Нормальна щільність струму розряду, що тліє. Дуговий розряд

Процеси, розглянуті вище, грають важливу рольу виникненні та підтримці так званого тліючого розряду (див. додаток 1.1).

Цю форму газового розряду зручно спостерігати за зниженого тиску газу. Якщо до електродів, впаяним у скляну трубку довжиною 30-50 см, прикласти постійну напругу в кілька сотень вольт і потім поступово відкачувати повітря з трубки, то спостерігаються такі явища. При атмосферному тискунапруга недостатня для пробою газу і трубка залишається темною. При зменшенні тиску газу(близько 5,3-6,7 кПа) в деякий момент у трубці виникне розряд, що має вигляд шнура, що світиться, що з'єднує анод і катод трубки. При зменшенні тиску (близько 1,3 Па) цей шнур розширюється і заповнює весь переріз трубки, а світіння поблизу катода слабшає.

При тиску газу близько 0,1-0,01 мм. рт. ст. розряд має вигляд рис. 3.1.1.

Безпосередньо до катода прилягає тонкий шар 1, що світиться (перше катодне свічення, або катодна плівка), за яким слідує темний шар 2, який отримав назву катодного темного простору. Цей темний простір потім перетворюється на шар 3 (тліюче свічення), що світиться, який має різку межу з боку катода і поступово зникає з боку анода. Воно виникає через рекомбінацію електронів з позитивними іонами. За тліючим світінням спостерігається знову темний проміжок 4, який називається другим або фарадєєвим темним простором. Зазначені частини називаються катодними частинами розряду. За другим темним простіром лежить область 5, що світиться, тягнеться до анода, або позитивний стовп. У деяких випадках цей стовп розпадається на ряд шарів або страт.

Особливого значення в тліючому розряді мають лише дві його частини - катодне темне простір і тліюче свічення, у яких відбуваються основні процеси, що підтримують розряд. Якщо в газорозрядній трубці зробити анод рухливим і поступово присувати його до катода (рис. 3.1.1), то всі катодні частини залишаються незмінними, а коротшає лише позитивний стовп. При подальшому зменшенні довжини розрядного проміжку починає коротшати другий катодний темний простір, і коли анод потрапляє в свічення, що тліє, воно зникає зовсім. Однак при цьому розряд продовжує існувати. Коли ж анод при подальшому зменшенні відстані підходить до кордону між першим катодним простором і свіченням, що тліє, розряд гасне.

Характерним для тліючого розряду є особливий розподіл потенціалу довжиною трубки. Його можна визначити, впаюючи в трубку ряд додаткових електродів - зондів, розташованих у різних місцях трубки, і приєднуючи між катодом та відповідним зондом вольтметр з великим опором. Усе падіння потенціалу у розряді посідає область катодного темного простору. Ця різниця потенціалів між катодом і межею тліючого свічення отримала назву катодного падіння потенціалу. Досвід показує, що якщо сила струму в розряді не дуже велика, то величина падіння катодного потенціалу не залежить від сили струму (нормальне катодне падіння потенціалу). Зміна сили струму змінює лише величину поверхні, що світиться на катоді, яка збільшується зі збільшенням сили струму. Коли ж сила струму досягає такої величини, що катодна плівка покриває всю поверхню катода, катодне падіння потенціалу починає зростати зі збільшенням сили струму (аномальне падіння потенціалу катода).

Істотним для розуміння процесів у тліючому розряді є та обставина, що величина нормального катодного падіння потенціалу залежить лише від матеріалу катода та роду газу, причому катодне падіння потенціалу виявляється пропорційним роботі виходу електронів з катода.

Розглянуті властивості тліючого розряду призводять до наступної картини процесів, що підтримують розряд. Позитивні іони, що утворюються в результаті іонізації електронними ударами (в тліючому світінні і в позитивному стовпі), рухаються до катода і, проходячи через область падіння катодного потенціалу, набувають значної енергії. Під дією інтенсивного бомбардування швидкими позитивними іонами (а також внаслідок фотоефекту, викликаного випромінюванням розряду) з катодом вилітають електрони, що рухаються до аноду. Ці електрони в області катодного падіння потенціалу сильно прискорюються і при наступних зіткненнях з атомами газу їх іонізують. В результаті знову з'являються позитивні іони, які знову кидаючись на катод, виробляють нові електрони і т.д. Таким чином, основними процесами, що підтримують розряд, є іонізація електронними ударами в об'ємі та вторинна електронна емісія на катоді.

