерживаться без постороннего вмешательства, то такой разряд называется самостоятельный. Выделяют несколько видов самостоятельных разрядов: тлеющий, искровой, коронный, дуговой. Остановимся более подробно на тлеющем разряде. В ходе ТР катод испускает электроны вследствие бомбардировки его ионами газа (это явление называется ионно-электронная эмиссия). Возникает он только при низких давлениях газа, поэтому имеет полное название “тлеющий разряд низкого давления”. Опишем физику этого явления на простом эксперименте. Два электрода, подключаемых к источнику напряжения, вводят в стеклянную трубку, из которой откачивают газ. При давлениях ~ 50 мм рт. ст. и напряжении сотни вольт, в результате пробоя зажигается ТР, в котором катод испускает электроны. Для ТР характерна небольшая сила тока (10-6—10-1 A в трубках радиусом 1 см). При давлении 2-3 мм рт. ст. свечение будет заполнять 4 всю трубку. При давлении 0,1—0,01 мм рт. ст. разряд будет иметь вид, схематически изображенный на рисунке 1. 1 – темное астоново пространство, 2 – катодный слой, 3 – темное круксово пространство, 4 – тлеющее свечение, 5 – фарадеево темное пространство, 6 – положительный столб разряда [http://www.physics.gov.az/book_O/Sivuhin_III.pdf] Рисунок 1 – тлеющий разряд в стеклянной трубке 1) Непосредственно к катоду примыкает узкая полоса, называемая темное астоново пространство, где электроны, исходящие с поверхности катода, не успели набрать скорость, достаточную для возбуждения атомов и молекул газа. Ширина пространства порядка десятых долей мм и обратно пропорциональна давлению газа. 2) Катодный слой. Тонкая светящаяся пленка, в которой происходит возбуждение атомов и молекул, но еще нет ионизации. 3) Темное круксово пространство. В этой части пространства начинается ионизация атомов и молекул и нарастание электронных лавин. Изза возможности ионизация уменьшается вероятность возбуждения атомов, с чем и связано уменьшение свечения. Эта область наиболее важна для поддержания разряда, так как созданные здесь ионы обеспечивают необходимую эмиссию с катода. 4) Тлеющее свечение. Оно резко ограничено со стороны катода и возникает из-за рекомбинации электронов с положительными Ионами и переходами возбужденных атомов на более низкие энергетические уровни. 5) Фарадеево темное пространство. Яркость тлеющего свечения ослабевает при продвижении к аноду, так как туда уже не долетают быстрые электроны. 5 Эти пять основных областей называются катодными частями разряда. 6) Положительный столб. Электроны, находящиеся в фарадеевом пространстве, ускоряются при движении к аноду и создают положительный столб разряда (существует в узких и длинных трубках). Наличие столба несущественно для поддержания разряда, но имеет важное значение для применения тлеющего разряда в повседневных вещах, например, в газоразрядных лампах. Прибором, для наблюдения газового разряда, может являться плазменный шар. Состоит он из стеклянной сферы, заполненной инертным газом под давлением порядка 1 атмосферы, в центре находится электрод, на который благодаря трансформатору подается напряжение в несколько киловольт с частотой около 20-30 кГц. При включении лампы газ ионизируется, и становится возможным поддержание тлеющего разряда между электродом и стеклянной сферой, на которой индуцируется заряд противоположного знака. Если приложить палец к поверхности шара, то мы увидим, что плазменные “каналы”, идущие к точке касания, станут более интенсивными. Это связано с тем, что посредством касания происходит сток накопленного заряда, что облегчает создание разряда в этом направлении. Если поднести ко включенному плазменному шару неподключенную люминесцентную лампу, она начнёт светиться. Это связано с тем, что шар создает вокруг себя электромагнитное поле, и когда газ внутри лампы попадает в сферу его действия, происходит возбуждение и ионизациях атомов и молекул, сопровождающаяся свечением. 6 1.2 Плазма В значительной степени интерес к изучению разрядов обусловлен созданием в них плазмы. Плазма (П) - квазинейтральный газ, состоящий из заряженных и нейтральных частиц, который проявляет коллективные свойства, существующий при трех условиях: 1) Линейные размеры П должны быть намного больше дебаевского радиуса. Это условие, определяющее квазинейтральность П. То, как взаимодействуют частицы в идеальном газе, резко отличается от их взаимодействия в П. Характер взаимодействия заряженных частиц определяется кулоновскими силами, гораздо более дальнодействующими, чем между нейтральными атомами и молекулами. По этой причине взаимодействие частиц в П является не «парным», а «коллективным» взаимодействуют сразу множество частиц. Предположим ситуацию: мы поместили в П два заряженных шарика, соединенных батарейкой (рисунок 2). [https://djvu.online/file/P4KWJGIKtD3Zn?ysclid=m1nznprxi2273400427] Рисунок 2 – заряженные шарики в плазме Шарики будут притягивать частицы, заряженные противоположным знаком, образуя вокруг себя “облако”, и в следствие поляризации среды электрическое поле будет становится очень маленьким (экранироваться) на расстоянии, превышающем дебаевский радиус. Толщина этого “облака” вокруг заряженной частицы и есть дебаевский радиус. 