С.Г. Калашников - Электричество (1115533), страница 81
Текст из файла (страница 81)
Поэтому плотность тока ъ равна ьь — — йп+Ь+Š— дР+ — „'. (168.3) Аналогичное выражение получается и для плотности тока у вызванного движением отрицательных ионов Нужно только учесть, что вследствие отрицательного заряда ионов направление тока противоположно направлению потока диффузии, и поэтому =дп Ь Е+оР (168.3а) Полная плотность тока в иопизованном газе есть у' = у++у- (168.4) Концентрации гьь и и в ионизованном газе могут быть не равны друг другу. Поэтому, в отличие от металлов, в газовых проводниках при наличии тока появляются объемные заряды, которые обусловливают сложное распределение электрического поля между электродами. Второе обстоятельство, сильно отличающее газовые проводники от металлов, заключается в следующем В металлах концентрация электронов есть величина постоянная, не зависящая от напряженности поля и плотности тока и определяемая только природой данного металла.
В ионизованном же газе носители заряда (ионы и электроны) могут возникать в процессе разряда, например в результате ионизации электронными ударами. Поэтому концентрации ионов пч. и и могут зависеть от напряженности поля. Указанные причины приводят к тому, что газовые проводники, как правило, не подчиняются закону Ома. 8 169. Несамостоятельные и самостоятельные разряды Рассмотрим цепь, содержащую источник напряжения, Газовый промежуток и переменное сопротивление г, которое можно изменять в широких пределах (рис.
290). Цепь содержит также токоизмерительный прибор А и вольтметр Ъ'. Предположим сначала, что на газовый промежуток воздействует какой-либо ио- 1 1бэ несамОстОятельные и сАМООТОятельные РАзРяды 389 низатор, например ультрафиолетовые лучи, падающие на отрицательный электрод и освобождающие из него фотоэлектроны. От этого газ приобретет некоторую электропроводность и в цепи появится ток. Если плавно уменьшать сопротивление г в цепи газового промежутка, то сила тока будет сначала увеличиваться, что связано с увеличе- А вием напряжения между электродами и объясняется уменьшением пространственного заряда между ними.
При „ч дальнейшем уменьшении сопротивления напряжение на электродах достигнет такого значения, при котором все образующиеся ионы доходят до положительного электрода, и мы получим ток насыщения г„сила которого зависит только от интенсивности ионизатора (рис. 291). Наблюдаемые при этом тенин воль ампо но1 токи очень малы (обычно микроампе- ракте нет т восо ры и меньше, в зависимости от интенсивности ионизатора).
Если в одном из режимов разряда, изображаемых ветвью характеристики Оа, прекратить действие ионизатора, то и разряд прекращается. Подобные разряды, У существующие только при действии внешнего ионизатора, получили название несамостоятельных газовых а разрядов, Если продолжать уменьшать сопротивление цепи т, то ток через разрядный промежуток начинает сильно возрастать, хотя напряжение повышается сравнительно мало Это соответствует участку характеристики аб (рис. 291).
! Возрастание тока на участке характе- ристики аб показывает, что в газовом 0 промежутке появляются новые ионы. Если еще уменьшить сопротивле- ние г, то разряд приобретает совсем Рис 291 Вольт-ампернан ка акте истнка несамо- другой характер. Сила тока в раэрядр товтекьнотоои азо~ ~т, раа резко возрастает (в сотни и тысячи раз) и в газе появляются сильно выраженные световые и тепловые эффекты. Если теперь прекратить действие ионизатора, то разряд продолжается. Это значит, что ионы, необходимые для поддержания электропроводности газа, создаются самим разрядом в резуль- 390 ГЛ ХЧ1 РАЗРЯДЫ В ГАЗАХ тате процессов, происходящих в разряде. Такие газовые разряды называют самостоятельными разрядами.
Напряжение, при котором возникает самостоятельный разряд, называется напрллсением пробоя газового промежутка или напрлокением аажиэпнил газового разряда. В зависимости от того, какие именно процессы образования ионов в разряде играют главную роль, мы говорим о различных формах, или типах, самостоятельных разрядов. Так, например, мы различаем коронный, искровой, дуговой, тлеющий и другие разряды. Эти формы разряда отличаются друг от друга свойствами и внешним видом.