Існування катодного темного простору пояснюється тим, що електрони починають стикатися з атомами газу не відразу, а лише на деякій відстані від катода. Ширина катодного темного простору приблизно дорівнює середньої довжинивільного пробігу електронів: вона збільшується із зменшенням тиску газу. У катодному темному просторі електрони, отже, рухаються практично без зіткнень, утворюючи електронні або катодні промені. Якщо в катоді просвердлити малі отвори, то позитивні іони, що бомбардують катод, пройшовши через отвори, проникають у простір за катодом і утворюють різко обмежений пучок, що отримав назву каналових (або позитивних) променів, названих за знаком заряду, який вони несуть.

Розподіл концентрацій позитивних іонівта електронів у різних частинахрозряду дуже неоднаково. Так як позитивні іони рухаються набагато повільніше, ніж електрони, то у катода концентрація іонів значно більша, ніж концентрація електронів. Тому поблизу катода виникає сильний просторовий позитивний зарядщо викликає появу катодного падіння потенціалу. Навпаки, в області позитивного стовпа концентрації позитивних іонів та електронів майже однакові, і тут просторового заряду немає. Завдяки великій концентрації електронів позитивний стовп має гарну електропровідність і тому падіння напруги на ньому дуже мало.

Так як в позитивному стовпі є і позитивні іони, і електрони, то відбувається інтенсивна рекомбінація іонів, чим і пояснюється світіння позитивного стовпа.

Ми бачимо, що катодне падіння потенціалів необхідне підтримки тліючого розряду. Саме завдяки його наявності позитивні іони набувають необхідної енергії для утворення інтенсивної вторинної електронної емісії з катода, без якої тліючий розряд не міг би існувати. Тому катодне падіння потенціалу є найбільш характерна ознакатліючого розряду, що відрізняє цю форму газового розряду від інших форм.

Тліючий розряд широко використовують як джерело світла в різних газосвітніх трубках. У лампах денного світла випромінювання розряду, що тліє, поглинається шаром спеціальних речовин, нанесених на внутрішню поверхнютрубки, які під впливом поглиненого випромінювання своєю чергою починають світитися. Відповідним підбором цих речовин (люмінофорів) випромінювання, що випускається ними, можна зробити близьким до денного світла. Такі трубки виявляються економічнішими, ніж звичайні лампи розжарювання.

Газосвітні трубки застосовуються також для рекламних і декоративних цілей, для чого їм надають контури різних фігур і букв. Наповнюючи трубки різними газами, можна отримати свічення різного забарвлення (червоне у неону, синювато-зелене у аргону).

Користуючись тим, що падіння потенціалу катода залежить від матеріалу катода, можна зробити газосвітні трубки з малою напругою запалювання. Так, наприклад, у неоновій лампі, в якій електродами служать два залізні листочки, покриті шаром барію, внаслідок малості роботи виходу електронів у барію, катодне падіння потенціалу становить лише близько 70 В. Тому лампа запалюється вже при включенні в звичайну освітлювальну мережу. Такі лампи використовують із сигналізації в різній апаратурі (індикаторні лампи).

У лабораторній практиці використовують тліючий розряд для катодного розпилення металів, так як речовина катода в розряді, що тліє, поступово переходить у пароподібний стан і осідає у вигляді металевого нальоту на стінках трубки.

Причина катодного розпилення, ймовірно, полягає в тому, що кожен позитивний іон при зіткненні з катодом передає свою енергію спочатку невеликій групіатомів катоду. Це призводить до сильного місцевого підвищення температури, що виникає в окремих мікроскопічних областях катода, що призводить до випаровування металу в цих місцях. Поміщаючи в тліючому розряді проти катода різні предмети, Виявляється можливим покрити їх рівномірним і міцним шаром металу. Цим способом, зокрема, користуються виготовлення металевих дзеркал високої якості.

Залежно від тиску газу, конфігурації електродів та параметрів зовнішнього ланцюга існує чотири типи самостійних розрядів:

тліючий розряд;
іскровий розряд;
дуговий розряд;
коронний розряд.

1. Тліючий розряд виникає при низький тиск. Його можна спостерігати в скляній трубці з впаяними в кінці плоскими металевими електродами (рис. 8.5). Поблизу катода розташовується тонкий шар, що світиться, званий катодною плівкою, що світиться 2.

Між катодом та плівкою знаходиться астоновий темний простір 1. Праворуч від світиться плівки міститься шар, що слабо світиться, званий катодним темним простором 3. Цей шар переходить у область, що світиться, яку називають тліючим світінням 4, з тліючим простором межує темний проміжок – фарадєєво темний простір 5. Усі перелічені шари утворюють катодну частинутліючого розряду. Вся решта трубки заповнена газом, що святиться. Цю частину називають позитивним стовпом 6.

