С.Г. Калашников - Электричество (1115533), страница 82
Текст из файла (страница 82)
Величина у зависит от скорости ионов, их природы и материала катода. Таунсенд показал, что одновременное существование обоих процессов, т.с, объемной и поверхностной ионизаций, может привести к самостоятельному разряду. Вернемся опять к рис 293 и предположим сначала, что между электродами имеется установившийся несамостоятельный газовый разряд. Обозначим полное число электронов, выходящих с катода за 1 с (образованных и внешним ионизатором, и вторичной эмиссией), через пы Согласно формуле (170.3) в результате объемной ионизации число электронов, попадающих на анод, возрастет до величины по = п|е (170.4) Следовательно, число новых электронов, возникших в лавине, равно и, — п1 = пу(е — 1).
Таким же будет и число образовавшихся в лавине положительных ионов. Положительные ионы, обрушиваясь на катод, выбьют упу(е~ — 1) вторичных электронов. Это число электронов, сложенное с числом электронов по, производимых за 1 с внешним ионизатором, равно, очевидно, полному числу п1 электронов, вышедших с катода; поэтому по + уп1(е ~ — 1) = пы 1 170 ВОзникнОВение самостоятельных РАзРядОВ 393 Или, иначе пе П7 —— 1 — у(е " — 1) Подставляя это выражение в (170.4), мы можем выразить число электронов, ежесекундно приходящих на анод, в следующем виде: Па (170.5) Полученное выражение разъясняет возникновение самостоятельного разряда. Действительно, предположим, что мы постепенно увеличиваем напряженность электрического поля.
При этом будут возрастать значения гг и 7, и и, будет непрерывно увеличиваться. При некоторой напряженности поля будет выполнено условие .7(е — 1) = 1, (170.б) и знаменатель формулы 1170.5) обратится в нуль. Значение и. будет неограниченно возрастать даже при любом, сколь угодно малом, значении по. Следовательно, внешний ионизатор здесь уже не нужен, и мы имеем превращение несамостоятельного разряда в самостоятельный. Условие (170.6) есть условие зажигания газового разряда. Отметим, что в действительности, конечно, никакого бесконечного возрастания числа электронов и, не будет Так как цепь разряда имеет определенное сопротивление, то прн значительном увеличении тока разряда будет уменыпаться напряжение на газоразрядном промежутке, а следовательно, и электрическое поле,и поэтому в газе установится конечный ток, зависящий от ЭДС источника и сопротивления цепи Теория Таунсенда в дальнейшем подверглась многочисленным дополнениям и уточнениям Так, например, выше мы предполагали, что электроны на катоде возникают только под действием положительных ионов.
Между тем в разряде могут происходить и другие процессы, приводящие к возникновению электронов. Таким процессом может быть освобождение электронов с катода, вызванное излучением самого разряда (так называемый фогпоэлекгпрический эффекгп). Электроны, необходимые для поддержания лавины, могут возникнуть также в объеме газа при соударении атомов с положительными ионами (это было учтено уже самим Таунсендом) или в результате фотоионизации. Далее нужно учесть и то изменение электрического поля, которое вызывается объемными зарядами при ионизации газа. Эти процессы часто имеют место в газовом разряде одновременно, и поэтому точная теория самостоятельных газовых разрядов весьма сложна. 394 гл хчг РАЗРЯДЫ В ГАЗАХ й' 171.
Тлеющий разряд Процессы, рассмотренные выше, играют важную роль в возникновении и поддержании так называемого тлеющего разряда. Эту форму газового разряда удобно наблюдать при пониженном давлении газа. Если к электродам, впаянным в стеклянную трубку длиной 30-50 см, приложить постоянное напряжение в несколько сот вольт и затем постепенно откачивать воздух из трубки, то наблюдаются следующие явления. При атмосферном давлении приложенное напряжение недостаточно для пробоя газа и трубка остается темной.
При уменьшении давления газа в некоторый момент в трубке возникает разряд, имеющий вид светящегося шнура, соединяющего анод и катод трубки. При дальнейшем уменьшении давления этот шнур расширяется и заполняет все сечение трубки, а свечение вблизи катода ослабевает. При давлениях газа порядка 0,1 — 0,01 мм рт. ст. разряд имеет вид, изображенный на рис. 294. Непосредственно к катоду прилегает тонкий светящийся слой (первое катодное свечение, К Рис г94.
Основные части тлеющего разряда или катоднал пленка (1)), за которым следует темный слой, получивший название катодного гиемного пространства (й). Это темное пространство затем переходит в светящийся слой (тлеюо4ее свечение (у)), который имеет резкую границу со стороны катода и постепенно исчезает со стороны анода. За тлеющим свечением наблюдается опять темный промежуток, называемый вторым или 4ерадеевьсм тпемным просгаранством (4 ). Указанные части называются катодными частями разряда, За вторым темным пространством лежит светящаяся область, простирающаяся до анода, или положительный столб (Б). В некоторых случаях этот столб распадается на ряд слоев, или страт. Особое значение в тлеющем разряде имеют только две его части — катодное темное пространство и тлеющее свечение, в которых и происходят основные процессы, поддерживающие разряд.
