">
Физика Теоретическая физика
Информация о работе

Тема: Оптические свойства дугового разряда в парах ртути

Описание: Типы газовых разрядов. Дуговой разряд. Образование дугового разряда. Ртутные дуговые лампы. Распределение энергии в спектрах излучения ртутных дуговых ламп. Длина волны. Относительная энергия излучения. Баланс энергии в разряде низкого давления.
Предмет: Физика.
Дисциплина: Теоретическая физика.
Тип: Реферат
Дата: 10.08.2012 г.
Язык: Русский
Скачиваний: 18
Поднять уникальность

Похожие работы:

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Томский Политехнический Университет

Кафедра – ЛиСТ

Реферат

Оптические свойства дугового разряда в парах ртути

Томск 2012

Содержание:

1. Введение

2. Типы газовых разрядов

3. Дуговой разряд

Образование дугового разряда

4. Ртутные дуговые лампы

5. Баланс энергии в разряде низкого давления

6. Световая отдача

7. Корректировка спектра излучения

8. Область применения дугового разряда

9. Список используемой литературы

Введение

Процесс протекания электрического тока через газ называют газовым разрядом. При обычных условиях газы почти полностью состоят из нейтральных атомов или молекул и, следовательно, являются диэлектриками.

Вследствие нагревания или воздействия излучением часть атомов ионизуется — распадается на положительно заряженные ионы и электроны. В газе могут образовываться и отрицательные ионы, которые появляются благодаря присоединению электронов к нейтральным атомам. Ионизация атома требует затраты определенной энергии - энергии ионизации. Для ионизации атома (или молекулы) необходимо совершить работу против сил взаимодействия между вырываемым электроном и остальными частицами атома (или молекулы). Эта работа называется работой ионизации. Ее величина зависит от химической природы газа и энергетического состояния вырываемого электрона в атоме или молекуле. В явлениях электрического разряда в газах большую роль играет ионизация атомов электронными ударами. Этот процесс заключается в том, что движущийся электрон, обладающий достаточной кинетической энергией, при соударении с нейтральным атомом выбивает из него один или несколько атомных электронов, в результате чего нейтральный атом превращается в положительный ион, а в газе появляются новые электроны. Механизм проводимости газов похож на механизм проводимости растворов и расплавов электролитов. При отсутствии внешнего поля заряженные частицы, как и нейтральные молекулы, движутся хаотически. Если ионы и свободные электроны оказываются во внешнем электрическом поле, то они приходят в направленное движение и создают электрический ток в газах.

Таким образом, электрический ток в газе представляет собой направленное движение положительных ионов к катоду, а отрицательных ионов и электронов - к аноду. Полный ток в газе складывается из двух потоков заряженных частиц: потока, идущего к аноду, и потока, направленного к катоду.

Типы газовых разрядов

Выделяют несколько основных типов газовых разрядов:

Несамостоятельный газовый разряд

Самостоятельный газовый разряд

• Тлеющий разряд

• Коронный разряд

• Искровой разряд

• Дуговой разряд

Дуговой разряд

Дуговой разряд, один из типов стационарного электрического разряда в газах. Впервые наблюдался между двумя угольными электродами в воздухе в 1802 году В. В. Петровым и независимо в 1808—1809г. Г. Дэви. Светящийся токовый канал этого разряда был дугообразно изогнут, что и обусловило название дуговой разряд.

Этот разряд представляет собой одну из форм газового разряда, осуществляющуюся при большой плотности тока и сравнительно небольшом напряжении между электродами (порядка нескольких десятков вольт).

Образование дугового разряда

Формированию дугового разряда предшествует короткий нестационарный процесс в пространстве между электродами. Длительность этого процесса обычно ~ 106—10-4 сек. Если пробой происходит при давлении газа, близком к атмосферному, то нестационарным процессом, предшествующим дуговой разряд, является искровой разряд.

Причиной дугового разряда является интенсивное испускание термоэлектронов раскаленным катодом. Эти электроны ускоряются электрическим полем и производят ударную ионизацию молекул газа, благодаря чему электрическое сопротивление газового промежутка между электродами сравнительно мало. Если уменьшить сопротивление внешней

цепи, увеличить силу тока дугового разряда, то проводимость газового промежутка столь сильно возрастет, что напряжение между электродами

уменьшается. Поэтому говорят, что дуговой разряд имеет падающую вольтамперную характеристику.

Если в тлеющем разряде увеличивать силу тока, уменьшая внешнее сопротивление, то при большой силе тока напряжение на зажимах трубки начинает падать, разряд быстро развивается и превращается в дуговой. В большинстве случаев переход совершается скачком и ведёт к короткому замыканию. При подборе сопротивления внешнего контура удаётся стабилизовать переходную форму разряда и наблюдать при определённых давлениях непрерывный переход тлеющего разряда в дугу. Параллельно с падением напряжения между электродами трубки идёт возрастание температуры катода и постепенное уменьшение катодного падения.

