Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
§ 54. Тлеющий разряд
Явления, происходящие в вакуум-трубке при тлеющем разряде, описаны нами в § 53. Там же пояснены термины, определяющие основные зоны тлеющего разряда: первый катодный слой, тёмное катодное (круксово) пространство, второй катодный слой, тёмное анодное (фарадеево) пространство, анодное свечение.
Когда мы соединяем электроды эвакуированной трубки с полю сами источника высокого напряжения, то свободные положительные ионы, всегда имеющиеся в газе, устремляются к катоду. При не больших разрежениях скорости их недостаточны для того, чтобы при соударении с поверхностью катода вызвать вырывание из веще ства катода электронов, однако, если разрежение и, следовательно, средний свободный путь значительны, то скорость положительных ионов достигает «критической величины», и катод под влиянием бомбардировки ионами становится источником электронов, вы брасываемых в окружающее катод пространство и устремляющихся к аноду.
Удары электронов о нейтральные молекулы газа возбуждают све чение газа и частично ионизацию газа. В тёмном круксовом про странстве (которое в действительности тоже светится, но кажется тёмным по контрасту с яркими катодными слоями) скорость элек тронов быстро возрастает. Второй катодный слой является областью наиболее интенсивных со ударений электронов с нейтральными молекулами. Эти соударения тормозят движение электронов. В тём ном фарадеевом пространст ве электроны движутся к аноду с меньшей скоростью, чем в круксовом простран стве.
Движение электронов и ионов с неравномерной ско ростью создаёт неравномер ное распределение их заря дов в пространстве между электродами; это существенно деформирует поле между электродами; падение потенциала вдоль вакуум-трубки делается неравномерным, что в свою очередь усугубляет неравномерность распределения заря дов по пространству.
В итоге устанавливается то характерное для тлеющего разряда изменение потенциала вдоль трубки, которое представлено на рис. 203
Рис. 203. Распределение потенциала при тлеющем разряде.
(измерение потенциала производят, смещая электроды относительно зонда; рис. 204).
Рис. 204. Схема опытов по измерению потенциала в различных точках газоразрядной трубки.
При удалении от анода потенциал медленно падает в области положительного свечения, почти не изменяется в области тлеющего свечения (второй катодный слой) и резко падает близ ка тода в области круксова тёмного пространства. Это резкое падение потенциала близ катода, так называемое катодное падение потен циала, имеет ту или иную величину (порядка 100—300 в) в зави симости от природы газа и вещества катода.
Длина / круксова тёмного пространства, где имеет место катодное падение потенциала, определяется свободным пробегом ионов и поэтому возрастает при уменьшении плотности газа; произведение длины l на давление газа остаётся постоянным:
lp=const.
Кинетическая энергия, накапливаемая электронами при пробеге круксова пространства, является достаточной для ионизации газа в области тлеющего свечения (второго катодного слоя); здесь обра зуются положительные ионы, необходимые для поддержания разряда. Если анод приближать к катоду, то расположение катод ных слоев не изменяется и только укорачивается область положи тельного свечения (рис. 205).
Рис. 205. Положение анода не влияет на расположение катодных слоев при тлеющем разряде.
Но если анод приблизить до тлеющего свечения, то приостанавливается нормальное образование положитель ных ионов, необходимых для поддержания разряда, и разряд прекращается.
Форма и расположение столба положительного свечения зависят от внутренних очертаний трубки (рис. 206).
Рис. 206. Влияние расположения электродов и формы трубки на вид тлеющего разряда.
Когда расстояние между электродами меньше того, которое нужно, чтобы на нём поместились тёмное катодное пространство и светящиеся катодные слои, то тлею щий разряд может избрать себе более длинный путь (рис. 207).
Рис. 207. В случае слишком малого расстояния между электродами тлеющий разряд осуществляется по более длинному пути.
Положительный столб нередко распадается на отдельные чередующиеся светлые и тёмные полосы — страты. В этом случае тлеющий разряд называют слоистым (рис. 208).
Рис. 208. Некоторые формы страт в слоистом положительном столбе.
Если сопоставлять тлеющий разряд в одном и том же газе, но при катодах, изготовленных из разных металлов, то обнаруживается, что катодное падение потенциала пропорционально работе выхода электрона из металла (о работах выхода сказано в §§ 40 и 92). Коэффициент пропорциональности в этой линейной зависимости между катодным падением потенциала и работой выхода неодинаков для газов различной химической природы (рис. 209).
Рис. 209. Катодное падение потенциала пропорцио нально работе выхода электрона из металла.
Температура газа у самого катода выше, чем в соседних зонах тлеющего разряда. Положительные ионы, бомбардирующие катод, вырывают из катода не только электроны, но и нейтральные атомы металла: происходит распыление металла, из которого изготовлен катод. Чем больше масса ионов, ударяющихся о катод, тем сильнее происходит катодное распыление металла. Поэтому в тяжёлых газах распыление больше, чем в лёгких. Понятно, что катодное распыле ние тем более велико, чем больше плотность тока. Наиболее легко распыляются висмут, сурьма, свинец, кадмий, серебро. Катодное рас пыление применяют для получения тонких металлических слоев на стекле, слюде и (когда желают получить тонкую металлическую плёнку) на веществах, которые легко удалить растворением.
Положительное свечение тлеющего разряда используют в качестве источника света (в так называемых газосветных трубках, содержа щих инертные газы). Яркость свечения положительного столба зави сит от плотности тока, от давления и химической природы газа и от влияния стенок разрядной трубки. При малых давлениях газа положительное свечение заполняет всё сечение цилиндрической раз рядной трубки. При давлениях порядка нескольких десятков миллиметров ртутного столба, а также при увеличении тока положительный столб суживается, отделяясь от стенок трубки. При давлениях порядка одной или нескольких атмосфер положительное свечение приобретает вид ярко светящегося шнура, расположенного по оси трубки. Такое отшнуровывание положительного столба про исходит потому, что температура газа у стенок трубки меньше, чем в осевой области. В связи с этим плотность газа около оси меньше, чем у стенок; стало быть, свободный пробег электронов около оси больше, и поэтому здесь устанавливается более высокая степень ионизации газа; это приводит к тому, что плотность разрядного тока по оси оказывается больше, что в свою очередь вызывает ещё большее нагревание газа. В парах ртути при давлении в 1 атмо сферу температура газа в отшнурованном положительном столбе равна 5000—6000° К, а при давлении 200—300 атмосфер она дости гает 8000—10000°.