Электрические разряды в газах - Физика в школе
Главное меню:
статьи
Электрические разряды в газах
Уже в первых опытах с электричеством было обнаружено, что в момент соприкосновения положительно и отрицательно заряженных тел между ними проскакивает небольшая искра. То же имеет место, если прикоснуться рукой к сильно наэлектризованному телу. Это явление получило название «электрического разряда». Наряду с этими слабыми безобидными искорками люди видели и внушающие страх разряды грандиозного масштаба в виде молнии. Электрическая природа молнии была доказана опытным путем лишь около двухсот лет назад (1752 г.) великим русским ученым М. В. Ломоносовым.
Электрические разряды представляют собой не что иное, как прохождение тока через газ. Воздух и другие газы занимают при этом особое положение. Если эти газы предоставлены самим себе и защищены от внешних воздействий, то они являются очень хорошими изоляторами. Но стоит только зажечь в воздухе спичку, или внести в газ нагретую до желтого каления проволочку, или, наконец, осветить кусочек металла ярким солнечным светом, как газ становится проводящим. Заметный ток начинает проходить через газ, находящийся между двумя металлическими пластинками, к которым приложено «электрическое напряжение». Ток увеличивается при усилении напряжения между электродами. При определенном напряжении происходит электрический «пробой» газа и через него идет сильный ток уже независимо от того, продолжаем ли мы внешнее воздействие на газ или нет. Вместе с тем газ начинает светиться, и это свечение может быть очень ярким. Такое прохождение электрического тока через газ называют самостоятельным электрическим разрядом. Предшествующие слабые токи, всецело зависящие от внешнего воздействия на газ, являются несамостоятельным, или тихим, разрядом.
Подобные разряды исследовал в 1888-1890 годах в Московском университете известный русский ученый А. Г. Столетов. Он изучал «испускание» отрицательных зарядов металлами, облучаемыми светом, которое теперь называют фотоэффектом. В опытах Столетова фотоэффект сочетался с тихим газовым разрядом. Ученый установил основной закон фотоэффекта и зависимость тока несамостоятельного разряда от давления газа. Состояние теории электрических явлений в те годы не позволило дать сколько - нибудь полное объяснение наблюдаемым им явлениям. Они стали понятны только после того, как в 1897 году было открыто существование электронов. Оказалось, что считавшиеся прежде неделимыми атомы каждого вещества на самом деле состоят из положительно заряженной частицы - ядра и некоторого числа электронов. Электрический заряд ядра равен по величине сумме зарядов всех электронов того же атома. Поэтому в нормальном состоянии все атомы нейтральны, то есть общий электрический заряд атома равен нулю.
Предоставленный самому себе газ является изолятором потому, что в нем все атомы нейтральны и нет ни свободных электронов, ни ионов, то есть положительно или отрицательно заряженных атомов или молекул. Внешние воздействия на газ, делающие его способным проводить электрический ток, приводят к отрыву электронов от частиц или к введению в газ электронов извне. Мы знаем, что в радиолампах из катода при его нагревании до высокой температуры электроны выходят в окружающее пространство, в котором почти нет частиц газа (в «вакуум»). Это так называемая термоэлектронная эмиссия. Ток через «пустотную» лампу осуществляется движением от катода к аноду свободных электронов, При фотоэффекте электроны вырываются из металла под действием света. В явлениях самостоятельного электрического разряда, при взаимодействии быстродвижущихся свободных электронов с нейтральными частицами газа, происходит ионизация последних: один или несколько электронов отрываются от атома, и он превращается в положительный ион.
В результате подобного рода процессов, а также скопления в отдельных частях прибора положительных или отрицательных частиц и образования, так называемых пространственных зарядов прохождение электрического тока через газы и вакуум оказывается более разнообразным и сложным, чем прохождение тока через металлические проводники. Этому способствуют также различные электронные процессы на границе между газом и соприкасающимися с ним телами. Все это приводит к тому, что при помощи приборов, в которых имеет место прохождение электрического тока через вакуум и газы, можно очень тонко и многогранно управлять электрическим током. Умелое использование этой возможности и ее сочетание со специфическими электронными процессами на поверхности твердых тел привели к разработке и изготовлению таких замечательных приборов, как телевизионные передающие и приемные трубки, бинокли, позволяющие видеть в темноте, магнетроны и клистроны, генерирующие очень короткие радиоволны, а также многих других новейших приборов.