Применение обычного способа зажигания дуги путём раздвигания электродов вызвано тем, что дуга горит при сравнительно низких напряжениях в десятки вольт, тогда как для зажигания тлеющего разряда нужно при атмосферном давлении напряжение порядка десятков киловольт. Для дугового разряда характерно чрезвычайное разнообразие принимаемых им форм: он может возникать практически при любом давлении газа — от менее 10" мм ртутного столба до сотен атмосфер; разность потенциалов между электродами дугового разряда может принимать значения от нескольких вольт до нескольких тысяч вольт. Отличительными особенностями всех форм дугового разряда являются малая величина катодного падения и высокая плотность тока на катоде. Катодное падение обычно порядка ионизационного потенциала рабочего газа или ещё ниже (1—10 В); плотность тока на катоде составляет 102—107 А/см2. При столь большой плотности тока сила тока в дуговом разряде обычно также велика — порядка 1—10 А и выше.

Самостоятельный дуговой разряд на легкоплавких катодах отличает то, что термоавтоэмиссия электронов происходит в нём лишь с небольших участков катода - так называемых катодных пятен. Малые размеры этих пятен (менее 10-2 см) обусловлены пинч-эффектом — стягиванием токового канала его собственным магнитным полем. Плотность тока в катодном пятне зависит от материала катода и может достигать десятков тысяч А/см2. Поэтому в катодных пятнах происходит интенсивная эрозия — из них вылетают струи паров вещества катода со скоростью порядка 106 см/сек.

При атмосферном давлении температура катода достигает 3000 ° С. Электроны, бомбардируя анод, создают в нем углубление и нагревают его. Температура углубления около 4000 ° С , а при больших давлениях воздуха достигает 6000-7000 ° С. Температура газа в канале дугового разряда достигает 5000-6000 ° С, поэтому в нем происходит интенсивная термоионизация.

Ртутные дуговые лампы

Они известны уже более 70 лет. Эти источники света излучают в широком оптическом диапазоне, включающем УФ, видимое и ИК-излучение. Излучение генерирует светящийся дуговой разряд, возникающий при прохождении тока в газовой среде, заполненной парами ртути или парами ртути в смеси с другими веществами и инертными газами, а также плазмой. Носителями тока в газовом разряде являются электроны и катионы, возникающие при соударении электронов с атомами, движущимися в электрическом поле межэлектродного пространства. В результате таких соударений активация атомов газовой среды, то есть перевод части атомов в возбужденное состояние при котором внешние (валентные) электроны переходят на более энергоемкие электронные орбитали. Время жизни возбужденных атомов очень небольшое, поэтому они очень быстро возвращаются в основное состояние, излучая избыточную энергию в виде квантов света, то есть имеет место люминесценция. При этом происходит превращение электрической энергии в световую.

Так как величина энергии электронных переходов строго детерминирована (квантована) и определяется природой атомов, то и излучение энергии возбужденными атомами происходит в определенном энергетическом диапазоне - спектре. Характер спектра излучения может быть различным: полосатым (линейчатым) или сплошным (непрерывным). Каждой линии в спектре соответствует электронный переход, а при очень большом их количестве все линии сливаются в континуум, образуя непрерывный спектр. Интенсивность полос в спектре зависит от вероятности осуществления тех или иных переходов. Для возбужденных атомов ртути характерным является линейчатый спектр. При этом две линии, соответствующие длинам волн 185 и 253,7 нм, являются наиболее интенсивными. Они называются резонансными линиями излучения и соответствуют переходам из нижних возбужденных состояний в основное невозбужденное состояние. Кроме них в спектре ртутного дугового разряда имеется ряд линий, которые при высоком давлении паров ртути расширяются и могут сливаться в непрерывный спектр.

Для возникновения ртутного разряда к электродам прикладывают электрическое напряжение, величина которого зависит от конструкционных характеристик лампы (материала электродов, расстояния между ними, диаметра лампы), природы и давления газового заполнения и прочих факторов. После подачи напряжения на электроды в лампах высокого давления происходят последовательно следующие процессы:

• пробой газоразрядного промежутка;

• нагрев электродов;

• разгорание дугового разряда и увеличение давления ртутных паров;

• установление стационарного режима работы.

Движение заряженных частиц в электрическом поле имеет направленный характер. Скорость движения частиц различна, зависит от их природы(электроны, ионы, атомы) и может быть охарактеризована соответствующей температурой. Для облегчения зажигания ламп иногда устанавливают специальные зажигающие электроды, которые, впрочем, снижают механическую прочность ламп и удорожают их стоимость. Время, в течение которого лампа полностью разгорается и выходит на стационарный режим работы, составляет 5 – 15 минут, что показано на рис. 1.

