Тлеющий разряд наблюдается при пониженных давлениях газа (порядка 0,1 мм рт. ст.). Если к электродам, впаянным в стеклянную трубку, приложить постоянное напряжение в несколько сот вольт и затем постепенно откачивать воздух из трубки, то наблюдается следующее явление: 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. Около катода образуется первое темное пространство 1, к которому прилегает ионный светящийся слой 2(тлеющее свечение), который имеет резкую границу со стороны катода и постепенно исчезает со стороны анода. За тлеющим свечением наблюдается опять темный промежуток 3, называемый фарадеевым или вторым темным пространством. За ним лежит светящаяся область 4, простирающаяся до анода, или положительный столб.

Искровой разряд, часто наблюдаемый в природе, -- молния. Молния -- это разряд между двумя заряженными облаками или между облаком и землей. Носителями зарядов в облаках являются заряженные капельки воды или снежинки.

Дуговой разряд можно наблюдать при следующих условиях: если после зажигания искрового разряда постепенно уменьшать сопротивление цепи, то сила тока в искре будет увеличиваться. Когда сопротивление цепи станет достаточно малым, возникнет новая форма газового разряда, называемого дуговым. При этом сила тока резко увеличивается, достигая десятков и сотен ампер, а напряжение на разрядном промежутке уменьшается до нескольких десятков вольт. Это показывает, что в разряде возникают новые процессы, сообщающие газу очень большую электропроводность.

Коронный разряд наблюдается при сравнительно высоких давлениях газа (например, при атмосферном давлении) в резко неоднородном электрическом поле. Для получения значительной неоднородности поля электроды должны иметь резко различающиеся поверхности, т.е. один электрод -- очень большую поверхность, а другой -- очень малую. Так, например, коронный разряд можно легко получить, располагая тонкую проволоку внутри металлического цилиндра, радиус которого значительно больше радиуса проволоки.

• 21. Эмиссионные явления и их применения
• 1. Термоэлектронная эмиссия -- это испускание электронов нагретыми металлами. С повышением температуры испускание электронов, растет и явление термоэлектронной эмиссии становится заметным. Явление термоэлектронной эмиссии используется в приборах, в которых необходимо получить поток электронов в вакууме, например в электронных лампах, рентгеновских трубках, электронных микроскопах и т.д.
• 2. Фотоэлектронная эмиссия -- это эмиссия электронов из металла под действием света, а также коротковолнового электромагнитного излучения (например, рентгеновского).
• 3. Вторичная электронная эмиссия -- это испускание электронов поверхностью металлов, полупроводников или диэлектриков при бомбардировке их пучком электронов. Вторичный электронный поток состоит из электронов, отраженных поверхностью, и «истинно» вторичных электронов -- электронов, выбитых из металла, полупроводника или диэлектрика первичными электронами. Отношение числа вторичных электронов n2 к числу первичных n1, вызвавших эмиссию, называется коэффициентом вторичной электронной эмиссии:

Явление вторичной электронной эмиссии используется в фотоэлектронных умножителях (ФЭУ), применимых для усиления слабых электрических токов.

• 4. Автоэлектронная эмиссия -- это эмиссия электронов с поверхности металлов под действием сильного внешнего электрического поля. Эти явления можно наблюдать в откачанной трубке, конфигурация электродов которой (катод -- острие, анод -- внутренняя поверхность трубки) позволяет при напряжениях примерно 103 В получать электрические поля напряженностью примерно 107 В/м. При постепенном повышении напряжения уже при напряженности поля у поверхности катода примерно 105 --106 В/м возникает слабый ток, обусловленный электронами, испускаемыми катодом. Сила этого тока увеличивается с повышением напряжения на трубке. Токи возникают при холодном катоде, поэтому описанное явление называется также холодной эмиссией.
• 22. Работа выхода электрона из металла

Электроны проводимости в металле находятся в беспорядочном движении. Наиболее быстро движущиеся электроны, обладающие достаточно большей кинетической энергией, могут вырываться из металла в окружающее пространство.

