Газовые разряды

Процесс прохождения электрического тока через газовую среду называется газовым разрядом. Г азы становятся электропроводящими в результате их ионизации. Если электрический разряд в газе происходит только при вызывающем и поддерживающем ионизацию внешнем воздействии, то его называют несамостоятельным разрядом. Электрический разряд в газе, продолжающийся и после прекращения действия внешнего ионизатора, называется самостоятельным разрядом.

Многообразие условий, определяющих исходное состояние газа (состав, давление и т.д.), внешних воздействий на газ, материалов, формы и расположения электродов, конфигурации возникающего в газе электрического поля приводит к тому, что существует множество видов газовых разрядов. Основные типы самостоятельных разрядов - тлеющий разряд, искровой разряд, коронный разряд, дуговой разряд.

Законы газовых разрядов существенно сложнее, чем законы прохождения тока в металлах, электролитах, полупроводниках. Электрический разряд в газе подчиняется закону Ома лишь при малых напряжениях, поэтому их электрические свойства описывают с помощью вольт-амперных характеристик. На рис. 38 представлена зависимость тока в газе от напряжения между электродами. Внешний ионизатор создает постоянную интенсивность ионизации. Участок ОА соответствует области применимости закона Ома. На участке АВ ток меняется с напряжением нелинейно. Участок ВС соответствует току насыщения, при этом все ионы и электроны, создаваемые внешним ионизатором, достигают электродов.

Вольт-амперная характеристика газового разряда

Рис. 38. Вольт-амперная характеристика газового разряда

В точке С и далее на участке CD разряд из несамостоятельного становится самостоятельным. Это явление обусловлено ударной ионизацией и резким возрастанием числа носителей тока в газе.

Тлеющий разряд в неоновой лампе

Рассмотрим подробнее механизм образования разряда в неоновой лампе. Неоновая лампа представляет собой наполненный неоном стеклянный сосуд с двумя электродами - анодом и катодом, выполненными в виде двух металлических пластин (или пластины и кольца) и расположенными на расстоянии 2-3 мм друг от друга. Баллон заполнен неоном при низком давлении, порядка 2103 Па. При некотором напряжении между анодом и катодом разряда еще нет, и в лампе существует линейное распределение напряжения между ее электродами (рис. 39).

Распределение потенциала между катодом К и анодом А в неоновой лампе

Рис. 39. Распределение потенциала между катодом К и анодом А в неоновой лампе: 1,2 — напряжение меньше напряжения зажигания, линейное распределение потенциала; 3 - напряжение больше напряжения зажигания, распределение потенциала неравномерное, наибольшее падение напряжения наблюдается вблизи катода

С ростом напряжения линейное распределение сохраняется и в том случае, когда потенциал анода достигает значения, при котором начинается ударная ионизация атомов газа электронами (рис. 39). Однако, ударная ионизация, производимая одними только электронами, недостаточна для поддержания самостоятельного разряда.

В самом деле, каждый электрон движется в электрическом поле газоразрядной трубки в направлении от катода к аноду. Поэтому он может ионизировать только те атомы неона, которые лежат ближе к аноду по сравнению с местом начала его собственного движения (порядка длины свободного пробега электрона). Поэтому, если энергии образующихся положительных ионов недостаточно для ударной ионизации атомов или для выбивания электронов из катода, то вблизи катода новые электроны возникать не могут.

При дальнейшем повышении анодного напряжения U электроны приобретают энергию, необходимую для ионизации атомов газа, проходя более короткие расстояния, то есть, ближе к катоду. При повышении напряжения и положительные ионы на длине своего свободного пробега набирают энергию, достаточную для ионизации атомов газа. Образуются вторичные электроны и ионы во всем объеме газа, начинается образование электронных и ионных лавин.

Важным условием существования самостоятельного разряда является явление вторичной электронной эмиссии электронов из катода: образовавшиеся в результате ударной ионизации положительные ионы ускоряются электрическим полем и, ударяясь о катод, выбивают из него новые (вторичные) электроны. Возникает явление электрического пробоя газа. Потенциал (потенциал анода относительно катода), при котором возникает разряд называется потенциалом зажигания из. По причине неравномерного распределения зарядов между электродами (наибольшая плотность зарядов наблюдается вблизи катода) в лампе устанавливается неравномерное падение напряжения.

Вольт-амперная характеристика неоновой лампы приведена на рис. 40. Лампа начинает проводить ток только при определенной разности потенциалов U > 11з между ее электродами. Если напряжение между электродами меньше напряжения зажигания U < 1Ь ток через лампу не идет. В этом случае внутреннее сопротивление лампы бесконечно велико.

Вольт-амперная характеристика неоновой лампы

Рис. 40. Вольт-амперная характеристика неоновой лампы: разряд начинается при напряжении равном напряжению зажигания, ток в лампе прекращается скачком при напряжении равном напряжению гашения U = Uz. Напряжение гашения меньше напряжения зажигания: t/г < JJs

При разности потенциалов U = Из происходит электрический пробой газа, через лампу идет ток. При этом неон светится оранжевым светом, лампа зажигается. При увеличении напряжения ток в лампе растет по прямой а-b. Если уменьшать напряжение, то ток в лампе уменьшается по прямой b-с, близкой к прямой а-Ь. После зажигания лампа может гореть уже при более низком напряжении U, гаснет она при некотором напряжении Ur < U3, называемом напряжением или потенциалом гашения. Сила тока при этом скачком уменьшается до нуля. Самостоятельный разряд прекращается.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >