ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Прохождение электрического тока через газы из "Электрические явления в газах и вакууме" СИЛЫ проходящего газа газ электрического тока уменьщается разность потенциалов, приходящаяся на газовый промежуток. [c.14] Весьма характерны также явления, имеющие место при постепенном увеличении приложенной к газовому промежутку разности потенциалов, начиная от очень малых значений и до очень больших. Сперва через газ проходят лишь очень слабые т.жи, явно зависящие от внешних воздействий на газ и на помещённые в нём электроды. Такими процессами, влияющими на прохождение электрического тока через газ, являются пронизывающие газ рентгеновские, радиоактивные или космические лучи или, например, нагревание катода, вызывающее усиленную эмиссию электронов с поверхности последнего, или облучение катода ультрафиолетовой радиацией. -Все такие процессы, воздействующие на газ извне и сообщающие ему электропроводность, называются внешними ионизаторами. Чем лучше газ защищён от внешних воздействий, тем меньше его электропроводность. Мы имеем полное право заключить, что вполне отгороженный от внешнего мира газ при низких температурах является таким же идеальным изолятором, как и высокий вакуум ). По мере увеличения приложенной разности потенциалов ток, вызванный действием внешнего ионизатора, сперва возрастает по закону Ома, затем переходит в насыщение, потом опять начинает постепенно возрастать. Наконец, при определённой разности потенциалов всё явление внезапно приобретает совершенно новые качества при малом сопротивлении внешней цепи ток мгновенно возрастает до очень больших значений, ограниченных лишь этим сопротивлением или мощностью источника напряжения. Газ начинает ярко светиться. Электроды газового промежутка накаляются. При разряде в свободной атмосфере появляются звуковые эффекты. Этот переход к качественно новым явлениям носит название зажигания газового разряда или пробоя газового промежутка. Необходимая для зажигания разница потенциалов называется напряжением зажигания или напряжением пробоя. Прекращение действия внешнего ионизатора теперь уже не вызывает прекращения разряда. Разряд стал самостоятельным. При напряжении, меньшем чем напряжение зажигания, когда разряд прекращается вместе с действием внешнего ионизатора, разряд носит название несамостоятельного разряда. Поэтому описанное выше зажигание разряда называют также переходом разряда из несамостоятельного в самостоятельный . [c.14] Если сопротивление внешней цепи не слишком мало и давление газа невелико, то при зажигании самостоятельного разряда получается форма разряда, называемая тлеющим разрядом. Тлеющий разряд характеризуется своеобразным расположением и чередованием светящихся и тёмных участков разрядного про- межутка, сравнительно малой плотностью тока и наличием около катода сравнительно узкой области с большим падением потенциала порядка сотен вольт. Температура электродов при тлеющем разряде невелика. Если в тлеющем разряде постепенно увеличивать силу тока, уменьшая сопротивление внешней цепи, то постепенно увеличиваются интенсивность свечения газа и температура катода. Вольтамперная характеристика пробегает небольшую падающую, затем возрастающую ветвь. Наконец происходит новое изменение явления прохождения тока через газ ток снова увеличивается скачком, напряжение, приходящееся на разрядный промежуток, резко уменьшается, светящиеся части разряда перестраиваются, катод сильно накаляется, и мы имеем перед собой дуговой разряд с падающей вольтамперной характеристикой. Если уменьшать сопротивление внешней цепи ещё дальше, то разряд бурно развивается. Количество тепла, выделяющееся в разрядном промежутке и на электродах, возрастает настолько, что электроды плавятся, разрядная трубка погибает. При других условиях (хорошо защищённые от потерн тепла быстро разогреваемые разрядом электроды, малое сопротивление внешней цени) стадия тлеющего разряда при увеличении напряжения между электродами пробегается быстро при пробое газового промежутка в этом случае практически непосредственно возникает мощный дуговой разряд, и всё явление носит характер короткого замыкания цепи. [c.15] При давлении газа порядка атмосферного, сравнительно большом расстоянии между электродами и высоковольтном, но маломощном источнике тока при пробое возникает прерывистый искровой разряд. Искровой разряд характеризуется прохождением электрического тока через газ по зигзагообразным разветвлённым узким ярко светящимся каналам. Если при давлениях порядка атмосферного один или оба электрода имеют радиус кривизны, во много раз меньший, чем расстояние между ними, то пробой газового промежутка завершается не сразу, а в два приёма. [c.15] При переходе разряда в самостоятельный возникает так называемый коронный разряд, с малой силой тока и со свечением, облегающим лишь электрод с малым радиусом кривизны. Лишь при значительно большей разнице потенциалов