Работу, которую нужно совершить для удаления электрона из металла в вакуум называют работой выхода. Она равна

где е -заряд электрона, -потенциал выхода. Работа выхода производится электронами - за счет уменьшения их кинетической энергии. Поэтому понятно, что медленно движущиеся электроны вырваться из металла не могут. Работа выхода зависит от химической природы металла и состояния его поверхности загрязнения, следы влаги и пр. изменяют ее величину. Для чистых металлов работа выхода колеблется в пределах нескольких электронвольт. Электрон проводимости может вылететь из какого-либо металла в том случае, если его энергия превышает работу выхода электрона из металла.

На рис. 3-26, а показан внешний вид тлеющего разряда, характеризующийся чередованием темных и светящихся слоев газа, носящих названия:

1. первая катодная темная область;
2. первое катодное свечение;
3. вторая катодная темная область;
4. второе катодное свечение (катодное тлеющее свечение);
5. фарадеева темная область;
6. столб разряда;
7. анодная темная область;
8. анодное свечение.

Рис. 3-26. Тлеющий разряд:
а - внешний вид;
б -распределение интенсивности свечения;
в - распределение потенциала;
г - напряженность поля;
д - распределение объемных зарядов.

Катодное падение потенциала при нормальном тлеющем разряде (свечением покрыта только часть поверхности катода) зависит от материала катода и рода газа и не зависит от давления газа и тока (табл. 3-16).

Таблица 3-16

Ширина области нормального катодного падения потенциала зависит от материала катода и рода газа. Зависимость от давления газа определяется соотношением .

Для нормального тлеющего разряда характерна пропорциональность между площадью катода, покрытой свечением, и током, т. е. постоянная (нормальная) плотность тока на катоде (табл. 3-17).

Таблица 3-17

При изменении давления газа р0 нормальная плотность тока изменяется по закону

где - нормальная плотность тока на катоде при ; - постоянная, зависящая от геометрии электродов и рода газа. При плоских электродах обычно (для Ne=1,5).

Когда при увеличении анодного тока вся поверхность катода покрывается свечением, катодное падение потенциала начинает возрастать с увеличением плотности тока. Такое катодное падение называется аномальным катодным падением потенциала, а сам разряд называется аномальным тлеющим разрядом.

При аномальном тлеющем разряде увеличение плотности тока сопровождается уменьшением ширины участка катодного падения потенциала.

На рис. 3-27 приведены рассчитанные теоретически универсальные кривые зависимости аномального катодного падения потенциала и ширины участка катодного падения потенциала от плотности тока . Их совпадение с экспериментальными данными удовлетворительно для инженерных расчетов.

Рис. 3.27

Прикатодные области разряда 1-4 (рис. 3-26), в которых сосредоточено катодное падение потенциала, являются жизненно необходимыми для существования тлеющего разряда. Участки 5 (фарадеева темная область) и 6 (столб разряда) являются пассивными участками разряда с хорошей электропроводностью, связывающими анод с катодными областями разряда.

В столбе разряда газ находится в сильно ионизированном состоянии, причем концентрации электронов и ионов примерно равны, т. е. объемный заряд компенсирован. Газ, находящийся в таком состоянии, называется плазмой.

При сближении анода с катодом сокращается, а затем исчезает столб разряда.

Дальнейшее сближение электродов на некоторое критическое расстояние приводит к исчезновению анодных участков разряда. При этом падение напряжения на разряде уменьшается на величину анодного падения потенциала, примерно равную ионизационному потенциалу газа.

Процессы, рассмотренные выше, играют важную роль в возникновении и поддерживании так называемого тлеющего разряда (см. приложение 1.1).

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 остаётся тёмной. При уменьшении давления газа (около 5,3-6,7 кПа) в некоторый момент в трубке возникнет разряд, имеющий вид светящегося шнура, соединяющего анод и катод трубки. При дальнейшем уменьшении давления (около 1,3 Па) этот шнур расширяется и заполняет всё сечение трубки, а свечение вблизи катода ослабевает.

При давлениях газа порядка 0,1-0,01 мм. рт. ст. разряд имеет вид на рис. 3.1.1.

