Виды самостоятельных газовых разрядов
Тлеющий разряд. Тлеющий разряд возникает в газах при низких давлениях.
Для его наблюдения используют разрядные стеклянные трубки со впаянными
электродами, на которые подается напряжение для осуществления разряда
(рис. 1). Из трубки предусмотрена откачка воздуха. При напряжении на электродах в тысячу вольт и при давлениях близких к атмосферному ток в газе
практически не наблюдается. При давлениях порядка6500 Па в трубке появляется светящийся извилистыйшнур, который соединяет катод и анод. После понижения давления до 500 Па трубка заполняетсяоднородным свечением: возникает тлеющий разряд.
Рис.1.
В простейшем случае выделяют четыре основные области разряда:
1 – первое катодное свечение, или катодная пленка;
2 – темное катодное пространство, называемое круксовым (по именианглийского физика Уильяма Крукса (1832–1919));
3 – отрицательное или тлеющее свечение, в которое плавно переходит темноепространство Крукса;
4 – Фарадеево темное пространство. Граница между фарадеевым простран-
ством и тлеющим свечением размыта;
5 – положительный столб разряда (создает иллюзию однородности свечения
всей разрядной трубки, поскольку его объем намного больше объема первых
трех частей разряда, относящихся к его катодной части).
Основные процессы, которые поддерживают разряд, происходят в катодномтемном пространстве и в области отрицательного свечения. Распределение потенциала вдоль длины трубки, которое можно измерить с помощью впаянныхв трубку электродов-зондов, представлено на рис. 1. Почти все падение потенциала приходится на область катодного темного пространства. Здесь катионы,образовавшиеся в результате ударной ионизации молекул в области отрицательного свечения и отчасти в положительном столбе и двигающиеся к катоду, разгоняются до значений энергии, позволяющих при достижении катода выбиватьиз его поверхности электроны (вторичная электронная эмиссия). Эмитированныеже электроны движутся в сторону анода, область катодного темного пространствапроходят практически без столкновений с молекулами газа. Ширина этого пространства приблизительно равна длине свободного пробега электронов и увеличивается с уменьшением давления газа в разрядной трубке. При столкновениис молекулами газа уже в зоне тлеющего разряда происходит ионизация молекул.
Образующиеся при этом катионы вначале имеют значительно меньшую скорость,чем освободившиеся электроны. Поэтому на границе зон 2и3концентрация положительных ионов значительно выше концентрации электронов. Здесь возникаетположительный пространственный заряд, который вызывает появление катодногопадения потенциала. Часть образовавшихся ионов рекомбинируют с электронами, в результате чего возникает свечение, а частьдвижется к катоду и процесс повторяется. Освобожденные при этом электроны и, потерявшие в процессе ионизацииэнергию эмитированные, ускоряются в фарадеевом пространстве и попадаютв область положительного столба. В этой области концентрации катионов и электронов близки. Электроны постоянно часть молекул возбуждают, а часть ионизируют. Параллельно происходит рекомбинация и переход возбужденныхмолекул в основное состояние. Оба процесса сопровождаются излучением света.Причем, при переходе молекул из возбужденного состояния в основное у каждогогаза излучению соответствует определенная длина волны. Поэтому свечение каждого газа имеет свой цвет.
Доказательством того, что основные процессы, поддерживающие разряд, про-
исходят в его катодной части, является опыт с движущимся анодом. Если
в газоразрядной трубке катод придвигать к аноду, то катодные части разряда остаются без изменений, а длина положительного столба уменьшается до полногоисчезновения. При дальнейшем движении исчезает Фарадеево пространство и сокращается тлеющее свечение. Его граница с катодным темным пространствомостается неподвижной. У непосредственной близости анода к этой границе разрядпрекращается.
Тлеющий разряд широко используется в самых разнообразных осветительных
приборах (газосветные трубки, лампы дневного света, неоновые ламп, лампы
вспышки и т. д.).
Дуговой разряд. Открыт в 1802 г. русским физиком В.В. Петровым(1761–1834). Происходит при большой плотности тока и при напряжении междуэлектродами в несколько десятков вольт. Может протекать при низком давлении(несколько сот Па) и при высоком давлении (до 108 Па). Основным процессом,поддерживающим разряд, является эмиссия электронов с поверхности раскаленного катода. В лабораторных условиях получить разряд проще всего, подключивдва приведенные в соприкосновение угольные электроды к источнику постоянного тока, а затем медленно развести. Между электродами вспыхивает ослепительнояркое свечение. Бомбардировка электронами анода создает в нем углубление, называемое кратером дуги. При атмосферном давлении температура в кратередостигает 4000 К. Для сравнения температура на поверхности солнца 6000 К. Устойчивую дугу всегда можно получить при высокой температуре катода.
В тлеющем разряде катионы, бомбардирующие катод, не только выбивают электроны, но и разогревают его. Если увеличивать силу тока в тлеющем разряде,катод может разогреться до температуры, при которой начнется заметная термоэлектронная эмиссия, и тлеющий разряд превратится в дуговой. В таком разрядеисчезает катодное падение потенциала.
В отличие от описанного выше разряда существует дуга с холодным катодом.
Электродами в такой дуге служит жидкая ртуть, помещенная в баллон, из
которого откачан воздух. Разряд происходит в парах ртути. Температура электродов не превышает нескольких сотен градусов, поэтому термоэлектроннаяэмиссия не играет заметной роли. Разряд существует за счет автоэлектроннойэмиссии. Это означает, что электроны из поверхности катода эмитируют за счетсильного электрического поля. Поле же создается положительным пространственным зарядом, образованным ионами. Ионизация молекул, как и в тлеющемразряде, происходит за счет электронных лавин.
Дуговой разряд используется в качестве мощных источников света в разного
рода осветительных и проекционных приборах, для резки и сварки металлов. Автоэлектронные дуги с ртутным катодом применяются для выпрямления
переменного тока.
Искровой разряд. Неустойчивый разряд, который возникает в газе между
двумя электродами при атмосферном давлении в мощных относительно однородных электрических поля. Напряженность электрического поля, при
которой возникает разряд, называется напряженностью пробоя или критическойнапряженностью. Разряд имеет вид прерывистых ярких зигзагообразных разветвленных каналов ионизированного газа. Каналы пронизывают разрядныйпромежуток, исчезают, появляются вновь, сменяя друг друга. Разряд сопровождается выделением большого количества теплоты, ярким свечением и шумовымэффектом. Максимальная сила тока в мощных искровых разрядах достигает значений порядка нескольких сотен кА. В природных условиях искровой разряднаблюдается в виде молний.
Развитие разряда объясняет стримерная теория электрического пробоя газов,
согласно которой возникновению ярко светящегося канала искры предшествуетпоявление слабо светящихся скоплений ионизированных частиц (стримеров).
Коронный разряд. Газовый разряд, который можно наблюдать при атмосферном давлении в сильно неоднородных электрических полях. Такие полясоздаются электродами с большой кривизной поверхности (острия, провода и т. д.).
