Емісія електронів. Електричний струм в газах (стр. 3 из 4)

При сталій дії іонізатора на газ концентрація зарядів в газі збільшується, тому збільшується й ймовірність зустрічі різнойменних зарядів і їх нейтралізація.

Процес нейтралізації двох різнойменних іонів, або позитивного іона та електрона при їх зіткненні називається рекомбінацією. Причому при рекомбінації надлишкова енергія виділяється, здебільшого, в вигляді кванта світла, тобто процес рекомбінації може супроводжуватись світінням газу.

Рис. 3

Таким чином, при дії іонізатора на газ в закритій посудині буде відбуватись іонізація та рекомбінація і при цьому настане динамічна рівновага: кількість пар зарядів, що виникають під дією іонізатора буде дорівнювати кількості рекомбінуючих пар зарядів. Такий рівноважний стан характеризується певною концентрацією зарядів n. Наприклад: в атмосфері Землі під впливом радіоактивного випромінювання Землі та космічних променів

. Отже, при наявності зарядів в газі, газ може проводити електричний струм.

Процес проходження електричного струму через газ називається газовим розрядом.

Досліди показують, що характер газового розряду залежить від багатьох факторів: хімічної природи, тиску, температури газу; геометрії і температури електродів, напруги, тощо.

Газовий розряд може мати різноманітні форму і супроводжуватися світінням та звуковими ефектами.

По способу одержання вільних зарядів розрізняють два види електричних розрядів:

несамостійний розряд.

самостійний розряд.

НЕСАМОСТІЙНИЙ ТА САМОСТІЙНИЙ РОЗРЯДИ ТА ЇХ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Несамостійним розрядом називають такий розряд для виникнення і підтримання якого крім електричного поля необхідний зовнішній іонізатор. Такий розряд не супроводжується світінням газу і якщо іонізатор припиняє свою дію, то припиняється і газовий розряд.

Провідність газів можна вивчити за допомогою установки, схема якої приведена на рис. 1.

Рис. 1

Газ заповнює скляний балон І на газ діє іонізатор S . Змінюючи напругу U між електронами і вимірюючи силу струму І знаходимо залежність струму від напруги – ВАХ газового розряду, яка має вигляд, зображений на рис. 2

Рис. 2

Розглянемо несамостійний розряд. При наявності електричного поля позитивні іони рухаються до катоду, одержують від металу електрон і перетворюються в нейтральні атоми, негативні іони та електрони рухаються до аноду.

Причому, як видно із графіка при малих напругах виконується закон Ома (ОА)

,

де s - питома електропровідність газового розряду.

Така залежність пояснюється тим, що із збільшенням напруги збільшується число зарядів, які надходять із об’єму газу на електроди. Оскільки густина струму J = enu , струм в газі визначається рухом іонів обох знаків, то для густини струму в газі одержимо:

,

де

і - заряди іонів, і - їх концентрація, і - відповідно їх швидкості. Так як швидкість іонів пропорційна напруженості поля

де

і - рухливості іонів, то для випадку одновалентних іонів маємо

.

Порівнюючи цей вираз з законом Ома

одержимо питому електропровідність газу

Рухливість іонів чисельно дорівнює швидкості їх напрямленого руху при напруженості поля E = 1В/м. Закон Ома виконується для напруг, менших

.

При подальшому збільшенні напруги (

) – ділянка ВС, струм в газі буде сталим, незмінним. Цей струм називають струмом насичення . Це такий струм, коли всі заряди, що виникають під впливом іонізатора ( попадають на електроди. Причому

,

де d – відстань між електродами.

Струм насичення не залежить від напруги і являється важливою характерною несамостійного розряду. Але якщо й дальше збільшувати напруги то струм в газі почне різко збільшуватись (ділянка СД) і несамостійний газовий розряд перетворюється в самостійний – це такий розряд, який зберігається після припинення дії іонізатора. Причому газ починає інтенсивно світитись за рахунок рекомбінації зарядів.

