электрические приборы и машины
 
 
   
 
   
 
 
     
 
Главная / Электронные приборы / Газоразрядные приборы / Движение электронов в газе и виды газового разряда

Движение электронов в газе и виды газового разряда

Газоразрядные приборы в простейшем виде они представляют собой систему из двух металлических электродов, помещенных в герметизированный, чаще всего стеклянный баллон. Баллон после откачки воздуха обычно наполняется инертными газами — неоном, гелием, аргоном или парами ртути. При работе прибора инертные газы не взаимодействуют с материалом электродов и поэтому давление газа внутри баллона остается неизменным.

Вследствие влияния космических лучей или радиоактивного излучения земной коры внутри баллона происходит ионизация некоторой части молекул газа, в результате чего образуются положительные и отрицательные ионы. Ионы вместе с нейтральными атомами и молекулами находятся в тепловом хаотическом движении. При появлении разности потенциалов между анодом и катодом внутри баллона начинается упорядоченное, направленное движение зарядов. Во внешней цепи газоразрядного прибора возникает ток. Этот ток очень невелик и практического применения не имеет. Однако при увеличении разности потенциалов между электродами скорость движения ионов, а следовательно, и их кинетическая энергия возрастают.

При столкновении ионов с нейтральными атомами газа происходит ионизация этих атомов, т. е. с внешней оболочки встречного атома газа выбиваются электроны. Внутри баллона появляются электроны и положительные ионы. Ионы устремляются к катоду, а электроны — к положительно заряженному аноду.

Двигаясь к аноду, электроны сталкиваются с молекулами и атомами газа. Вероятность этих столкновений зависит как от скорости электронов, так и от давления газа внутри баллона. Если скорости электронов невелики, то, сталкиваясь с атомами газа, они отдают им часть своей энергии. При этом атомы изменяют лишь свою скорость, а электроны продолжают двигаться далее до следующих столкновений с атомами газа.

С увеличением скорости электронов (при еще большей разности потенциалов) во время столкновения происходит возбуждение атомов газа. Часть их электронов, получая энергию от летящих электронов, переходит на более высокие уровни энергии, возможные для данного атома. Атом становится возбужденным. Однако электроны на новых уровнях энергии находятся очень малое время — порядка десятых или сотых долей микросекунды, после чего возвращаются на прежнюю орбиту к своему обычному энергетическому состоянию, испуская при этом свет определенной частоты.

Наименьшая ускоряющая разность потенциалов, в результате которой электрон приобретает энергию, достаточную для возбуждения атома газа, называется потен-циалом возбуждения газа. Каждый газ имеет свой потенциал возбуждения, например: аргон — 11,6 в, гелий — 19,7 б, водород — 10 в, кислород — 8 в, пары ртути — около 5 в.

Дальнейшее увеличение разности потенциалов между электродами вызывает еще большее увеличение скорости электронов. Движущиеся электроны приобретают энергию, достаточную для ионизации атомов газа, а положительные ионы бомбардируют катод, вызывая электронную эмиссию с его поверхности. Наименьшая ускоряющая разность потенциалов, в результате которой электрон приобретает энергию, достаточную для ионизации атома газа, называется потенциалом ионизации газа. Потенциал ионизации газа выше потенциала возбуждения. Он различен для разных газов. Так, для гелия потенциал ионизации равен 24,5 в, для аргона и кислорода — 15,5 в.

Таким образом, при определенной разности потенциалов между электродами возникает самостоятельный газовый разряд, для возникновения и поддержания которого не требуется внешний источник ионизации. Помимо приборов с самостоятельным разрядом (приборов с холодным катодом), практическое применение имеют газоразрядные приборы с несамостоятельным разрядом. В этих приборах для поддержания тока используется, как правило, термоэлектронная эмиссия с катода. Однако при эксплуатации газоразрядного прибора с накаливаемым катодом имеется опасность выхода из строя активированного слоя катода, вследствие бомбардировки его положительными ионами. Поэтому предельно допустимая величина анодного напряжения, которую можно подавать на прибор с оксидным катодом, не превышает 20—30 в.

На рис. 55 изображена схема включения двухэлектрод-ного ионного прибора с холодным катодом и его вольт-амперная характеристика. Вольт-амперной характеристикой газоразрядного прибора называется зависимость тока газоразрядного прибора от напряжения, приложенного к его электродам.

 

Черная точка внутри баллона условно обозначает наличие газа в баллоне, который обычно находится в разреженном состоянии.

Рис. 55. Двухэлектродный  ионный  прибор:  а — схема включения; б — вольт-амперная характеристика.

