0 U
Чим більше різниця потенціалів між електродами, тим більше напруженість електричного поля. Кінетична енергія електрона перед черговим зіткненням пропорційна напруженості поля і довжині вільного пробігу електрона: MV
2 /
2 = eEl. Якщо кінетична енергія електрона перевершує роботу A
i, яку потрібно зробити, щоб іонізувати нейтральний
атом (або молекулу), тобто MV
2> A
i, то при зіткненні електрона з атомом (або молекулою) відбувається його іонізація. У результаті замість одного електрона виникають два (налетающий на атом і вирваний з атома). Вони, у свою чергу, отримують енергію у полі і ионизуют
зустрічні атоми і т.д.. Внаслідок цього кількість заряджених частинок швидко наростає, виникає електронна лавина. Описаний процес називають
іонізацією електронним ударом. Але одна іонізація електронним ударом не може забезпечити підтримання самостійного заряду. Дійсно, адже всі виникаючі таким чином електрони рухаються у напрямку до анода і після досягнення анода «вибувають з гри». Для підтримки розряду необхідна емісія електронів з катода («емісія» означає «випускання»). Емісія електрона може бути обумовлена декількома причинами.
Позитивні іони, що утворилися при зіткненні електронів з нейтральними атомами, при своєму русі до катода набувають під дією поля велику кінетичну енергію. При ударах таких швидких іонів про катод з
поверхні катода вибиваються електрони.
Крім
того, катод може випускати електрони при нагріванні до великої температури. Цей процес називається
термоелектронної емісією. Його можна розглядати як випаровування електронів з металу. У багатьох твердих речовинах термоелектронна емісія відбувається при температурах, при яких випаровування самого речовини ще мало. Такі речовини і використовуються для виготовлення катодів.
При самостійному розряді нагрів катода може відбуватися за рахунок бомбардування його позитивними іонами. Якщо енергія іонів не дуже велика, то вибивання електронів з катода не відбувається і електрони випромінюються внаслідок термоелектронної емісії.
6) Різні типи самостійного розряду та їх технічне застосування. У залежності від властивостей і стану газу,
характеру і розташування електродів, а також від прикладеної до електродів напруги виникають різні види самостійного розряду. Розглянемо кілька з них.
A. Тліючий розряд. Тліючий розряд спостерігається в газах при низьких тисках порядку декількох десятків міліметрів ртутного стовпа і менше. Якщо розглянути трубку з тліючим розрядом, то можна побачити, що основними частинами тліючого розряду є
катодне темний простір, різко віддалене від нього
негативне, або
тліюче світіння, яке поступово переходить в область
фарадеева темного простору. Ці три області утворюють катодну частина розряду, за якою слід основна світна частина розряду, яка визначає його оптичні властивості і звана
позитивним стовпом. Основну роль у підтримці тліючого розряду грають перші дві області його катодного частини.
Характерною особливістю цього типу розряду є різке падіння потенціалу поблизу катода, яке пов'язане з великою концентрацією позитивних іонів на кордоні I і II областей, зумовленої порівняно малою швидкістю руху іонів у катода. У катодному темному просторі відбувається сильне прискорення електронів і позитивних іонів, які вибивають електрони з катода. В області тліючого світіння електрони виробляють інтенсивну ударну іонізацію молекул газу і втрачають свою енергію. Тут утворюються позитивні іони, необхідні для підтримки розряду. Напруженість електричного поля в цій області мала. Тліюче світіння в основному викликається рекомбінацією іонів і електронів. Протяжність катодного темного простору визначається властивостями газу і матеріалу катода.
В області позитивного стовпа концентрація електронів та іонів приблизно однакова і дуже велика, що зумовлює велику електропровідність позитивного стовпа і незначне падіння в ньому потенціалу. Світіння позитивного стовпа визначається світінням збуджених молекул газу. Поблизу анода знову спостерігається порівняно різку зміну потенціалу, пов'язане з
процесом генерації позитивних іонів. У ряді випадків позитивний стовп розпадається на окремі світяться ділянки -
страти, розділені темними проміжками.
