Лекция № 4. Рекомбинация газов

План:

1. Виды и механизм ионизации

2. Коэффициент рекомбинации

Рекомбинацией называется процесс нейтрализации зарядов противоположно заряженных соударяющихся частиц, приводящий к исчезновению электрических зарядов в газовом промежутке.

Рекомбинация происходит в любом газе, в котором имеются свободные положительные и отрицательные заряды.

Кроме процесса ионизации, в газе происходит и процесс нейтрализации заряженных частиц – так называемая рекомбинация.

Вследствие соединения двух частиц с противоположными зарядами рекомбинация является основной причинной убыли электронов и ионов в плотной плазме.

Существует три возможности взаимной рекомбинации ионов:

а) рекомбинация двух ионов с образованием нейтральной молекулы и излучением энергии:

(36)

б) рекомбинация двух ионов с образованием двух нейтральных возбужденных атомов:

(37)

в) рекомбинация двух ионов при участии третьей, химически инертной частицы с образованием нейтральной молекулы и передачей высвободившейся энергии третьей частице:

M+A⁺+B^-→AB+M, (38)

где М – третья, химически инертная частица, например атом инертного газа.

Два первых процесса, обусловленных соударениями двух частиц, имеет особо важное значение при очень низких давлениях. Последний процесс рекомбинации осуществляется при давлениях около 13,3 Па. Рекомбинировать могут как положительные, так и отрицательные ионы, а также электроны с положительными ионами.

В зависимости от того, каким способом высвобождается энергия при процессе рекомбинации, различают несколько механизмов рекомбинации.

Рекомбинация с превращением кванта энергии происходит тогда, когда электрон и ион образуют нейтральный возбужденный атом, а избыток энергии hv_p излучается:

A⁺ + e→A* + hv_p. (39)

Вероятность участия этого механизма в рекомбинации также относительно мала, по порядку величины она примерно такая же, как и в случае механизма, описанного выражением.

Рекомбинация с диссоциацией происходит в отдельных газах, которые могут образовывать и двухатомные иона. При рекомбинации образуются два нейтральных атома. Избыток энергии частично расходуется на повышение их кинетической энергии. Участие этого механизма характеризуется высокой степенью вероятности:

A⁺₂ + e → A* + A. (40)

Рекомбинация при участии трех частиц

A⁺ + e + e →A* + e (41)

это процесс, обратный процессу ионизации в результате соударения с электроном. Избыток энергии компенсируется остаточным электроном. Вероятность участия этого механизма в рекомбинации также велика.

Процесс рекомбинации всегда связан с выделением энергии. При рекомбинации электрона с ионом выделяется энергия, равная энергии ионизации. При рекомбинации ионов электрические соотношения подчиняются более сложным законам.

Если обозначить через число рекомбинаций в единице объема за время а через n^- и n⁺ - концентрацию отрицательно и положительно заряженных частиц, то закон рекомбинации можно выразить следующим уравнением:

(42)

где - коэффициент рекомбинации.

Предлагая равенство концентрации ионов и одноступенчатость процесса рекомбинации, т.е. , получим закон уменьшения концентрации ионов в следующем виде:

(43)

Интеграл этого уравнения за промежуток времени т дает

(44)

где n₀ и n – начальная и конечная концентрации ионов того и другого знака.

Пренебрегая за малость, первым слагаемым, получим концентрацию ионов к концу периода:

n=1/α_pт. (45)

Коэффициент рекомбинации α_р,м³/сек находится в весьма сложный зависимости от температуры находится в весьма сложной зависимости от температуры и давления, и для разных газов различен. Несмотря на то, что экспериментальное определение α представляет большие трудности, все же, на основании достаточно экспериментального материала, можно сделать некоторые выводы. В отношении давления установлено, что α_р Л.Леб предлагает формулу

(46)

где М – молекулярный вес газа, в котором происходит рекомбинация;

f – коэффициент, зависящий от вероятностей соударений отрицательных и положительных ионов;

р - давление, мм.рт.ст.:

λ_i/λ_g – соотношение среднего свободного пути иона к такому же пути для молекулы в воздухе при нормальных условиях.

Из формулы видно, что с повышением температуры коэффициент рекомбинации падает. Это значит, что с понижением температуры рекомбинация увеличивается и объемные заряды быстро исчезают из разрядного пространства.

Коэффициент рекомбинации дугового разряда исследован мало, и трудно указать его значения. Некоторые авторы полагают, что они колеблются от 10^-10 до 10^-11. Зависимость же этого коэффициента от температуры в первом приближении можно выразить уравнением

α_р = С/Т^3,5. (47)

т.с с увеличением температуры α_р – уменьшается.

Еще одной характеристикой рекомбинации является время жизни электронов и ионов (τ_и),(τ_э) Если τ_и и τ_э возрастает, тогда процесс рекомбинации не получает развития. Время жизни определяется с помощью уравнения:

τ_i = 1/(ρ_i •h_l)_; (48)

где α_i – коэффициент рекомбинации электрон – ион см. на обороте.

ni плотность электрона или иона.

Среднее время жизни составляет, например, при плотности электрона 10²⁰ частицы/м³, коэффициент рекомбинации электрон-ион 10^-10см³/с составляет для электрона 10^-4с.

Для ионов эта величина равно 10^-8с.

Вопросы

1. Типы рекомбинации.

2. Механизм рекомбинации.

3. Формула Леба.

Литература

1. Сисоян А.Г. Электрическая дуга в электрической печи. М.: Металлургия. 1974г.- 188с.

2. Дембовский В. Плазменная металлургия.- М.: Металлургия. 1981. -280с.

3. Свенчанский А.Д., Смелянский М.Я. Электрические промышленные печи. Часть 2 М.: Энергия.1970г.-226с.

4. Лесков Г.И. Электрическая сварочная дуга. М.Машиностроение. 1970.- 256с.