И.В. Савельев - Курс общей физики. Том 2. Электричество и магнетизм, волны, оптика (1115514), страница 49
Текст из файла (страница 49)
В астоновом темном пространстве эти электроны ускоряются электрическим полем. Приобретя достаточную энергию, они начинают возбуждать молекулы газа, в результате чего возникает катодная светящаяся пленка. Электроны, пролетевшие без столкновений .в область катодного темного пространства, имеют большую энергию, вследствие чего они чаще иаиизируют молекулы, чем возбуждают (см. графики на рис.
83.1). Таким образам, интенсивность свечения газа уменьшается, ио зато образуется много электронов и положи1ельиых ионов. Образовавшиеся ионы вначале имеют оченьмалую скорость. Поэтому в катодном темном пространстве создается положительный пространственный заряд, что приводит к перераспределению потснциала вдоль трубки и к возникновению катодного падения потенциала. Электроны, возникшие в катодном темном пространстве, про1шкают в область тлеющего свечения, которая характеризуется высокой концентрацией электронов и положительных ионов и суммарным пространственным зарядом, близким к нулю (плазма).
Поэтому напряженность поля здесь очень мала. Благодаря высокой концентрации электронов и ионов в области тлеющего свечения идет интенсивный процесс рекомбинации, сопровождающийся излучением выделяющейся при этом энергии. Таким образом, тлеющее свечение есть в основном свечение рекомбинации.
Из области тлеющего свечения в фарадеево темное прострюштво электроны и ионы проникают за счет диффузии (на границе между этими областями поле отсутствует, но зато имеется большой гра- зеь тлеющий влзвяд диент концентрации электронов и ионов). Вследствие меньшей концентрации заряженных частиц вероятность рекомбинации в фарадеевом темном пространстве сильно падает. Поэтому фарадеево пространство и кажется темным. В фарадеевом темном пространстве уже имеется поле. Увлека. емые этим полем электроны постепенно накапливают энергию, так что в конце концов возникают условия, необходимые для суще.
ствования плазмы. Положительный столб представляет собой газо- разрядную плазму. Он выполняет роль проводника, соединяющего анод с катодиыми частями разряда. Свечение положительного столба вызвано в основном переходами возбужденных молекул в основное состояние. Молекулы разных газов испускают при таких переходах излучение разной длины волны. Поэтому свечение положительного столба имеет характерный для канского газа цвет.
Это обстоятельство используется в газосветных трубках для изготовления светящихся надписей и реклам. Эти надписи представляют собой не что иное, как положительный столб тлеющего разряда. Неоновые газоразрядные трубки дают красное свечение, аргоновые — синевата-зеленое и т. д. Если постепенно уменьшать расстояние между электродами, катодиая часть разряда остается без изменений, длина же положительного столба уменьшается, пока этот столб не исчезает совсем. В дальнейшем исчезает фарадеево темное пространство и начинает сокращаться протяженность тлеющего свечения, причем положение границы этого свечения с католным темным пространством остается неизменным.
Когда расстояние анода до этой границы становится очень малым, разряд прекращается. Если постепенно понижать давление, катодная часть разряда распространяется на все ббльшую часть межэлектродного пространства, и в конце концов катодное темное пространство распространяется почти на весь сосуд. Свечение газа в этом случае перестает быть заметным, зато стенки трубки начинают светиться'зеленоватым свечением. Большинство электронов, выбитых из катода и ускоренных катодным падением потенциала, долетает без столкновений с молекулами газа до стенок трубки и, ударяясь о них, вызывает свечение. По историческим причинам поток электронов, испускаемый катодом газоразрядной трубки при очень низких давлениях, получил название к а т од н ы х л у ч е й.
Свечение, вызываемое бомбардировкой быстрыми электронами, называется к а т о д ол ю м и н е с ц е н ц и е й. Если в катоде газоразрядной трубки сделать узкий канал, часть положительных ионов проникает в пространство за катодом и образует резко ограниченный пучок ионов, называемый к а н аловыми (или положительными) лучами. Именно таким способом были впервые получены пучки положительных ионов.
254 гл. хп. злвктяичвскив ток в глзах ф 86. Дуговой разряд В 1802 г. В. В. Петров обнаружил, что прп разведении первоначально соприкасавшихся угольных электродов, подключенных к большой гальванической батарее, между электродами вспыхивает ослепительное свечение. При горизонтальном располозкенни электродов нагретый светящийся газ изгибается в виде дуги, в связи с чем открытое В. В.
