Plynový výboj je soubor procesů, ke kterým dochází, když plyny protéká elektrický proud . Obvykle je tok značného proudu možný pouze po dostatečné ionizaci plynu a vytvoření plazmy .
K ionizaci může dojít zejména v důsledku srážek elektronů urychlených v elektrickém poli s atomy nebo molekulami plynu. V tomto případě dochází k lavinovému znásobení počtu nabitých částic, protože v procesu nárazové ionizace vznikají nové elektrony, které se po zrychlení začnou podílet i na srážkách s atomy, což způsobí jejich ionizaci.
Další možnou příčinou ionizace plynu může být vysoké elektrické pole (jiskrový výboj) nebo vysoká teplota (obloukový výboj). Pro vznik a udržení stabilního plynového výboje je zapotřebí elektrické pole , protože studené plazma existuje, pokud elektrony získávají energii ve vnějším poli dostatečnou k ionizaci atomů a počet nově vytvořených iontů převyšuje počet rekombinovaných iontů.
Je-li pro existenci plynového výboje nutná dodatečná ionizace vlivem vnějších zdrojů (např. pomocí ionizujícího záření ), pak se plynový výboj nazývá nesamoudržovací (takové výboje se používají v Geigerových počítačích ).
Pro realizaci výboje plynu se využívá jak časová konstanta, tak střídavé elektrické pole.
Při výboji plynu vzniká elektrický vítr, tedy pohyb plynu způsobený strháváním molekul plynu ionty. Nejjednodušší způsob, jak detekovat elektrický vítr při výboji z hrotu ve vzduchu za normálního tlaku [1] . Tento vítr může způsobit vychýlení proužku papíru, plamen svíčky, obláček kouře atd.
Stejně jako:
Výboje lze rozdělit na nezávislé a nesamostatné.
Nesamostatný výboj je výboj, který potřebuje externí ionizátor.
Samovybíjení - výboj, který nevyžaduje externí ionizátor.
Klasifikace plynových výbojů je založena na dvou vlastnostech: stavu ionizovaného plynu a frekvenčním rozsahu aplikovaného pole.
Podle prvního znaku rozlišují:
Podle frekvence pole:
| frekvenční rozsah
aplikovaný obor |
Stav ionizovaného plynu | ||
|---|---|---|---|
| Zhroutit se | Nerovnovážná plazma | rovnovážná plazma | |
| Konstantní a nízkofrekvenční elektrické pole | Zapálení doutnavého výboje v trubici | Pozitivní záře sloupec | Pozitivní sloupec vysokotlakého oblouku |
| HF | Zapálení vysokofrekvenčního výboje v nádobách se zředěným plynem | RF kapacitní výboj ve zředěném plynu | Indukční plazmový hořák |
| mikrovlnná trouba | Průraz ve vlnovodech a rezonátorech | Mikrovlnné výboje ve zředěných plynech | mikrovlnný plazmový hořák |
| Optický rozsah | Rozklad plynů laserovým zářením | Konečná fáze optického rozpadu | Kontinuální optický výboj |
Výboje lze také klasifikovat podle mechanismů ztráty energie:
Při nízkých tlacích (1 - 10 Torr) a velkém elektrickém odporu vnějšího obvodu, který nedovolí protékat velkému proudu, se vznítí doutnavý výboj . Vyznačuje se malými proudy (10 -6 - 10 -1 A v elektronkách o poloměru 1 cm) a významnými napětími (100 - 1000 V). Teplota elektronů je asi 1 - 10 eV, teplota iontů je o něco vyšší než teplota okolí (300 K), to znamená, že plazma je termodynamicky nerovnovážné.
Při tlaku řádově atmosférickém a nízkém odporu vnějšího okruhu se obvykle zapálí obloukový výboj . Vyznačuje se velkými proudy (>1 A), nízkými napětími (desítky voltů). Teploty elektronů a iontů jsou přibližně rovné 1 - 10 eV, to znamená, že plazma je v termodynamické rovnováze.
Při tlacích řádu atmosférického, vzdálenosti mezi elektrodami >10 cm a velkých aplikovaných polích dochází k jiskrovému výboji . Porušení je v tomto případě provedeno rychlým růstem plazmového kanálu z jedné elektrody na druhou, následovaným uzavřením okruhu silně ionizovaným jiskrovým kanálem. Příkladem je blesk .
Ve vysoce nehomogenních polích, které nestačí k proražení celé mezery, dochází ke koronovému výboji . Světelná koróna se objevuje na špičkách, kde je hustota pole vyšší.
Výboje plynu v některých plynech způsobují emisi viditelného světla, jehož spektrum závisí na použitém plynu.
| Plyn | Barva | Poznámky |
|---|---|---|
| Hélium | Bílo-oranžová; za určitých podmínek může mít šedý, zelenomodrý nebo modrý odstín | Používané umělci pro speciální osvětlení. |
| Neon | červený pomeranč | Jasná záře. Často se používá v neonových reklamních nápisech a neonových lampách |
| Argon | Fialově modrá | Často se používá ve spojení s výbojem rtuťových par |
| Krypton | Šedavě matná špinavě bílá. Může být nazelenalý. Ve vysokonapěťových výbojích jasně modrobílá. | Používané umělci pro speciální osvětlení. |
| Xenon | Šedavě nebo modravě šedá matně bílá, ve vysokonapěťových výbojích při vysokých špičkových proudech velmi jasně modrozelená. | Používá se v xenonových baterkách , indikátorových lampách, xenonových obloukových lampách a umělci pro speciální osvětlení. |
| Radon | Modrá barva [3] . | Nelze použít kvůli nedostatku stabilních izotopů. |
| Dusík | Podobně jako argon, tlumenější, s růžovým nádechem. Ve vysokonapěťových výbojích jasně modrobílý, bělejší než argon. | |
| Kyslík | Světle fialovofialová, slabší než argon. | |
| Vodík | Levandule ve výbojích nízkého napětí, růžově červená ve výbojích nad 10 miliampérů. | |
| vodní pára | Podobně jako u vodíku. Méně jasná záře | |
| oxid dusičitý | Slabá namodralá bílá, při nízkonapěťových výbojích jasnější než xenon. | |
| Rtuťové páry | Světle modrá s intenzivním ultrafialovým zářením | V kombinaci s fosfory se používá k produkci světla různých barev. Široce se používá ve rtuťových výbojkách |
| Sodné páry | Světle žlutá | Široce se používá v pouličních lampách se sodíkovými výbojkami |
Hélium
Neon
Argon
Krypton
Xenon
Problém počítačové simulace procesů probíhajících ve výboji plynu není zcela vyřešen. Existují pouze přibližné metody řešení tohoto problému. Jedním z nich je Fokker-Planckova aproximace .
| Zařízení na vypouštění plynu | ||
|---|---|---|
| zenerovy diody | ||
| Spínání žárovek | ||
| Ukazatele | ||
| Vybíječe |
| |
| Senzory |
| |
| Druhy výboje plynu | ||
| jiný | ||