physics_saveliev_2 (535939), страница 53
Текст из файла (страница 53)
В разреженном газе (Х обратно пропорциональна давлению) и при достаточно большой напряженности глот поля Е работа (88.2) может превосходить энергию 6в передаваемую в среднем молекуле при каждом столкновении. Поэтому энергия хаотического движения электрона будет расти. В конце концов она достигнет значечения, достаточного для того, чтобы возбудить или ионизпровать молекулу. Начиная с этого момента часть соударений перестает быть упругой и сопровождается большой потерей энергии.
Поэтому средняя доля передаваемой энергии 6 увеличивается. Таким образом, энергию, необходимую для ионизация, электроны приобретают ие за один свободный пробег, а постепенно накапливают ее на протяжении ряда пробегов, Ионизация приводит к возникновению большого количества электронов и положительных ионов— появляется плазма. ') Согласно формуле (87.!) нри нентральиом ударе 6 = 4т)М. В случае, когда электрон и молекула лишь слегка «задевают» друг друга, 6 = О, Энергия электронов плазмы определяется условием, что средняя величина работы, совершаемой полем над электроном за один свободный пробег, равна средней величине энергии, отдаваемой электроном при соударении с молекулой: Л глот еЕВ= = 6— о 2 (в этом соотношении 6 есть сложная функция скорости В). Опыт показывает, что для электронов в газоразрядной плазме имеет место максвелловское распределение по скоростям.
Вследствие слабого взаимодействия электронов с молекулами (6 при упругом ударе очень мало, а относительное количество неупругих. соударений незна. чительно) средняя скорость хаотического движения электронов оказывается во много раз больше скорости, соответствующей температуре газа Т„. Если ввести температуру электронов Тм определив ее из соотношения глот 3 — = — йТ, 2 2 э то для Т, получается значение порядка нескольких десятков тысяч градусов.
Отличие Т, и Т, свидетельствует о том, что между электронами и молекулами в газоразрядной плазме нет термодинамического равновесия '). Концентрация носителей тока в плазме очень велика. Поэтому плазма обладает хорошей электропроводностью. Подвижность электронов, как уже отмечалось, примерно на три порядка больше, чем у ионов, вследствие чего ток в плазме создается в основном электронами.
9 89. Тлеющий разряд Самостоятельный разряд принимает разнообразные формы в зависимости от давления газа, конфигурации электродов и параметров внешней цепи. Физические явления, которыми сопровождается разряд, очень сложны. Мы ограничимся кратким рассмотрением основных видов самостоятельного разряда, опуская ряд деталей. ') В высокотемпературной плазме средняя энергия молекул, электронов и ионов одинакова. Этим объясняется ее другое название — изотермическая. Тлеющий разряд возникает при низких давлениях.
Его можно наблюдать в стеклянной трубке длиной около 0,5 и, с впаянными у концов плоскими металлическими электродами (рис. 190). На электроды подается напряжение порядка 1000 в. При атмосферном давлении ток через трубку не течет. Если понижать давление в трубке, то примерно при 40 мм рт. ст. возникает разряд в виде светящегося извилистого тонкого шнура, соединяющего каторжное па3ен~е по~пенцнпла Рис.
190. анод с катодом. По мере понижения давления шнур утолщается и приблизительно при 5 мм рт. ст. заполняет все сечение трубки — устанавливается тлеющий р аз ряд. Его основные части показаны на рис. 190. Вблизи катода располагается тонкий светящийся слой, называемый к а. т од н о й с в е т я щ е й с я п л е н к о й Я. Между катодом и светящейся пленкой находится астоново темное про стр а нет во 4. По другую сторону светящейся пленки помещается слабо светящийся слой, по контрасту кажущийся темным и называемый круксовым темны и пр остр ан ств ом 5.
Этот слой переходит в светящуюся область, которую называют т л е ю щ и м с в еч е н н е м 2. Все перечисленные выше слои образуют катодную часть тлеющего разряда. С тлеющим свечением граничит темный промежуток — ф а р а д е е в о т е м н о е п р о с т р а н с т в о б. Граница между ними размыта. Вся остальная часть трубки заполнена светящимся газом; ее называют положи- т е л ь н ы м с т о л б о м 1. При понижении давления катодная часть разряда и фарадеево темное пространство расширяются, а положительный столб укорачивается.