В зависимости от величины давления паров различают три типа ртутно-дуговых ламп:

низкого давления (давление паров ртути 0,01 до 1 мм рт. ст. или от 1,33 до 133 Па)

среднего давления (от 1 до 3атм. или до 3х105 Па)

высокого давления (до нескольких десятков атм. Или от 3х155 до 107 Па)

Встречается также следующая классификация: лампы низкого давления, высокого и сверхвысокого давления. Каждый тип ртутных ламп имеет характерный спектр излучения: лампы низкого давления излучают линейчатый спектр, большая часть энергии которого излучается в области резонансных полос; лампы среднего и особенно высокого давления наряду с линейчатым содержат непрерывный спектр, который расширяется и смещается с увеличением давления паров ртути в видимую область (см. таблицу). Распределение энергии в спектрах излучения ртутных дуговых ламп  Длина волны, нм Наименование диапазона Относительная энергия излучения (%) для:    низкого давления среднего давления высокого давления    полосы диапазона полосы диапазона полосы диапазона  185 УФ-С  6.71  -  -  -  -    230  - 83.07 0.83 16.42 -  4.35  236   -   0.66  -    238  -  0.52  -    240   -   0.63   -    248  0.05  1.42  4.35    275   0.04   0.57   -    280 УФ-В 0.05  2.80 1.97 21.5 - 26.67  289   0.11   0.86   1.46    297  0.32  2.52  3.90    313   2.07   10.78   10.55    334 УФ-А 0.12 1.78 1.42 19.39 3.08 21.18  365   1.66    17.97   15.50    373  -  -  2.60    405 Видимый свет 2.24 12.36 6.28 42.65 9.96 47.80  408  0.12  0.95  -    436   5.80   11.5   11.38    605   -   -   1.13    

Баланс энергии в разряде низкого давления

Обобщенная картина баланса энергии в столбе разряда НД была получена Б. Н. Клярфельдом. Излучаемая мощность разделена на мощность лучения резонансных Фе рез и нерезонансных Фе нерез линий. Такое деление оправдано тем, что соответствующие излучения имеют резко различные

зависимости от давления и силы тока. Потери мощности в разряда разделены на тепловые потери в объеме таза Р1 и тепловые потери на стенках трубки Р2. Потери энергии излучения за счет поглощения в материале колбы не рассматриваются.

Для единицы длины столба баланс энергии может быть представлен следующим образом:

kл1EIл= Фе1 рез+ Фе1 нерез + Р1 + Р2

где Е - градиент потенциала в столбе, характеризующий напряженно® электрического поля в разряде. На рис.1.1 схематически изображен баланс энергии столба разряда в атомарных газах в зависимости от давления газа (пара), из которого следует, что для генерации соответствующего излучения существуют определенные благоприятный области давлений и токов.

Наибольший выход резонансного излучения имеет место в области малых плотностей тока и низких давлений. Такие условия являются наиболее эффективными для ЛЛ.

Наибольший выход нерезонансного излучения имеет место при больших плотностях тока и высоких давлениях (велика роль вторичных процессов)

При больших плотностях тока существует область НД, в которой выход нерезонансных линий сравнительно велик.

Результаты всех этих измерений баланса энергии хорошо описываются качественными диаграммами Клярфельда (рис.1.1)

Рис.1.1. Относительный вклад различных механизмов потерь мощности положительного столба в зависимости от давления газа.

На этих диаграммах по оси абсцисс отложена величина давления газа в положительном столбе (при данном токе), по оси ординат — относительные величины всех видов потерь мощности ПС: потери на стенке (??) потери на нагрев газа (?g) потери на выход резонансного (?r1) и нерезонансного (?r2) излучения. Сумма всех этих величин равна единице.

Образовавшиеся атомы находятся в возбужденном (неравновесном)

состоянии. Поэтому они излучают свет, диффундируя за пределы зоны разряда, охлаждаются и взаимодействуют с образованием исходных молекул, которые вступают в новый цикл превращений. На рис. 4 изображена часть спектра излучения металлгалоидной лампы с добавкой йодида свинца. Видно, что такие лампы характеризуются большей световой отдачей в области 360—400 нм, то есть в зоне поглощения ФПМ.

Ртутные лампы среднего давления изготавливаются в диапазоне мощности от 1 до 31 кВт и длиной до 2,8 м.

Область применения дугового разряда

Дуговой разряд широко применяется в дуговых печах для выплавки металлов, в газоразрядных источниках света, при электросварке, служит источником плазмы в плазматронах. Различные формы дугового разряда возникают в газонаполненных и вакуумных преобразователях электрического тока (ртутных выпрямителях тока, газовых и вакуумных выключателях электрических и т.п.). Дуговой разряд с искусственным подогревом катода используется в люминесцентных лампах, газотронах, тиратронах, ионных источниках и источниках электронных пучков.

Список используемой литературы:

«Электрический ток в газе. Установившийся ток», М, 1971г. Грановский В. Л

Кесаев И. Г., «Катодные процессы электрической дуги», М., 1968г.

Финкельнбург В., Меккер Г., «Электрические дуги и термическая плазма» пер. с нем., 1961г.

Энгель А., «Ионизованные газы», пер. с англ., М., 1959г.

Капцов Н. А., «Электрические явления в газах и вакууме», 1947г.

Интернет-ресурсы:

http://эссе.рф - сборник не проиндексированных рефератов. Поиск по рубрикам и теме. Большинство текстов бесплатные. Магазин готовых работ.