При появлении разности потенциалов U между анодом и катодом сразу же появляется ток I, обусловленный наличием в приборе начальной ионизации. Разности потенциалов Uaк1 соответствует такое значение тока I1, которое сохраняется при увеличении напряжения между анодом и катодом до разности потенциалов Uaк2. В приборе имеет место режим насыщения, при котором все свободные электроны достигают анода. Прохождение тока через прибор не сопровождается свечением газа, поэтому такой электрический разряд в газе называют темным или тихим.

С увеличением напряжения до Uaк3 — до напряжения зажигания — возникает ударная ионизация: с поверхности катода начинается термоэлектронная эмиссия, вызванная бомбардировкой его положительными ионами, обладающими при этом напряжении весьма большими скоростями. Количество выбиваемых из катода электронов становится достаточным для поддержания в приборе самостоятельного разряда. Вновь образовавшиеся электроны вызывают дополнительное возбуждение и ударную ионизацию атомов газа, находящихся вблизи катода. Ток резко возрастает, а напряжение на приборе падает до Uaк4. При этом наблюдается катодное свечение газа, которое охватывает часть поверхности катода.

Понижение напряжения на приборе объясняется перераспределением анодного напряжения Еa между ограничительным резистором Rогр и внутренним сопротивлением прибора Ra0. До возникновения самостоятельного разряда величина R0 была больше Rогр. При замыкании прибора (при тлеющем разряде) внутреннее сопротивление его падает; напряжение на Rогр возрастает, а напряжение на приборе U = Еa — I0Rогр уменьшается. Таким образом, появление тлеющего разряда сопровождается увеличением тока при резком снижении Uaк3 до Uaк4.

В междуэлектродном пространстве прибора образуется ионизированный газ, состоящий из электронов и ионов, — газоразрядная плазма, которая обладает высокой проводимостью. Поэтому падение напряжения на ней пренебрежимо мало. Напряжение, приложенное к прибору, падает в основном на участке между катодом и положительным пространственным зарядом, состоящим из тяжелых и малоподвижных ионов, который выполняет роль своеобразного «газового анода», расположенного вблизи катода. Падение напряжения между катодом и газовым анодом называют нормальным катодным падением напряжения.

Уменьшение сопротивления Rогр или повышение напряжения Еa приводит к увеличению напряженности электрического поля между катодом и газовым анодом, скорости электронов возрастают и ионизация происходит все ближе к катоду. Ток в цепи увеличивается, а «газовый анод» перемещается ближе к катоду. Площадь светящейся поверхности катода становится больше, плотность же тока катода, т. е. ток, приходящийся на единицу площади, остается неизменной. Нормальное катодное падение напряжения при этом не меняется: I0R0 = Uaк4 = const (ток возрастает, а сопротивление падает, потому что увеличивается рабочая поверхность катода). Этому режиму соответствует участок вольт-амперной характеристики АВ. Точка В характеризует режим, при котором вся поверхность катода покрыта свечением.

Дальнейшее увеличение напряжения Еa сопровождается повышением плотности тока. Ток растет, и напряжение на приборе также возрастает. Наступает режим аномального катодного падения напряжения.

При напряжении Uaк5 тлеющий разряд переходит в дуговой самостоятельный разряд. Катод, вследствие увеличения плотности тока, нагревается и с его поверхности начинается термоэлектронная эмиссия, сопротивление прибора мало, токи же достигают сотен и тысяч ампер. Поэтому дуговой разряд имеет место при пониженном падении напряжения на приборе  Uaк6.

При дуговом разряде положительный пространственный заряд (газовый анод) приближается почти вплотную к катоду. Напряженность электрического поля между катодом и газовым анодом составляет величину порядка нескольких десятков миллионов вольт на сантиметр, так как

                                      (75)

где d — расстояние между катодом и газовым анодом в см.

Возникает так называемая автоэлектронная эмиссия: электрическое поле вырывает электроны с поверхности катода.

Во время работы газоразрядного прибора в нем происходит также и процесс рекомбинации (воссоединение электронов и положительных ионов), сводящийся к образованию нейтральных атомов. После выключения прибора происходит процесс деионизации  (исчезновение электронов и ионов).

Следует отметить, что ионизация газа и деионизация — процессы инерционные. На деионизацию, например, затрачивается время порядка 10-3—10-4 сек. Поэтому ионные приборы практически удовлетворительно работают на частотах не более 10 кгц.

 
 
     
 
Copyright © 2012 Электродвигатели и трансформаторы
электрические приборы и машины
Rambler's Top100
Создание сайта Вебцентр