между электродами имеет место искровой пробой (искровое перекрытие) или при достаточной мощности источника — переход коронного разряда в дуговой. [c.15] Резкий специфический переход разряда от очень слабых к сильным токам и своеобразный ход вольтамперной характеристики делают из газового разряда мощное орудие для управления электрическим током (выпрямление переменного тока, преобразование постоянного тока в переменный, генерация электрических колебаний и т. д.). Поэтому газоразрядные приборы получают всё большее и больщее применение в технике как слабых, так и сильных токов. [c.16] Богатое разнообразие явлений разряда связано с больщим разнообразием элементарных процессов, происходящих при прохождении электрического тока через газ в мире составляющих этот газ атомов и молекул. Отсюда возникают большие трудности в создании теории электрических разрядов в газах, способной описать все происходящие явления не только качественно, но и количественно. Наряду со сложностью и разносторонностью явлений построению математической теории электрических разрядов мешает самый характер атомных и молекулярных процессов. Мы можем охватить их в настоящее время лишь методами волновой механики. В целом ряде случаев эти методы, xotя и позволяют построить кривые и графики, характеризующие данное явление, но не дают общих аналитических соотношений между интересующими нас величинами. В таком положении находятся, например, существенные для явлений разряда вопросы о вероятностях (или функциях) ионизации при соударении электронов с атомами, о площади эффективного поперечного сечения атомов и молекул для различных элементарных процессов и т. д. [c.16] Поэтому при построении теории тех или иных разрядных явлений в отношении элементарных процессов приходится исходить из приближённых соотношений, область применимости которых всегда поневоле ограничена. [c.16] Наименование электрические разряды в газах , которое теперь применяют ко всем случаям прохождения электрических зарядов через газ, обязано своим происхождением тому, что в самом начале изучения электрических явлений существенную роль играло явление зарядки и разрядки конденсаторов. На примере этих явлений физики впервые познакомились с электрическим током и, в частности, с прохождением электрических зарядов через воздух и газы. [c.16] Совсем иное имеет место в газах. Ионы в газах не представляют собой обязательно составные части молекул данного газа. В газах встречаются самые разнообразные ионы положительно и отрицательно заряженные отдельные атомы, целые заряженные молекулы, а также заряженные комплексы атомов, которые никогда не встречаются в свободном состоянии при химических реакциях. В газах не происходит выделения отдельных составных частей газа на электродах с переходом их в другое агрегатное состояние, как это имеет место в электролитах, и мы обычно не замечаем переноса того или другого вещества через газ. В газе ионы отдают свои заряды электродам и диффундируют обратно Б газ в виде нейтральных частиц. Ионы в газах обряг зуются не только под действием внешних ионизаторов, но и вследствие целого ряда атомарных элементарных процессов в объёме газа и на поверхности электродов — процессов, тесно связанных с прохождением разрядного тока через газ. При самостоятельном разряде роль этих процессов значительно больше, чем роль внешнего ионизатора, и для поддержания разряда последний становится излишним. При наличии этих процессов, а также вследствие уноса ионов током и их нейтрализации на электродах концентрация ионов и свободных электронов в газе зависит от силы тока и напряжённости поля в разряде. Это обстоятельство в свою очередь является причиной несостоятельности закона Ома в газах и причиной сложного вида вольтамперных характеристик различных типов газового разряда. [c.18] В виде примера проанализируем наиболее простой случай разряда несамостоятельный тихий разряд через воздух при атмосферном давлении между двумя плоскими параллельными обкладками конденсатора. [c.18] В случае малой разницы потенциалов V плотность тока ничтожно мала, число пар ионов, уносимых током из каждого элемента объёма газа, ничтожно мало по сравнению с числом рекомбинирующих в том же элементе пар ионов. Поэтому при малом и баланс процессов образования ионов под действием внешнего ионизатора и их рекомбинации не нарушен. Концентрация ионов п та же, что при отсутствии тока, и от тока не зависит. Как показывает равенство (4) и как подтверждает опыт, электропроводность газа в этом случае постоянна, и закон Ома соблюдается. Но при больших значениях И и I равновесная концентрация п ионов под действием внешнего ионизатора, процесса рекомбинации и уноса ионов током будет тем меньше, чем больше ток. В результате плотность тока I будет расти медленнее, чем разность потенциалов и. Вольтамперная характеристика разряда (рис. 2) начнёт загибаться вправо от направления первоначальной прямой ОА, соответствующей малым значениям