Вольтамперная характеристика разряда

Рис.7.

Важной электрической характеристикой тлеющего разряда является вольтамперная характеристика (ВАХ), т.е. зависимость напряжения горения разряда U от силы тока I. На вид ВАХ U = f (I) существенное влияние оказывает давление в разрядной трубке р, расход G и свойства плазмообразующего газа, форма и размеры разрядной трубки. Поэтому зависимость U = f (I) является не только характеристикой разряда, но и трубки в целом.

Электрическая цепь с балластным сопротивлением R_Б (рис.7) является наиболее простой и универсальной системой питания газоразрядных трубок. Она позволяет изменять энергетические и эксплуатационные параметры плазмотронов тлеющего разряда в широком диапазоне значений, является удобным средством для изучения устойчивой работы системы, состоящей из источника постоянного тока и электрической газоразрядной трубки. В простейшем случае такая цепь содержит источник тока (ИП), балластный реостат R_Б, амперметр А, вольтметр V₁ предназначенный для измерения напряжения источника питания, вольтметр V₂ предназначенный для измерения напряжения питания разрядной трубки, разрядную трубку и систему подачи рабочего газа, систему регулировки G расхода рабочего газа и измерения его параметров.

Закон Она для электрической цепи питания трубки записывается в виде

, (5)

где и r - электродвижущая сила и внутреннее сопротивление источника; R_Б и R – сопротивление балластного реостата и трубки.

Уравнение (5) может быть представлено в более удобном для анализа виде

. (6)

Здесь - напряжение источника питания U_ип; IR_Б - падение напряжения на балластном сопротивлении U_Б; IR = U_р - падение напряжения в разрядной трубке.

Приведенные зависимости представляют собой законы Ома для отдельных участков электрической цепи, показанной на рис.7. Участок 1-2 составляет источник тока, где сосредоточена э.д.с. замкнутой цепи. Сила тока на этом участке согласно закону Ома определяется уравнением

. (7)

Из уравнения (7) следует

. (8)

Э.д.с. источника тока не зависит от силы тока, следовательно, зависимость U_ип = f (I) является линейной. Однако в нашем случае, когда в качестве источника используется выпрямитель переменного тока, зависимость U_ип = f (I) является более сложной. В первом приближении можно принять в виде

. (9)

Таким образом, ВАХ источника тока имеет нелинейный падающий характер.

На участке 2-3 электрической цепи установлен балластный реостат, который служит для регулирования тока в цепи.

По конструкции балластный реостат представляет собой сосуд, наполненный слабым водным раствором солей (например, NaCl). К сосуду на шарнире с рукояткой прикреплен стальной лист. При вращении рукоятки изменяется глубина погружения листа и это влечет за собой соответствующее изменение сопротивления. Так как R_Б является чисто активным сопротивлением, то зависимость U_Б = f₁ (I) имеет линейный характер.

На участке 3-4 расположена разрядная трубка.

Физика формирования падающей вольтамперной характеристики разряда U = f (I) может быть представлена следующим образом. Тлеющий разряд - это самоподдерживающийся разряд, способный обеспечивать протекание токов до 1 А за счет своих внутренних процессов. С физической точки зрения можно выделить внутренние процессы, происходящие на катоде, аноде и в пространстве между ними. Соответственно различают три характерные области падения потенциала по длине тлеющего разряда (рис.5).

Непосредственно к катоду прилегает область катодного падения потенциала U_K, которая характеризуется напряженностью электрического поля 10⁶ - 10⁷ В/м. Вследствие малой протяженности l _K (порядка средней длины свободного пробега электронов) падение потенциала в ней равно потенциалу ионизации молекул рабочего газа.

К положительному электроду примыкает область анодного падания потенциала U_А. Протяженность области l _А порядка нескольких длин свободного пробега электронов. Значение U_А составляет несколько вольт.

Приэлектродные области соединяются однородным по структуре проводящим каналом - положительным столбом разряда. Для всех основных видов электрических разрядов положительный столб характеризуется относительно низкой и приблизительно постоянной напряженностью электрического поля по длине разряда. Поэтому напряжение горения разряда в первом приближении может быть определено уравнением

U = U_K + U_А + E l_ПС, (10)

где Е и l _ПС - напряженность электрического поля и длина положительного столба ТР.

Уравнение (10) c учетом закона Ома принимает вид

, (11)

где и S - электропроводность и площадь поперечного сечения положительного столба.