Непосредственно к катоду прилегает тонкий светящийся слой 1 (первое катодное свечение, или катодная плёнка), за которым следует тёмный слой 2, получивший название катодного тёмного пространства. Это тёмное пространство затем переходит в светящийся слой 3 (тлеющее свечение), который имеет резкую границу со стороны катода и постепенно исчезает со стороны анода. Оно возникает из-за рекомбинации электронов с положительными ионами. За тлеющим свечением наблюдается опять тёмный промежуток 4, называемый вторым или фарадеевым тёмным пространством. Указанные части называются катодными частями разряда. За вторым тёмным пространством лежит светящаяся область 5, простирающаяся до анода, или положительный столб. В некоторых случаях этот столб распадается на ряд слоёв, или страт.

Особое значение в тлеющем разряде имеют только две его части - катодное тёмное пространство и тлеющее свечение, в которых и происходят основные процессы, поддерживающие разряд. Если в газоразрядной трубке сделать анод подвижным и постепенно придвигать его к катоду (рис. 3.1.1), то все катодные части остаются неизменными, а укорачивается только положительный столб. При дальнейшем уменьшении длины разрядного промежутка начинает укорачиваться второе катодное тёмное 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. Всё падение потенциала в разряде приходится на область катодного тёмного 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 величина катодного падения потенциала не зависит от силы тока (нормальное катодное падение потенциала). Изменение силы тока изменяет лишь величину светящейся поверхности на катоде, которая увеличивается с увеличением силы тока. Когда же сила тока достигает такой величины, что катодная плёнка 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 величина нормального катодного падения потенциала зависит лишь от материала катода и рода газа, причём 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 ионизации электронными 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 катодом 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 объёме 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 тёмного пространства приблизительно равна средней длине свободного пробега электронов: она увеличивается с уменьшением давления газа. В катодном тёмном пространстве электроны, следовательно, движутся практически без соударений, образуя электронные, или катодные лучи. Если в катоде просверлить малые отверстия, то положительные ионы, бомбардирующие катод, пройдя через отверстия проникают в пространство за катодом и образуют резко ограниченный пучок, получивший название каналовых (или положительных) лучей, названных по знаку заряда, который они несут.

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.

Так как в положительном столбе имеются и положительные ионы, и электроны, то здесь происходит интенсивная рекомбинация ионов, чем и объясняется свечение положительного столба.

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.

Тлеющий разряд широко используют в качестве источника света в различных газосветных трубках. В лампах дневного света излучение тлеющего разряда поглощается слоем специальных веществ, нанесённых на внутреннюю поверхность трубки, которые под действием поглощённого излучения в свою очередь начинают светиться. Подходящим подбором этих веществ (люминофоров)испускаемое ими излучение можно сделать близким к дневному свету. Такие трубки оказываются более экономичными, нежели обычные лампы накаливания.

Газосветные трубки применяются также для рекламных и декоративных целей, для чего им придают очертания различных фигур и букв. Наполняя трубки различными газами, можно получить свечение различной окраски (красное у неона, синевато-зеленое у аргона).

Пользуясь тем, что катодное падение потенциала зависит от материала катода, можно сделать газосветные трубки с малым напряжением зажигания. Так, например, в неоновой лампе, в которой электродами служат два железных листочка, покрытых слоем бария, вследствие малости работы выхода электронов у бария, катодное падение потенциала составляет только около 70 В. Поэтому лампа зажигается уже при включении в обычную осветительную сеть. Такие лампы употребляют для целей сигнализации в различной аппаратуре (индикаторные лампы).

В лабораторной практике используют тлеющий разряд для катодного распыления металлов, так как вещество катода в тлеющем разряде постепенно переходит в парообразное состояние и оседает в виде металлического налёта на стенках трубки.

Причина катодного распыления, по всей вероятности, заключается в том, что каждый положительный ион при соударении с катодом передаёт свою энергию сначала небольшой группе атомов катода. Это приводит к сильному местному повышению температуры, возникающему в отдельных микроскопических областях катода, которое и приводит к испарению металла в этих местах. Помещая в тлеющем разряде против катода различные предметы, оказывается возможным покрыть их равномерным и прочным слоем металла. Этим способом, в частности, пользуются для изготовления металлических зеркал высокого качества.