и. [c.20] Как видно из разобранного нами примера, для того чтобы понять и количественно охватить явления газового разряда, необходимо иззп1ить имеющие место в разряде элементарные атомарные процессы. Среди этих процессов наиболее существенное значение имеют процессы ионизации газа. Эти процессы можно разделить на два больших класса элементарные процессы ионизации в объёме газа — объёмная ионизация и элементарные процессы на границе между газом и твёрдым или жидким электродом — поверхностная ионизация. [c.22] К процессам объёмной ионизации относятся ионизация при соударениях электронов и ионов с нейтральными атомами и молекулами (ударная ионизация, прямая и ступенчатая), ионизация при передаче атому или молекуле энергии возбуждения другого атома или молекулы (неупругие соударения II рода), ионизация газа при облучении его ультрафиолетовым, рентгеновским или у-излучением (фотоионизация газа в объёме), ионизация при повышении температуры газа, вызываемая столкновением наиболее быстрых атомов или молекул между собой (термическая ионизация). [c.22] Причиной процессов поверхностной ионизации является эмиссия (испускание) электронов твёрдыми или жидкими телами под действием квантов радиации, падающих на тело (поверхностный или внешний фотоэффект), под действием высокой температуры (термоэлектронная эмиссия), сильного поля у поверхности тела (автоэлектронная эмиссия), ударов о поверхность тела ионов и электронов (вторичная эмиссия), возбуждённых и, наконец, нейтральных атомов. Процессы электронной эмиссии имеют и самостоятельное значение помимо явлений газового разряда, так как некоторые из них происходят и на границе между твёрдым телом и высоким вакуумом и обусловливают собой прохождение электрического тока через вакуум. [c.22] Кроме ионизации, для явлений газового разряда имеют очень большое значение также и процессы возбуждения атомов и молекул. Всякий газ при прохождении через него тока представляет собой смесь не только электронов, нейтральных и одно- и многократно ионизованных атомов и молекул, но ещё и атомов и молекул, находящихся на самых различных ступенях возбуждения, а также возбуждённых ионов. Все эти частицы сталкиваются, взаимодействуют между собой и находятся в постоянном энергетическом обмене, определяющем течение разрядных процессов. К возбуждению атомов и молекул ведут процессы, аналогичные тем, которые приводят к ионизации ударное возбуждение, прямое и ступенчатое, неупругие соударения II рода, фотовозбуждение газа, термическое возбуждение. [c.22] Кроме ионизации и возбуждения, в газе происходят всегда в той или иной степени и обратные процессы образования нормальных атомов процессы рекомбинации положительных и отрицательных ионов между собой, или положительных ионов и электронов, возвращение возбуждённых атомов в нормальное состояние с излучением кванта радиации, а также распад отрицательных ионов на нейтральный атом и электрон. Имеют место также и процессы перезарядки, заключающиеся в обмене электронами между ионами и нейтральными частицами газа. Процессы рекомбинации происходят не только в объёме газа, но и на поверхности граничащих с газом тел, притом часто более интенсивно, чем в объёме газа. [c.23] Для того чтобы расшифровать явления разряда в газах, необходимо изучить не только все перечисленные выше элементарные процессы, но и характер движения электронов и ионов в газе при наличии электрического поля и без него. Сюда относятся вопросы о подвижности ионов и электронов, вопросы о распределении скоростей и энергии в беспорядочном тепловом движении ионов и электронов. Такое движение всегда накладывается на переносное движение в поле, а иногда и превосходит последнее по своему значению для разряда (когда ненаправленный беспорядочный ток больше направленного). В той же связи существен вопрос о длине свободного пути электронов и ионов, точнее — об эффективном сечении атомов и молекул по отношению к тем или иным актам их взаимодействия с электронами и ионами, и вопрос о характере рассеяния пучка электронов или ионов при встрече с молекулами и атомами газа. В вопросах баланса числа тех или других частиц и баланса энергии существенную роль играют процессы излучения квантов энергии возбуждёнными атомами и молекулами и длительность их пребывания в состоянии возбуждения. [c.23] При прохождении тока через газ и высокий вакуум поле, в котором двигаются заряженные частицы, обусловливается не только геометрией электродов разрядного промежутка и их потенциалами, но и пространственными зарядами, создаваемыми электронами и ионами. Поэтому учение о пространственных зарядах также составляет необходимую главу учения об электрических явлениях в газах. [c.23] Чтобы не возвращаться в дальнейшем к перечню отдельных типов разряда, дополним сказанное выше о различных формах разряда — тихом, тлеющем, дуговом, таунсендовском, коронном, искровом — указанием на высокочастотные разряды. [c.23] Вернуться к основной статье