Если в газоразрядной трубке сделать анод подвижным и ТЛЕЮ1ЦИЙ РАЗРЯД 395 1 171 постепенно придвигать его к катоду (рис. 294), то все катодные части остаются неизменными, а укорачивается только положительный столб. При дальнейшем уменьшении длины разрядного промежутка начинает укорачиваться второе катодное темное пространство, и когда анод попадает в тлеющее свечение, оно исчезает вовсе. Однако при этом разряд продолжает существовать.
Когда же анод при дальнейшем уменьшении расстояния подходит к границе между первым катодным пространством и тлеющим свечением, разряд гаснет. Характерным для тлеющего разряда является особое распределение потенциала по длине трубки. Его можно определить, впаивая в трубку ряд дополнительных электродов — зондов, расположенных в различных местах трубки, и присоединяя между катодом и соответствующим зондом вольтметр с большим сопротивлением. Тогда получается кривая распределения потенциала, изображенная на рнс. 295. Она показывает, что почти все падение потенциала в разряде приходится на область катодного темного У пространства.
Эта разность потенциалов между катодом и границей тлеющего свечения получила название катодного падения потенциала. Опыт показывает, что если сила тока в разряде не очень велика, то катодное падение потенциала не зависит от силы тока (нормальное катОДнОЕ паленне Ряс 295. Распред е е по а в потенциала). Изменение си- щ „ „, „дс лы тока изменяет лишь размер светящейся поверхности на катоде, которая увеличивается с увеличением силы тока. Когда же сила тока достигает такого значения, что катодная пленка покрывает всю поверхность катода, катодное падение потенциала начинает возрастать с увеличением силы тока (аномальное катодное падение потенциала).
Существенным для понимания процессов в тлеющем разряде является то обстоятельство, что нормальное катодное падение потенциала зависит лишь от материала катода и рода газа, причем катодное падение потенциала оказывается пропорциональным работе выхода электронов из катода. Рассмотренные свойства тлеющего разряда приводят к следующей картине процессов, поддерживающих разряд. Положительные ионы, образующиеся в результате ноннзации электрон- 396 гл хш РАЗРЯДЫ В ГАЗАХ ными ударами (в тлеющем свечении и в положительном столбе), движутся к катоду и, проходя через область катодного падения потенциала, приобретают значительную энергию. Под действием интенсивной бомбардировки быстрыми положительными ионами (а также вследствие фотоэффекта, вызванного излучением разряда) с катода вылетают электроны, которые движутся к аноду.
Эти электроны в области катодного падения потенциала сильно ускоряются и при последующих соударениях с атомами газа их ионизируют. В результате опять появляются положительные ионы, которые, снова устремляясь на катод, производят новые электроны и т.д. Таким образом, основными процессами, поддерживающими разряд, являются ионизация электронными ударами в объеме и вторичная электронная эмиссия на катоде.
Существование катодного темного пространства объясняется тем, что электроны начинают сталкиваться с атомами газа не сразу, а лишь на некотором расстоянии от катода. Ширина катодного темного пространства приблизительно равна средней длине свободного пробега электронов: она увеличивается с уменьшением давления газа. В катодном темном пространстве электроны, следовательно, движутся практически без соударений. Распределение концентраций положительных ионов и электронов в различных частях разряда весьма неодинаково.
Так как положительные ионы движутся гораздо медленнее, нежели электроны, то у катода концентрация ионов значительно больше, чем концентрация электронов. Поэтому вблизи катода возникает сильный пространственный положительный заряд, который и вызывает появление катодного падения потенциала. Напротив, в области положительного столба концентрации положительных ионов и электронов почти одинаковы и здесь пространственного заряда нет. Благодаря большой концентрации электронов положительный столб обладает хорошей электропроводностью и поэтому падение напряжения на нем весьма мало (см.
рис. 295). Так как в положительном столбе имеются и положительные ионы, и электроны, то здесь происходит интенсивная рекомбинация ионов, чем и объясняется свечение положительного столба (свечение рекомбинации; ср. 9 166). Мы видим, что катодное падение потенциалов необходимо для поддержания тлеющего разряда. Именно благодаря его наличию положительные ионы приобретают необходимую энергию для образования интенсивной вторичной электронной эмиссии с катода, без которой тлеющий разряд не мог бы существовать. Поэтому катодное падение потенциала есть наиболее характерный признак тлеющего разряда, отличающий эту форму газового разряда от всех других форм.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