При зниженні тиску катодна частина розряду і фарадєєво темний простір збільшується, а позитивний стовп коротшає.

Вимірювання показали, що майже всі падіння потенціалу припадають на перші три ділянки розряду (астоновий темний простір, катодна плівка, що святиться, і катодна. темна пляма). Цю частину напруги, доданої до трубки, називають катодним падінням потенціалу.

В області тліючого світіння потенціал не змінюється - тут напруженість поля дорівнює нулю. Нарешті, у фарадеєвому темному просторі та позитивному стовпі потенціал повільно зростає.

Такий розподіл потенціалу викликаний утворенням у темному катодному просторі позитивного просторового заряду, обумовленого підвищеною концентрацією позитивних іонів.

Позитивні іони, прискорені падінням катодним потенціалу, бомбардують катод і вибивають з нього електрони. В астоновому темному просторі ці електрони, що пролетіли без зіткнень в область темного катодного простору, мають велику енергію, внаслідок чого вони частіше іонізують молекули, ніж збуджують. Тобто. інтенсивність свічення газу зменшується, зате утворюється багато електронів і позитивних іонів. Іони, що утворилися, на початку мають дуже малу швидкість і тому в катодному темному просторі створюється позитивний просторовий заряд, що і призводить до перерозподілу потенціалу вздовж трубки і до виникнення катодного падіння потенціалу.

Електрони, що виникли в темному катодному просторі, проникають в область тліючого світіння, яка характеризується високою концентрацією електронів і позитивних іонів коленарним просторовим зарядом, близьким до нуля (плазма). Тож напруженість поля тут дуже мала. В області тліючого свічення йде інтенсивний процесрекомбінації, що супроводжується випромінюванням енергії, що виділяється при цьому. Отже, тліюче світіння є, переважно, світіння рекомбінації.

З області тліючого свічення у фарадєєво темний простір електрони та іони проникають за рахунок дифузії. Імовірність рекомбінації тут сильно знижується, т.к. концентрація заряджених часток невелика. Тому у фарадеєвому темному просторі є поле. Електрони, що захоплюються цим полем, накопичують енергію і часто зрештою виникають умови, необхідні для існування плазми. Позитивний стовп є газорозрядною плазмою. Він виконує роль провідника, що з'єднує анод із катодними частинами розряду. Світіння позитивного стовпа викликане, переважно, переходами збуджених молекул в основний стан.

2. Іскровий розряд виникає у газі зазвичай за тисків порядку атмосферного. Він характеризується переривчастою формою. за зовнішньому виглядуіскровий розряд являє собою пучок яскравих зигзагоподібних тонких смуг, що розгалужуються, миттєво пронизують розрядний проміжок, що швидко гаснуть і постійно змінюють один одного (рис. 8.6). Ці смужки називають іскровими каналами.

Тгазу = 10 000 К

~ 40 см I= 100 кА t= 10 -4 c l~ 10 км

Після того, як розрядний проміжок «пробить» іскровим каналом, опір його стає малим, через канал проходить короткочасний імпульс струму. великої сили, протягом якого розрядний проміжок припадає лише незначне напруга. Якщо потужність джерела невелика, то після цього імпульсу струму розряд припиняється. Напруга між електродами починає підвищуватися до колишнього значення, і пробій газу повторюється з утворенням нового іскрового каналу.

У природних природних умовіскровий розряд спостерігається у вигляді блискавки. На малюнку 8.7 зображено приклад іскрового розряду – блискавка, тривалістю 0,2 ÷ 0,3 із силою струму 10 4 – 10 5 А, завдовжки 20 км (рис. 8.7).

3. Дуговий розряд . Якщо після отримання іскрового розряду від потужного джерелапоступово зменшувати відстань між електродами, то розряд із переривчастого стає безперервним, виникає нова формагазового розряду, звана дуговим розрядом(Рис. 8.8).


~ 10 3 А
Рис. 8.8

У цьому струм різко збільшується, досягаючи десятків і сотень ампер, а напруга на розрядному проміжку падає кілька десятків вольт. Відповідно до В.Ф. Літкевич (1872 – 1951), дуговий розряд підтримується, головним чином, за рахунок термоелектронної емісії з поверхні катода. Насправді – це зварювання, потужні дугові печі.