При давлении порядка 1 мм рт. ст. положительный столб распадается на ряд чередующихся темных и светлых изогнутых слоев — с т р а т. Измерения, проведенные с помощью зондов (тоненьких проволочек, впаянных в разных точках вдоль труб. ки), а также другими методами, показали, что потенциал изменяется вдоль трубки неравномерно (см. график на рис.
190). Почти все падение потенциала приходится нй первые три участка разряда по круксовр темное про. странство включительно (к а т о д н о е п а д е п и е п о~ те н ци ал а). В области тлеющего свечения потенциал не изменяется — здесь напряженность поля равна нулю. Наконец, в фарадеевом темном пространстве и положи тельном столбе потенциал медленно растет, Такое рас. пределение потенциала вызвано образованием в области круксова темного пространства положительного пространственного заряда, обусловленного повышенной концентрацией положительных ионов.
Основные процессы, необходимые для поддержания тлеющего разряда, происходят в его катодной части. Остальные части разряда не существенны, они могут даже отсутствовать (при малом расстоянии между элен . тродами или при низком давлении). Основных процессов два. Это — вторичная электронная эмиссия из катода, обусловленная бомбардировкой его положительными ионами, и ударная ионизация электронами молекул газа. Положительные ионы, ускоренные катодным падением потенциала, бомбардируют катод н выбивают из него электроны. Вторичные электроны вылетают из катода о небольшой скоростью.
В астоновом темном пространстве они ускоряются электрическим полем. Приобретя достаточную энергию, электроны начинают возбуждать молекулы газа, в результате чего возникает катодная светя» щаяся пленка. Электроны, пролетевшие без столкнове~ ний в область круксова темного пространства, имеют большую энергию, вследствие чего они чаще ионизируют молекулы, чем возбуждают (см. рис.
187). Таким образом, интенсивность свечения газа уменьшается, но зато в круксовом темном пространстве образуется много электронов и положительных ионов. Образовавшиеся ионы вначале имеют очень малую скорость. Поэтому в круксовом темном пространстве создается положительный пространственный заряд, что приводит к перераспределению потенцизла вдоль трубки и к возникновению катодного падения потенциала. Электроны, возникшие при ионизации в круксовом темном пространстве, вместе с первоначальными электронами проникают 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 — поле не ускоряет электроны и ионы, 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 пространство электроны и положительные ионы проникают за счет диффузии (на границе между этими областями поле отсутствует, но зато имеется большой градиент концентрации электронов и ионов) . Вследствие меньшей концентрации заряженных частиц вероятность рекомбинации в фарадеевом темном пространстве сильно падает.
Поэтому фарадеево пространство и является темным. В фарадеевом темном пространстве уже имеется поле. Увлекаемые этим полем электроны постепенно накапливают энергию, так что в конце концов возникают условия, необходимые для существования плазмы. Положительный столб представляет собой газоразрядную плазму.
Он выполняет роль проводника, соединяющего анод с катодными частями разряда. Свечение положительного столба вызвано переходом возбужденных молекул в основное состояние. Молекулы разных газов испускают при этом излучение разной длины волны. Поэтому свечение положительного столба имеет характерный для каждого 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. Нео- новые газоразрядные трубки дают красное свечение, аргоновые — синевато-зеленое и т, д. Если постепенно уменьшать расстояние между электродами, катодная 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 длина тлеющего свечения, причем положение границы этого свечения с круксовым темным пространством остается неизменным, Когда расстояние анода до этой границы делается очень малым, разряд прекращается.
В сигнальных неоновых л а м п а х (рис. !9!) электроды 22 сближены так, чго положительный столб в них отсутствует и излучение света обусловлено тлеющим свечением. Путем специальной обработки поверхностей электродов напряжение зажигания разряда можно снивить примерно до 50 в. Эти лампы применяются для сигнализации о наличии напряжения в данной сети. При понижении давления катод- Рнс. !9!.
ная часть разряда занимает все большую долю межэлектродного пространства. При достаточно низком давлении круксово 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 столк. новений 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 о д н ы х л у ч е й.
Свечение, вызываемое бомбардировкой быстрыми электронами, называется к а т о д ол ю и 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 329 ионов, называемый кан аловыми (или положи. т е л ь и ы м и) лучами. Такой способ полУчения пучка по~ ложительных ионов не утратил практического значения до наших дней. 9 90. Дуговой разряд В !802 г, В. В. Петров обнаружил, что при разведе. нии первоначально соприкасавшихся угольных электро.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