Кроме искры, короны и дуги, существует еще одна форма самостоятельного разряда в газах – так называемый тлеющий разряд. Для получения этого типа разряда удобно использовать стеклянную трубку длины около полуметра, содержащую два металлических электрода (рис. 162). Присоединим электроды к источнику постоянного тока с напряжением в несколько тысяч вольт (годится электрическая машина) и будем постепенно откачивать из трубки воздух. При атмосферном давлении газ внутри трубки остается темным, так как приложенное напряжение в несколько тысяч вольт недостаточно для того, чтобы пробить длинный газовый промежуток. Однако когда давление газа достаточно понизится, в трубке вспыхивает светящийся разряд. Он имеет вид тонкого шнура (в воздухе – малинового цвета, в других газах – других цветов), соединяющего оба электрода. В этом состоянии газовый столб хорошо проводит электричество.

Рис. 162. Тлеющий разряд

При дальнейшей откачке светящийся шнур размывается и расширяется, и свечение заполняет почти всю трубку. При давлении газа в несколько десятых миллиметра ртутного столба разряд имеет типичный вид, условно изображенный на рис. 162. Различают следующие две главные части разряда: а) несветящуюся часть, прилегающую к катоду, получившую название темного катодного пространства; б) светящийся столб газа, заполняющий всю остальную часть трубки, вплоть до самого анода, и носящий название положительного столба. При подходящем давлении положительный столб может распадаться на отдельные слои, разделенные темными промежутками, так называемые страты.

Описанная форма разряда называется тлеющим разрядом. Почти весь свет, испускаемый при разряде, исходит из положительного столба. При этом цвет свечения зависит от рода газа.

В настоящее время трубки с тлеющим разрядом находят практическое применение как источники света – газоразрядные лампы. Для целей освещения с успехом применяются газоразрядные лампы, в которых разряд происходит в парах ртути, причем вредное для глаз ультрафиолетовое излучение поглощается слоем фосфоресцирующего вещества, покрывающего изнутри стенки лампы. Фосфоресцирующее вещество начинает светиться видимым светом, который добавляется к собственному свечению паров ртути, давая в результате свет, близкий по характеру к дневному свету (газоразрядные лампы дневного света). Такие лампы не только дают приятное «естественное» освещение, но и значительно (в три-четыре раза) экономичнее лампочек накаливания.

Газоразрядные лампы применяются также для декоративных целей. В этих случаях им придают очертания букв, различных фигур и т. д. и наполняют газом с красивым цветом свечения (например, неоном, дающим яркое оранжево-красное свечение, или аргоном с синевато-зеленым свечением).

В зависимости от давления газа, конфигурации электродов и параметров внешней цепи существует четыре типа самостоятельных разрядов:

• тлеющий разряд;
• искровой разряд;
• дуговой разряд;
• коронный разряд.

1. Тлеющий разряд возникает при низких давлениях. Его можно наблюдать в стеклянной трубке с впаянными у концов плоскими металлическими электродами (рис. 8.5). Вблизи катода располагается тонкий светящийся слой, называемый катодной светящейся пленкой 2.

Между катодом и пленкой находится астоново темное пространство 1. Справа от светящейся пленки помещается слабо светящийся слой, называемый катодным темным пространством 3. Этот слой переходит в светящуюся область, которую называют тлеющим свечением 4, с тлеющим пространством граничит тёмный промежуток – фарадеево тёмное пространство 5. Все перечисленные слои образуют катодную часть тлеющего разряда. Вся остальная часть трубки заполнена святящимся газом. Эту часть называют положительным столбом 6.

При понижении давления катодная часть разряда и фарадеево тёмное пространство увеличивается, а положительный столб укорачивается.

Измерения показали, что почти все падения потенциала приходятся на первые три участка разряда (астоново темное пространство, катодная святящаяся плёнка и катодное тёмное пятно). Эту часть напряжения, приложенного к трубке, называют катодным падением потенциала .

В области тлеющего свечения потенциал не изменяется – здесь напряженность поля равна нулю. Наконец, в фарадеевом тёмном пространстве и положительном столбе потенциал медленно растёт.