4. Коронний розряд (рис. 8.9).виникає в сильному неоднорідному електричному полі при порівняно високих тискахгазу (порядку атмосферного). Таке поле можна отримати між двома електродами, поверхня одного з яких має великою кривизною(Тонкий тяганина, вістря).

Наявність другого електрода необов'язкова, та його роль можуть грати найближчі, оточуючі заземлені металеві предмети. Коли електричне поле поблизу електрода з великою кривизною досягає приблизно 3∙10 6 В/м, навколо нього виникає свічення, що має вигляд оболонки або корони, звідки і походить назва заряду.

Тліючий розряд зручно спостерігати при зниженому тиску газу. Якщо до електродів, впаяним у скляну трубку довжиною 30-50 см, прикласти постійну напругу в кілька сотень ампер і потім поступово відкачувати повітря з трубки, то спостерігається наступне явище: при атмосферному тиску прикладена напруга недостатньо для пробою газу і трубка залишається темною. При зменшенні тиску газу в деякий момент у трубці виникає розряд, що має вигляд шнура, що світиться. При зменшенні тиску цей шнур розширюється і заповнює весь переріз трубки.

Особливого значення в тліючому розряді мають лише дві його частини - катодне темне простір і тліюче свічення, у яких відбуваються основні процеси, що підтримують розряд.

Катодне падіння потенціалів необхідне підтримки тліючого розряду. Саме завдяки його наявності позитивні іони набувають необхідної енергії для утворення інтенсивної вторинної електронної емісії з катода, без якої тліючий розряд не міг би існувати. Тому катодне падіння потенціалу є найбільш характерною ознакою тліючого розряду, що відрізняє цю форму газового розряду від інших форм.

Тліючий розряд широко використовують як джерело світла в різних газорозрядних трубках. У лампах денного світла випромінювання розряду, що тліє, поглинається шаром спеціальних речовин, нанесених на внутрішню поверхню трубки, які під дією поглиненого випромінювання в свою чергу починають світитися. Такі трубки виявляються більш економічними, ніж звичайні лампи розжарювання.

Газорозрядні трубки застосовуються також для рекламних та декоративних цілей, для чого їм надають контуру різних фігур і літер. Наповнюючи трубки різними газами, можна отримати свічення різного забарвлення.

Тліючий розряд

Тліючий розряд у неоні

Тліючий розряд- один із видів стаціонарного самостійного електричного розряду в газах. Формується, як правило, при низькому тиску газу та малому струмі. При збільшенні струму перетворюється на дуговий розряд .

На відміну від нестаціонарних (імпульсних) електричних розрядів у газах основні характеристики тліючого розряду залишаються відносно стабільними в часі.

Типовим прикладом тліючого розряду, знайомим більшості людей, є свічення неонової лампи.

Приєднаємо електроди до джерела постійного струмуз напругою кілька тисяч вольт (годиться електрична машина) і поступово відкачуватимемо з трубки повітря. При атмосферному тиску газ усередині трубки залишається темним, оскільки прикладена напруга кілька тисяч вольт недостатньо для того, щоб пробити довгий газовий проміжок. Однак коли тиск газу досить знизиться, в трубці спалахує розряд, що світиться. Він має вигляд тонкого шнура (у повітрі - малинового кольору, в інших газах - інших кольорів), що з'єднує обидва електроди. У цьому стані газовий стовпдобре проводить електрику.

При подальшому відкачуванні шнур, що світиться, розмивається і розширюється, і свічення заповнює майже всю трубку. При тиску газу кількадесятих міліметра ртутного стовпа розряд заповнює майже весь обсяг трубки. Розрізняють такі дві основні частини розряду: 1) частина, що не світиться, прилеглу до катода, що отримала назву темного катодного простору; 2) стовп газу, що світиться, заповнює всю решту трубки, аж до самого анода. Ця частина розряду зветься позитивного стовпа. При відповідному тиску позитивний стовп може розпадатися деякі шари, розділені темними проміжками, звані страти.

Описана форма розряду називається тліючим розрядом. Майже все світло походить від його позитивного стовпа. При цьому колір свічення залежить від роду газу. При розряді, що тліє, газ добре проводить електрику, а значить, у газі весь час підтримується сильна іонізація. Причинами іонізації газу в розряді, що тліє, є електронна емісія з катода під дією. високих температурабо сильного електричного поля, наступна іонізація молекул газу електронним ударом вільними електронами, вирваними з катода і летять у напрямку анода, а також вторинна електронна емісія електронів з катода, викликана бомбардуванням катода позитивно зарядженими іонами газу.