Какие условия необходимы для возникновения и поддержания непрерывного электрического разряда в воздухе или другом газе? Для этого нужно, прежде всего, чтобы разряд сам создавал в газе свободные электроны и положительные ионы, необходимые для прохождения тока через газ; иначе разряд не будет ни непрерывным, ни самостоятельным. В большинстве разрядов основным процессом, обеспечивающим такое воспроизводство заряженных частиц, является ионизация нейтральных частиц газа ударами быстрых электронов. Параллельно с ионизацией может иметь место, так называемое возбуждение атома или молекулы, когда один из электронов переходит внутри атома на другую электронную оболочку, или, как принято говорить, на другой энергетический уровень. Возвращение электрона через некоторое, очень короткое время в нормальное его положение в атоме сопровождается излучением определенного количества («кванта») света.
На ионизацию или на возбуждение атома всегда затрачивается некоторое количество энергии за счет энергии движения налетающего на атом электрона. Запас энергии возбужденного атома или молекулы не обязательно должен быть излучен в виде света, а при соответствующих условиях может быть передан другому атому в газе и возбудить или ионизовать его. Такие процессы в значительной мере облегчают зажигание самостоятельного разряда и используются в приборах, в которых имеет место газовый разряд. Образование отрицательных ионов, наоборот, затрудняет разряд, так как оно уменьшает число свободных электронов, ионизующих частицы газа.
Ударяясь об атом, электрон может упруго отскочить от него, как бы только подтолкнув атом и тем лишь увеличив кинетическую энергию его движения. Такие «упругие» соударения электронов с нейтральными частицами газа приводят к тем большему нагреванию газа в разрядной трубке, чем больше сила тока и плотность газа.
По законам теплопроводности тел, тепло отдается газом наружу, и в разрядном промежутке устанавливается более высокая температура в середине (например, по оси цилиндрической трубки) и более низкая по краям. Это приводит к тому, что около оси разряда плотность газа меньшая, чем по краям. Благодаря меньшей плотности газа по оси электроны пробегают здесь свободно более длинный путь и, ускоряясь электрическим полем разряда, набирают большую кинетическую энергию. Это облегчает разряд, плотность тока по оси становится больше, чем по краям, и температура газа по оси разряда еще более возрастает. Когда эта температура достигает значений в несколько тысяч градусов, возникает новое явление: ионизация нейтральных частиц газа происходит и при взаимных соударениях наиболее быстрых из них.
Так начинается «термическая ионизация» газа, преобладающая при больших давлениях и токах над всеми другими видами ионизации. В результате имеет место стягивание разряда к оси - «отшнуровывание», резко выраженное в так называемой электрической дуге, горящей в открытом воздухе. Высокая температура газа и электродов дуги широко используется в технике при сварке металлов (дуговая сварка).При освещении катода (К) светом дугового фонаря (О) через воздух, находящийся между цинковой пластинкой (К) и металлической сеткой — анодом (А), идет электрический ток. В схеме имеются также батарея (Б) и гальванометр (Г)
При разряде на постоянном токе электроны все время передвигаются от катода к аноду. Поэтому, кроме процессов ионизации, для поддержания разряда в газе необходимо постоянное появление электронов у катода. При малых давлениях газа и малых плотностях разрядного тока это обеспечивается фотоэффектом под действием квантов света, излучаемых в разряде, и выходом электронов из катода при ударах об него положительных ионов. В электрической дуге и в тех случаях, когда при малых давлениях газа катод искусственно подогревается, выход электронов достигается термоэлектронной эмиссией. В связи с ионизацией газа число электронов, вышедших из катода и двигающихся к аноду, быстро увеличивается по мере удаления от катода. При этом происходит так называемое нарастание лавины электронов. Свободные электроны, возникающие в лавине, быстро уходят на анод.