Петровым явление было названо э л е к т р ич е с к о й д у г о й. Сила тока в дуге может достигать огромных значений (10" —:!О' А) при напряжении в несколько десятков вольт. Дуговой разряд может протекать как при низком (порядка нескольких миллиметров ртутного столба), так и при высоком (до 1000 атм) давлении. Основными процессами, поддерживающими разряд, являются термоэлектронная эмиссия с раскаленной поверхности катода и термическая ионизация молекул, обусловленная высокой температурой газа в межэлектродном промежутке.
Почти все межэлектродное пространство заполнено высокотемпературной плазмой. Она служит проводником, по которому электроны, испущенные катодом, достигают анода. Температура плазмы составляет около 6000 К. В дуге сверхвысокого давления температура плазмы может достигать 1О 000 К (напомним, что температура поверхности Солнца равна 5800 К). Вследствие бомбардировки положительными ионами катод раскаляется примерно до 3600 К. Анод, бомбардируемый мощным потоком электронов, разогревается еще больше. Зто приводит к тому, что анод интенсивно ,Е испаряется и на его поверхности образуется углубление — кратер. Кратер является самым ярким местом дущь Дуговой разряд обладает падающей вольтамперной характеристикой (рис.
86.1). Это объясняется тем, что при увеличении силы тока возрастают термоэлектронная эмиссия рис ее! с катода и степень нонизации газоразряд- наго промежутка. В результате сопротивление этого промежутка уменьшается сильнее, чем возрастает ток. Кроме описанной выше термоэлектронной дуги (т. е. разряда, обусловленного термоэлектронной эмиссией с раскаленной поверхности катода), бывает дуга с холодным катодом.
Катодом такой дуги служит обычно жидкая ртуть, налитая в баллон, из которого удален воздух. Разряд происходит в парах ртути. Рлектроны вылетают из катода за счет автоэлектропной эмиссии. Необходимое для этого сильное поле у поверхности катода создается положительным пространственным зарядом, образованным ионами. Злектроны испускаются не всей поверхностью катода, 255 $ ЬК ИСКРОВОЙ И КОРОННЫЙ РАЗРЯДЫ а небольшим ярко светящимся и непрерывно перемещающимся катодным пятном. Температура газа в этом случае невелика. Ионизация молекул в плазме происходит, как и прн тлеющем разряде, за счет электронных ударов. $87.
Искровой и коронный разряды Искровой разряд возникает в тех случаях, когда напряженность электрического поля достигает пробивного для данного газа значения Е„. Значение ЕРР зависит от давления газа; для воздуха при атмосферном давлении оно составляет около 3 МВ/м (30 КВ!См). С увеличением давления Е„„возрастает. Согласно экспериментальному з а к о н у П а ш е н а отношение пробивной напряженности поля к давлению приблизительно постоянно: — "Р = сопз1.
Искровой разряд сопровождается образованием ярко светящегося извилистого, разветвленного канала, по которому проходит кратковременный импульс тока большой силы. Примером может служить молния; длина ее бывает до 1О км, диаметр канала— до 40 см, сила тока может достигать 100 000 и более ампер, продолжительность импульса составляет около !О ' с. Каждая молния состоит из нескольких (до 80) импульсов, следующих по Одному Рис. 57.!. и тому же каналу; нх общая длительность (вместе с промежутками между импульсами) может достигать нескольких секунд. Температура газа в искровом канале бывает до 10 000 К.
Быстрый сильный нагрев газа приводит к резкому повышению давления и возникновению ударных и звуковых волн. Поэтому искровой разряд сопровождается звуковыми явлениями — от слабого треска при искре малой мощности до раскатов грома, сопровождающих молнию. Возникновению искры предшествует образование в газе сильно ионизированиого канала, получившего название с т р и м е р а. Этот канал получается путем перекрытия отдельных электронных лавин, возникающих на пути искры. Родоначальником каждой лавины служит электрон, образующийся путем фотоионнзации.
Схема развития стримера показана на рис. 87.1. Пусть напряженность поля такова, что электрон, вылетевший за счет какого-либо процесса из катода, приобретает на длине свободного пробега энер- гл. хн. электгичсский ток 8 Глзлх гню, достаточн)ю для ионнзации. Поэтому происходит размножение электронов — возникает лавина (образующиеся при этом положительные ионы не играют существенной роли вследствие гораздо меньшей подвижности; они лишь обусловливают пространственный заряд, вызь.вающий перераспределение потенциала). Коротковолновое излучение, испускаемое атомом, у которого при ионизации был вырван один из внутренних электронов (это излучение показано на схеме волнистыми линиями), вызывает фотононизацию молекул, причем образовавшиеся электроны порол<дают все новые лавины.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