Такое распределение потенциала вызвано образованием в катодном темном пространстве положительного пространственного заряда, обусловленного повышенной концентрацией положительных ионов.

Положительные ионы, ускоренные катодным падением потенциала, бомбардируют катод и выбивают из него электроны. В астоновом темном пространстве эти электроны, пролетевшие без столкновений в область катодного тёмного пространства, имеют большую энергию, вследствие чего они чаще ионизируют молекулы, чем возбуждают. Т.е. интенсивность свечения газа уменьшается, но зато образуется много электронов и положительных ионов. Образовавшиеся ионы в начале имеют очень малую скорость и потому в катодном тёмном пространстве создаётся положительный пространственный заряд, что и приводит к перераспределению потенциала вдоль трубки и к возникновению катодного падения потенциала.

Электроны, возникшие в катодном тёмном пространстве, проникают в область тлеющего свечения, которая характеризуется высокой концентрацией электронов и положительных ионов коленарным пространственным зарядом, близким к нулю (плазма). Поэтому напряженность поля здесь очень мала. В области тлеющего свечения идёт интенсивный процесс рекомбинации, сопровождающийся излучением выделяющейся при этом энергии. Таким образом, тлеющее свечение есть, в основном, свечение рекомбинации.

Из области тлеющего свечения в фарадеево тёмное пространство электроны и ионы проникают за счёт диффузии. Вероятность рекомбинации здесь сильно падает, т.к. концентрация заряженных частиц невелика. Поэтому в фарадеевом тёмном пространстве имеется поле. Увлекаемые этим полем электроны накапливают энергию и часто 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, в основном, переходами возбужденных молекул в основное состояние.

2. Искровой разряд возникает в газе обычно при давлениях порядка атмосферного. Он характеризуется прерывистой формой. По внешнему виду искровой разряд представляет собой пучок ярких зигзагообразных разветвляющихся тонких полос, мгновенно пронизывающих разрядный промежуток, быстро гаснущих и постоянно сменяющих друг друга (рис. 8.6). Эти полоски называют искровыми каналами .

Т газа = 10 000 К ~ 40 см I = 100 кА t = 10 –4 c l ~ 10 км

После того, как разрядный промежуток «пробит» искровым каналом, сопротивление его становится малым, через канал проходит кратковременный импульс тока большой силы, в течение которого на разрядный промежуток приходится лишь незначительное напряжение. Если мощность источника не очень велика, то после этого импульса тока разряд прекращается. Напряжение между электродами начинает повышаться до прежнего значения, и пробой газа повторяется с образованием нового искрового канала.

В естественных природных условиях искровой разряд наблюдается в виде молнии. На рисунке 8.7 изображен пример искрового разряда – молния, продолжительностью 0,2 ÷ 0,3 с силой тока 10 4 – 10 5 А, длиной 20 км (рис. 8.7).



3. Дуговой разряд . Если после получения искрового разряда от мощного источника постепенно уменьшать расстояние между электродами, то разряд из прерывистого становится непрерывным, возникает новая форма газового разряда, называемая дуговым разрядом (рис. 8.8).

~ 10 3 А
Рис. 8.8

При этом ток резко увеличивается, достигая десятков и сотен ампер, а напряжение на разрядном промежутке падает до нескольких десятков вольт. Согласно В.Ф. Литкевичу (1872 – 1951), дуговой разряд поддерживается, главным образом, за счет термоэлектронной эмиссии с поверхности катода. На практике – это сварка, мощные дуговые печи.

4. Коронный разряд (рис. 8.9).возникает в сильном неоднородном электрическом поле при сравнительно высоких давлениях газа (порядка атмосферного). Такое поле можно получить между двумя электродами, поверхность одного из которых обладает большой кривизной (тонкая проволочка, острие).

Наличие второго электрода необязательна, но его роль могут играть ближайшие, окружающие заземленные металлические предметы. Когда электрическое поле вблизи электрода с большой кривизной достигает примерно 3∙10 6 В/м, вокруг него возникает свечение, имеющее вид оболочки или короны, откуда и произошло название заряда.