Скорость положительных ионов значительно меньше благодаря значительно большей массе каждого из них. В результате концентрация положительных ионов перед катодом всегда больше, чем концентрация электронов. Около катода создается положительный пространственный заряд, как бы приближающий анод к катоду и усиливающий электрическое поле около катода. Эту область называют областью катодного падения потенциала.
Разбег электронных лавин имеет место лишь в области катодного падения. Быстрые электроны, вылетающие по инерции из этой области по направлению к аноду, утрачивают скорость своего направленного движения при соударениях с частицами газа. Движение их становится хаотическим, аналогичным тепловому движению частиц любого газа. Однако средняя скорость и средняя кинетическая энергия их беспорядочного движения остаются все же значительными, во много раз большими, чем у теплового движения частиц газа.
Эта область разряда отличается равномерным свечением по всей длине и ширине занимаемой ею трубки. Ее называют «плазмой», а в длинных трубках - «положительным столбом разряда». Примером положительного столба могут служить светящиеся буквы «М» на станциях московского метро. Плазму можно рассматривать как смесь газов, состоящих из нейтральных и возбужденных частиц, из электронов и положительных ионов. Плазма представляет собой совокупность этих различных частиц, обладающую новыми, специфичными свойствами. Так, плазма обладает вибрационными свойствами: в ней возникают колебания электронов и ионов в очень широком диапазоне частот, вплоть до дециметровых и еще более коротких волн. Поэтому одна из задач физической электроники состоит в изучении условий возникновения этих колебаний и их правильном объяснении, а одна из задач технической электроники - использовать колебания плазмы для возбуждения достаточно мощных сверхкоротких волн. Плазма обладает большой электропроводностью и мешает прохождению электромагнитных волн, находящихся в резонансе с частотой ее собственных колебаний. В высоких областях земной атмосферы существуют так называемые ионосферные слои, представляющие собой плазму, в которой ионизация постоянно поддерживается благодаря ионизации азота и кислорода воздуха ультрафиолетовыми лучами солнца. Радиоволны, отражаясь от ионосферных слоев, постоянно возвращаются к земной поверхности, и поэтому становится возможной радиопередача на большие расстояния на так называемых коротких волнах. Для еще более коротких волн в ионосферной плазме не может быть колебаний, находящихся в резонансе с этими волнами, и волны, не отражаясь и лишь слабо поглощаясь, уходят в мировое пространство. Свойство плазмы пропускать или не пропускать радиоволны определенной частоты используется также в специальных радиоприборах (антенные переключатели). В этом случае плазма возникает при так называемом высокочастотном разряде. Интерес к высокочастотным разрядам вызван также теми бесполезными потерями мощности, которые они вызывают, самопроизвольно возникая при работе крупных радиостанций. Высокочастотные разряды существенно отличаются от разрядов па постоянном токе: направление силы, ускоряющей электроны, меняется в них миллионы, а в диапазоне сверхкоротких волн миллиарды раз в секунду. Вместо движения под действием поля в одном направлении электроны совершают колебательное движение. Поэтому для поддержания непрерывного высокочастотного разряда процессы электронной эмиссии из электродов не обязательны; разряд возникает при подходящих условиях давления газа без электродов, непосредственно соприкасающихся с газом. Следовательно, на высокой частоте при низких давлениях разряд состоит в основном из одной только плазмы.
Исследования высокочастотной плазмы, проведенные за последние годы в Московском университете, показали, что при низких давлениях она отличается от плазмы на постоянном токе большими значениями средней энергии хаотического движения электронов (большей «температурой электронного газа»). Высокочастотная плазма способна распадаться на отдельные светящиеся «слои», но это распадение происходит более разнообразно, чем на постоянном токе, и распределение концентрации электронов в светлых и темных областях иное.