В даний час трубки з тліючим розрядом знаходять практичне застосуванняяк джерело світла – газорозрядні лампи. Для цілей освітлення часто застосовуються люмінесцентні лампи, в яких розряд відбувається в парах ртуті, причому шкідливе для зору ультрафіолетове випромінюванняпоглинається шаром флюоресцентної речовини - люмінофора, що покриває зсередини стінки лампи. Люмінофор починає світитися видимим світломдаючи в результаті світло, близьке за характеристиками до денного світла (люмінесцентні лампи денного світла). Такі лампи дають близьке до "природного" освітлення (але не повний спектр, як лампи розжарювання). Спектр світла, що випускається люмінесцентними лампами, дискретний - червона, зелена і синя складова в певній пропорції, плюс незначні спектральні піки інших кольорів від домішок люмінофора. Енергія освітлення розподіляється по цих вузьких смугах спектру, тому ці лампи значно (в 3-4 рази) економічніші за лампи розжарювання (у останніх до 95% енергії займає інфрачервона областьспектра, невидима людським оком).

Люмінесцентні лампи у побуті приходять на зміну лампам розжарювання, а на виробництві та у службових приміщеннях майже повністю їх витіснили. Однак люмінесцентні лампи не позбавлені недоліків. Так, наприклад, на виробництві використання люмінесцентних ламп пов'язане зі шкідливим стробоскопічним ефектом, що полягає в тому, що мерехтіння люмінесцентної лампиз частотою напруги живлення може збігтися за частотою обертання обробного механізму, при цьому сам механізм у світлі такої лампи для людини здаватиметься нерухомим, "вимкненим", що може призвести до травми. Тому застосовують додаткове підсвічування операційної зони простою лампою розжарювання, позбавленою такого недоліку через інерцію світлової віддачі нитки розжарювання.

Газорозрядні лампи використовуються також для декоративних цілей. У цих випадках їм надають обриси літер, різних фігур і т. д. і наповнюють газом гарним кольоромсвічення (неоном, що дає оранжево-червоне свічення, або аргоном з синювато-зеленим світінням).

Див. також

Література

Райзер Ю. П.Фізика газового розряду - 2-ге вид. – М.: Наука, 1992. – 536 с. - ISBN 5-02014615-3

Wikimedia Foundation. 2010 .

Дивитись що таке "Тліючий розряд" в інших словниках:

Один із видів стаціонарного самостійного електричного розряду в газах. Відбувається при низькій темп ре катода, відрізняється порівняно малою щільністю струму на катоді (... Фізична енциклопедія

Електричний розряду газі, що відрізняється порівняно малою щільністю струму на катоді і великим катодним падінням потенціалу. Підтримується електронною емісією з катода під дією ударів позитивних іонів та фотоелектронною емісією. Великий Енциклопедичний словник

тліючий розряд - Самостійний розряд, при якому електричне поле в розрядному проміжку визначається в основному величиною та розташуванням об'ємних зарядіві який характеризується наявністю катодного падіння потенціалу, значно більшого, ніж… Довідник технічного перекладача

Самостійний електричний розряд у газі, що відрізняється порівняно малою щільністю струму на катоді та великим катодним падінням потенціалу. Підтримується електронною емісією з катода під дією ударів позитивних іонів та фотоелектронної … Енциклопедичний словник

тліючий розряд- Glow Discharge Тліючий розряд Один із видів стаціонарного самостійного електричного розряду в газах. Формується, як правило, при низькому тиску газу та малому струмі. При збільшенні струму перетворюється на дуговий розряд. У… … Тлумачний англійсько-російський словникз нанотехнології. – М.

тліючий розряд- rusenantysis islydis statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. glow discharge vok. Glimmentladung, f rus. тліючий розряд, m pranc. décharge luminescente, f … Automatikos terminų žodynas

тліючий розряд- rusenantysis islydis statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. glow discharge vok. Glimmentladung, f rus. тліючий розряд, m pranc. décharge en lueur, f; décharge luminescente, f; effluve, f … Fizikos terminų žodynas

Один із видів стаціонарного самостійного електричного розряду в газах. Відбувається при низькій температурі катода, відрізняється порівняно малою щільністю струму на катоді і більшим (близько сотень…) Велика Радянська Енциклопедія

Самостійний електрич. розряд у газі, що відрізняється порівняно малою щільністю струму на катоді та великим катодним падінням потенціалу. Підтримується електронною емісією з катода під впливом ударів покладе. іонів та фотоелектронною емісією … Природознавство. Енциклопедичний словникДокладніше електронна книга