2) Дебаевское экранирование, рассмотренное выше, существует только когда в заряженном облаке достаточно много частиц, иначе данное понятие нельзя считать статистически верным. Для того, чтобы П имела 7 коллективные свойства, должно выполняться неравенство ND>>1 (число частиц в дебаевской сфере много больше 1). 3) Помимо хаотического теплового движения, частицы П участвуют в упорядоченных процессах, из которых наиболее характерный - продольные колебания, называемые ленгмюровскими волнами. Их угловая частота называется плазменной частотой ɷ. Благодаря дальности кулоновского взаимодействия частиц, мы наблюдаем многочисленные и разнообразные коллективные процессы, отличающие П от идеального газа. Пусть τ – среднее время между столкновениями с нейтральными атомами. Для того чтобы ионизованный газ обладал свойствами П, необходимо выполнение условия ɷτ >1. 8 2 Практическая часть 2.1 Описание экспериментального стенда Лабораторная работа проводится на экспериментальном стенде, состоящем из двух частей: вакуумной камеры и источника питания. Газ из камеры откачивается форвакуумным насосом, давление измеряется барометрической термопарой. В камере находятся предметы из двух материалов. Медные: стержень, шар, уголок, пружинка, контур сложной формы в виде руки и алюминиевая пружинка. На них поочередно подается заряд. Напряжение измерялось встроенным вольтметром. 9 2.2 Ход эксперимента Эксперимент состоял из двух частей. В первой части камера являлась анодом, а предметы, находящиеся в ней - катодами. Поочередно подавался отрицательный заряд на изделия, и мы могли наблюдать явление тлеющего разряда, который полностью повторял форму катода (медных изделий) при подаче заряда на алюминиевые изделия заряд был неравномерный. Это связано с тем, что коэффициент эмиссии электронов с поверхности медного катода выше, чем с алюминиевого. Так же на примере медной пружины можно рассмотреть электростатическую ловушку плазмы. Принцип работы заключается в том, что электростатическое поле, создаваемое цилиндрической симметричной заряженной пружиной, позволяет ускорять заряженные частицы по направлению к оси симметрии и удерживать их там на протяжении длительного времени. Во второй части эксперимент проводился в условиях сменившейся полярности, камера являлась катодом, а изделия - анодами. Так как тлеющий разряд образуется в результате испускания электронов с катода, у стенок камеры можно было наблюдать неяркое свечение, а вот у поверхностей анодов тлеющий разряд был неравномерный. Напряжение подаваемого заряда в обоих частях эксперимента первоначально равнялось 400 В, после постепенно увеличивалось. При увеличении напряжения, свечение тлеющего разряда становилось ярче. Аналогичная ситуация с давлением, первоначальное равнялось 0,2 мм рт. ст., после увеличения, свечение также становилось интенсивнее. Сила тока, замеренная на медном стержне 130 мА. Оценим проводимость плазмы в тлеющем разряде, сравнив ее со значением проводимости вольфрама в лампе накаливания. Проводимость: 𝐺= 𝐼 𝑈 10 где G – электропроводность, См I – сила тока, А, U – напряжение, В. Проводимость плазмы в тлеющем разряде: 𝐺= 𝐼 0,13 = = 3,3 ∙ 10−4 См 𝑈 400 Проводимость вольфрама в лампе накаливания, подключенной к сети: 𝐺= 𝐼 0,5 = = 2,3 ∙ 10−3 См 𝑈 220 Из этого можно сделать вывод, что хоть и проводимость плазмы меньше, чем у металла, но все равно значительная. 11 2.3 Выводы При проведении данной лабораторной работы мы ознакомились с понятиями плазма, газовый разряд, подробно рассмотрели тлеющий разряд теоретически и практически. Ознакомились с экспериментальной установкой и оценили проводимость плазмы в тлеющем разряде, полученной в ходе данного эксперимента. Рассмотрели электростатическую ловушку на примере медной пружины. 12 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 1 Юрий Петрович Райзер. Физика газового разряда. Изд. 2-ое, доп. и перераб. М.: Наука, 1992 год, с. 536. 2 Сивухин Д.В. Общий курс физики. Учеб. пособие: Для вузов. В 5 т. Т.III. Электричество. – 4-е изд., стереот. – М.: ФИЗМАТЛИТ; Изд-во МФТИ, 2004 год, с. 656. 3 Чен Ф. Ведение в физику плазмы: Пер. с англ. – М.: Мир, 1987. – 398с. 4 Браун С. Элементарные процессы в плазме газового разряда. М., 1961 год. 5 Фоменко В.С. Эмиссионные свойства материалов. Изд-во “Наукова думка”, Киев, 1981. 13