9 170. Возникновение самостоятельных разрядов Посмотрим теперь, каким образом несамостоятельный разряд в газе может перейти в самостоятельный. Одна из первых количественных теорий возникновения самостоятельного разряда в газах была предложена Таунсендом. Как выяснилось впоследствии, эта теория имеет ограниченную применимость и приложима только к некоторым формам газового разряда. Однако она хорошо разъясняет саму возможность превращения несамостоятельного разряда в самостоятельный. Представим себе, что под действием какого-либо внешнего ионизатора, например ультрафиолетовых лучей, из катода вылетел электрон. На длине свободного пробега он будет двигаться в электрическом поле ускоренно и перед столкновением приобретет определенную кинетическую энергию.
Если эта энергия равна или больше энергии ионизации атомов ~~Я~~~~~~~~~Я~Я~ газа, то при соударении атом будет ионизирован, в результате чего появятся один новый электрон и один положительный ион. Положительные ионы будут двигаться по направлению к катоду, а электроны — к аноду (рис. 292: черные точки — электроны, светлые кружки — нейтральные атомы). После соударения электроны будут опять набирать энергию, и при следующем соударении появятся уже четыре электрона. После третьей иоРио. 292.
С"емаоогааованнн низации их будет восемь, после четвлектронной лавины вертой — шестнадцать и т.д. Поэтому общее число электронов и ионов будет возрастать лавинообразно по мере продвижеяия электронов к аноду. Обозначим через а 1 170 ВОзникнОВение сАМООТОятельных РАзРядОВ 391 число пар электронов и ионов, образуемых одним электроном на единице длины пути (коз44~ициент обвея!мой ионизации). Так как энергия, приобретаемая электронами на пути свободного пробега, тем больше, чем больше напряженность электрического поля Е в газе, то и коэффициент а зависит от напряженности поля. Этот коэффициент меняется также с изменением давления газа р, так как число актов ионизации зависит от числа соударений, испытываемых электроном на единице длины пути, а это последнее пропорционально давлению газа.
Путем простых теоретических рассуждений можно легко установить, что для данного газа частное агр есть функция отношения напряженности поля к давлению газа, т е lр = 7(8(р), (170.1) где вцц функции 7 зависит от рода газа. Эта формула хорошо согласуется с опытом и оказывается весьма полезной, так как позволяет выразить зависимость о от двух переменных Е и р при помощи одной кривой, определяемой уравнением (170.1). Рассмотрим теперь столб газа, заключенный между плоскими электродами, и найдем ионизапию в слое газа толщины с)х, находящемся на расстоянии х от катода (рис. 293). Один электрон на пути дх создает аг1х пар ионов. Если в рассматриваемый слой влетают 1 1 со стороны катода не один, а п элек- 1 1 тронов, то увеличение числа электронов на пути дх будет равно п1п = паях. (170.2) х ! 1Нх В дальнейшем для простоты мы бУДем считать, что возникаюшие ио- Рис.
293. К расчету ектро— ны не изменяют существенно влек- н й трическое поле, которое таким образом остается однородным и при нонизации. Поэтому и коэффициент а мы будем считать величиной постоянной, не зависящей от х. Тогда, интегрируя (170.2), находим и = Снох где С вЂ” постоянная интегрирования. При х = О, т.е. на самом катоде, г! равно числу электронов по, производимых внешним ионизатором. Поэтому С = по. Полагая х = 11, где д — расстояние между катодом и анодом, мы находим окончательно число электронов па, попадающих на анод: па = пое (170.3) Легко видеть, что па может на много порядков превышать по.
Пусть, например, на 1 м пути возникают 300 пар ионов (а = 300 м 1). Если расстояние между катодом и анодом 392 РАЗРЯДЫ В ГАЗАХ ГЛ ХН1 равно 3 см = 3 10 ~ м, то один первичный электрон, вылетаюзоо з ш-' щий с катода, вызовет появление у анода езоо 1о = е 10" электронов, т.е. произойдет огромное размножение электронов вследствие образования электронной лавины. Возникновение электронных лавин в газе, однако, еще не представляет собой самостоятельный разрцд.
Так, например, полагая в формуле (170.3) по = О, мы получаем и и, = О, т.е, при выключении внешнего ионизатора исчезает и ток анода. Чтобы разряд был самостоятельным, нужно, чтобы электронные лавины поддерживали сами себя, т.е. чтобы в газе происходил еще и другой процесс (или процессы), непрерывно производящий новые электроны взамен ушедших на анод. Один из важных процессов такого рода заключается в образовании вторичной электронной эмиссии с катода под действием бомбардировки положительными ионами. Если положительный ион при своем движении к катоду приобретает достаточную энергию, то он может выбить из катода некоторое число электронов (ср. 3 163). Этот процесс можно охарактеризовать коэффициентом вторичной эмиссии у (ср, 9 1б3), который показывает, сколько вторичных электронов выбивает с катода один положительный ион.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
