Учебник - Электричество - Калашников С.Г. (1238776), страница 83
Текст из файла (страница 83)
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. 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.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