При высоких давлениях высокочастотные разряды приобретают особые формы и свойства. На металлическом проводнике в виде шарика или проволоки малого диаметра возникают отдельные, быстро чередующиеся, более или менее яркие, узкие светящиеся полоски, беспорядочно перемещающиеся в пространстве, во времени и очень похожие на каналы искрового разряда. Это явление носит название высокочастотной короны. В 1928 году советским инженером Залитинкевичем было установлено, что при частотах порядка нескольких мегагерц вместо высокочастотной короны возникает разряд, похожий по внешнему виду как бы на пламя факела и названный, поэтому факельным разрядом.Если на некотором расстоянии от несущего разряд электрода находится второй электрод того же высокочастотного контура, то при повышении напряжения «пробивается» весь разрядный промежуток, и разряд принимает форму высокочастотной дуги. И обратно, если разорвать высокочастотную дугу путем раздвижения электродов, то на электроде в виде шарика или острия возникает факел или высокочастотная корона. Высокочастотная корона и особенно факел появляются при атмосферном давлении и гораздо меньшем напряжении, чем то, при котором возникает разряд на постоянном токе, а при заданном напряжении - при гораздо меньшем расстоянии между электродами. Таким образом, опасность возникновения разряда и сопровождающих его вредных явлений (большие потери мощности, плавление и разрушение проводов и т. д.) на высокой частоте значительно больше, чем на постоянном токе и на токе низкой частоты.
Все виды высокочастотного разряда с понижением давления газа переходят в один и тот же вид, характеризующийся наличием приэлектродных пленок. В переходной области давлений исчезает голубая пленка факела, и вместо нее появляется розовая. Определения температуры в стволе факельного разряда, проведенные в Московском государственном университете оптическим путем по распределению интенсивности линии полосатого спектра разряда, дали интересные результаты. Температура воздуха в стволе при уменьшении давления от атмосферного до приблизительно 200 миллиметров ртутного столба остается почти неизменной и равна примерно 3 500 градусам (при мощности разряда 30-150 ватт). С дальнейшим понижением давления температура газа начинает уменьшаться все быстрее и быстрее, а в области, соответствующей переходу в разряд с розовой пленкой, резко падает и становится равной 1 000-1 350 градусам.
Эти же исследования показали, что плазма в каналах факельного разряда высокочастотной дуги не является изотермической, то есть средние энергии движения частиц, составляющих плазму газов, неравны между собой. Следовательно, ионизация газа происходит в этом случае за счет энергии движения наиболее быстрых электронов плазмы. Установлено также, что напряженность высокочастотного поля в каналах высокочастотной дуги и факела непостоянна по всей их длине, а заметно возрастает при приближении к электроду. Это можно объяснить обеднением плазмы электронами в приэлектродных частях. В каналах высокочастотной дуги и факела напряженность поля намного больше, чем в дуге на постоянном токе при тех же условиях, а плотность тока значительно меньше. И та и другая величина близки к напряженности поля и плотности тока в положительном столбе разряда в воздухе на постоянном токе при атмосферном давлении, искусственном охлаждении катода и введении большого сопротивления во внешнюю цепь.
Спектры факела, высокочастотной дуги и этого же вида разряда оказались для воздуха идентичными. Что касается той частоты, при которой происходит переход высокочастотной короны в факел, то было установлено, что она зависит от давления воздуха и от напряженности высокочастотного поля. Само явление перехода от прерывистой короны к стабильному факелу удается объяснить тем, что в случае высокочастотной короны определяющими являются те же процессы, которые приводят к образованию канала искрового разряда: прохождение лавины электронов и пробег так называемого стримера, связанный с фотоионизацией газа в объеме. При частотах, когда происходит факельный разряд, эти процессы не успевают завершиться за время одного полупериода тока.
В этой статье мы рассказали только об одной области электроники - развитии исследований электрических разрядов в газах, и то далеко не полно. Столь же разнообразна и обширна и другая, не менее важная для техники область - катодная электроника, занимающаяся электронными явлениями на границе между твердыми телами и газом.