Савельев - Курс общей физики Том 2 - Электричество (934756), страница 52
Текст из файла (страница 52)
Вблизи катода располагается тонкий светящийся слой, называемый к атодной светя щейся пленкой 8. Между катодом и светящейся пленкой находится а стопово те иное про стр аист во 4. По другую сторону светящейся пленки помещается слабо светящийся слой, по контрасту кажущийся темным и называемый кру к со в ым те иным пространством 5. Этот слой переходит в светящуюся область, которую называют тлеющим свечением 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- тель н ы и сто 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 потенциая изменяется вдоль трубки неравномерно (см. график на рнс. 190). Почти все падение потенциала приходигся нй первые три участка разряда по круксовр темное про странство включительно (катодное падение по» тенци зла). 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 алек» 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 и выбивают из него электроны. Вторичные электроны вылетают из катода с небольшой скоростью. В астоновом темном пространстве онн ускоряются электрическим полем. Приобретя достаточную энергию, электроны начинают возбуждать моле купы 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. рнс.
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 потенциала 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 свечении 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 н 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 взготовления светящихся надписей и реклам. Этн 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 н 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. 191) электроды 2г сближены так, что положительный столб в них отсутствует и излучение света обусловлено тлеющим свечением. Путем специальной обработки ,й' поверхностей электродов напряжение зажигания разряда можно снизить примерно до 50 в. Эти лампы применяются для сигнализации ' ' =-'=- 1' о наличии напряжения в данной сети.
При понижении давления катод- Рнс. !91, ная часть разряда занимает все большую долю межэлектродного пространства. При достаточно низком давлении круксово темное пространство распространяетсн почти на весь сосуд. Свечение газа в этом случае перестает быть заметным, зато стен ки 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 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 каналовыми (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. 5 90. Луговой разряд В 1802 г, В. В. Петров обнаружил, что при разведе.
нии первоначально соприкасавшихся угольных электродов, подключенных к большой гальванической батарее, между электродами вспыхивает ослепительное свечение. При горизентальном расположении электродов нагретый светящнйсн газ изгибается в виде дуги, в связи с чем открытое В. В. Петровым явление было названо вол ьто в о й (или электрической) ду го й. Сила тока в дуге может достигать огромных значений (тысячи н десятки тысяч ампер) при напряжении в не.
сколько десятков вольт. Дуговой разряд может протекать как при низком (порядка нескольких миллиметров ртутного столба), так и при высоком (до 1000 ат) давлении. Основными процес сами являются термоэлектронная эмиссия с раскаленной поверхности катода и термическая ионизация молекул, обусловленная высокой температурой газа. Почти все межэлектродное пространство заполнено высокотемпературной плазмой. Она служит проводником, по которому электроны, испущениые катодом, достигают анода.
Рис. 192. Температура плазмы составляет около 6000' К. В дуге сверхвысокого давления (до 1000 ат) температура плазмы может достигать 10 000' К (напомним, что температура поверхности Солнца равна 5800' К). Вследствие бомбардировки положительными ионами катод раскаляется примерно до 3500'К. Анод, бомбардируемый мощным потоком электронов, разогревается еще больше. Это приводит к тому, что анод интенсивно испаряется и на его поверхности образуется углубление — кратер. Кратер является самым ярким местом дуги.
Дуговой разряд обладает падающей вольт-амперной характеристикой (рнс. 192). Это объясняется тем, что прн увеличении силы тока возрастают термоэлектронная эмиссия с катода и степень ионизации газоразрядного промежутка. Кроме описанной выше термоэл ектронной дуги (т.
е. разряда, обусловленного термоэлектронной эмиссией с раскаленной поверхности катода) бывает дуга с холодны м катодом. В качестве катода в этом случае служит обычно жидкая ртуть, налитая в баллон, из которого удален воздух. Разряд происходит в парах ртути. Электроны вылетают из катода за счет автоэлектронной эмиссии. Необходимое для этого сильное поле у поверхности катода создается положительным пространственным зарядом, образованным ионами. Электроны испускаются не всей поверхностью катода, а небольшим ярко светящимся и непрерывно перемещающимся катодным и ятио м. Температура газа в этом случае невелика, Ионизация молекул в плазме происходит, как и при тлеющем разряде, за счет электронных ударов.
Луговой разряд находит разнообразные применения. В 1882 г. русский инженер Н. Н. Бенардос предложил использовать электрическую дугу для сварки металлов. В 1888 г. Н. Г. Славянов усовершенствовал электросварку, заменив угольныеэлектроды металлическими. Электрическая дуга применяется в качестве мощного источника света. В дуговых Рас ШЗ. лампах сверхвысокого давлен и я (лампах СВД) разряд происходит между вольфрамовыми электродами в атмосфере паров ртути при давлении до 100 ат или в инертном газе (неоне, аргоне„ криптоне или ксенонс) при давлении до 20 ат. Лампа такого типа изображена на рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