Напруга, при якій несамостійний розряд перетворюється в самостійний називається напругою запалювання, або напругою пробою

.

При самостійному розряді заряди в газі утворюються за рахунок ударної іонізації. А це можливо тоді, коли під дією зовнішнього електричного поля електрон на шляху вільного пробігу набуває енергії, більшої за енергію (роботу) іонізації. При непружному зіткненні електрона з атомом газу виникають позитивний іон і один новий електрон. При наступному непрожному удару вже двох електронів з атомами виникає додатково ще два нових електрони і т.д. Такий процес називають електронною, або іонною лавиною. Але цього недостатньо. Щоб розряд був самостійним, щоб електронні лавини підтримували самі себе, треба щоб у газі відбувався ще один процес, в результаті якого утворювалися б нові електрони. Це може бути вторинна електронна емісія, фотоіонізація газу.

Внаслідок електронної лавинної іонізації струм самостійного газового розряду (рис.2 СД) різко зростає і його необхідно обмежувати. Для цього послідовно з газовим розрядом включають навантаження (дросель або резистор).

ВИДИ САМОСТІЙНОГО РОЗРЯДУ

Самостійний розряд розпочинається тоді, коли на довжині вільного пробігу електрон в електричному полі набуває кінетичну енергію достатню для іонізації атомів чи молекул. Причому, після кожного зіткнення кількість електронів подвоюється і загальна кількість зарядів в газі різко збільшується, утворюється лавина зарядів.

Сила струму, що виникає при самостійному розряді визначається за формулою:

,

де

- струм насичення, який проходив би в газі при відсутності ударної іонізації, b - коефіцієнт іонізації, d - відстань між електродами.

Існує декілька видів самостійного розряду: тліючий, іскровий, дуговий, коронний.

Тліючий розряд виникає при малих тисках газу (p» 1мм рт.ст.) і характеризується тліючим свіченням поверхні катода, а в розрядному просторі виникає ряд світлих і темних ділянок (рис. 3).

Рис. 3

Ділянки мають назву:

1 – астоновий темний простір.

2 – катодне світіння.

3 - темний круксовий простір.

4 - тліюче (від’ємне) світіння.

5 - темний фардеєвий простір.

6 - позитивний світний стовп.

Важливу роль в механіці тліючого розряду відіграє катодний спад потенціалу (рис.3). Під дією поля в цій області ( 1 ) електрони набувають енергію достатню для збудження молекул і світіння яких створює в катодну плівку ( 2 ). Позитивні іони в цьому просторі вибивають з катоду вторинні електрони, які необхідні для підтримання розряду.

Темний круксовий простір ( 3 ) пояснюється тим, що електрони в цьому проміжку мають ще невелику енергію і пролітаючи її прискорюються настільки що в області ( 4 ) іонізують атоми і молекули тому за рахунок рекомбінації виникає тліюче свічення ( 4 ). Потім знову йде прискорення електронів ( 5 ) до енергії достатньої для збудження та іонізації молекул і в цьому просторі виникає позитивний світний стовп ( 6 ).

Тліючий розряд має важливе практичне використання: в люмінесцентних лампах, рекламній справі, різних сигнальних неонових лампах, в газових стабілізаторах, цифрових індикаторах і ін.

Коронний розряд спостерігається при порівняно високих тисках газу (атмосферний тиск), що знаходиться в досить неоднорідному електричному полі. Таке поле створюється, якщо один з електродів має значну кривизну (дротина, вістря і ін.) При досягненні напруженості 3.106 В/м електричного поля біля електрода з великою кривизною виникає свічення, що має форму корони. Коронний розряд займає проміжне положення між тліючим і іскровим розрядом.

Коронний розряд необхідно враховувати в техніці високих напруг, оскільки при цьому відбуваються втрати електричної енергії. Коронний розряд використовують в електричних фільтрах, призначених для очищення промислових газів від твердих і рідких домішок (дим при виробництві сірчаної кислоти, в металургії і ін.).