Позитивний стовп не відіграє суттєвої ролі в підтримці тліючого розряду, тому при зменшенні відстані між електродами трубки довжина позитивного стовпа скорочується і він може зникнути зовсім. Інакше йде справа з довжиною катодного темного простору, яка при зближенні електродів не змінюється. Якщо електроди зблизилися настільки, що відстань між ними стане менше довжини катодного темного простору, то тліючий розряд у газі припиниться. Досліди показують, що за інших рівних умов довжина d катодного темного простору назад пропорційна тиску газу. Отже, при досить низькому тиску електрони, вибивані з катода позитивними іонами, проходять через газ майже без сутичок з його молекулами, утворюючи
електронні, або
катодні промені. Тліючий розряд використовується в газосвітних трубках, лампах денного світла, стабілізаторах напруги, для отримання електронних і іонних пучків. Якщо в катоді зробити щілину, то крізь неї у простір за катодом проходять вузькі іонні пучки, часто звані
каналових променями. Широко використовується явище
катодного розпилення, тобто руйнування поверхні катода під дією вдаряються об нього позитивних іонів. Ультрамікроскопічні осколки матеріалу катода летять на всі боки по прямих лініях і покривають тонким шаром поверхню тіл (особливо діелектриків), поміщених в трубку. Таким способом виготовляють
дзеркала для низки приладів, наносять тонкий шар металу на селенові фотоелементи.
B. Коронний розряд. Коронний розряд виникає при нормальному тиску в газі, що знаходиться в сильно неоднорідному електричному полі (наприклад, близько вістрям або проводів ліній високої напруги). При коронному розряді іонізація газу і його світіння відбуваються лише поблизу коронуючих електродів. У разі коронування катода (негативна корона) електрони, що викликають ударну іонізацію молекул газу, вибиваються з катода при бомбардуванні його позитивними іонами. Якщо коронирующим анод (позитивна корона), то народження електронів відбувається внаслідок фотоіонізації газу поблизу анода. Корона - шкідливе явище, що супроводжується витіканням струму і втратою електричної енергії. Для зменшення коронування збільшують радіус кривизни провідників, а їх поверхню роблять максимально гладкою. При досить високій напрузі між електродами коронний розряд переходить в іскровий.
При підвищеній напрузі коронний розряд на вістрі набуває вигляду виходять з вістря і переміжних в часі світлих ліній. Ці лінії, що мають ряд зламів і вигинів, утворюють подобу кисті, внаслідок чого такий розряд називають
кистьовим. Заряджена грозова
хмара індукує на поверхні Землі під собою
електричні заряди протилежного знака. Особливо великий заряд накопичується на вістрях. Тому перед грозою або під час грози нерідко на вістрях та гострих кутах високо піднятих предметів спалахують схожі на пензлики конуси світла. З давніх часів це світіння називають вогнями святого Ельма.
Особливо часто свідками цього явища стають альпіністи. Іноді лажі не тільки металеві предмети, а й кінчики волосся на голові прикрашаються маленькими світяться китицями.
З коронним розрядом доводиться рахуватися, маючи справу з високою напругою. При наявності виступаючих частин або дуже тонких проводів може початися коронний розряд. Це призводить до витоку електроенергії. Чим вище напруга високовольтної лінії, тим товщі повинні бути дроти.
C. іскровий розряд. Іскровий розряд має вигляд яскравих зигзагоподібних розгалужуються ниток-каналів, які пронизують розрядний проміжок і зникають, замінюючись новими. Дослідження показали, що канали іскрового розряду починають рости іноді від позитивного електрода, іноді від негативного, а іноді і від якої-небудь точки між електродами. Це пояснюється тим, що іонізація ударом у випадку іскрового розряду відбувається не з усього обсягу газу, а по окремих каналах, що проходять в тих місцях, в яких концентрація іонів випадково виявилася найбільшою. Іскровий розряд супроводжується виділенням великої кількості теплоти, яскравим світінням газу, тріском або громом. Всі ці явища викликаються електронними та іонними
лавинами, які виникають в іскрових каналах і призводять до величезного збільшення тиску, що досягає
10 Липня ¸
10 серпня Па, і підвищенню температури до 10000 ° С.
Характерним прикладом іскрового розряду є блискавка. Головний канал блискавки має діаметр від 10 до 25 см., а довжина блискавки може досягати декількох кілометрів. Максимальна сила струму імпульсу блискавки досягає десятків і сотень тисяч ампер.
При малій довжині розрядного проміжку іскровий розряд викликає специфічне руйнування анода, зване
ерозією. Це явище було використано в електроіскровому методі різання, свердління та інших видах точної обробки металу.
Іскровий проміжок застосовується в якості запобіжника від перенапруги в електричних лініях передач (наприклад, в
телефонних лініях). Якщо поблизу лінії проходить сильний короткочасний струм, то в проводах цієї лінії індукуються напрузі і струми, які можуть зруйнувати
електричну установку і небезпечні для
життя людей. Щоб уникнути цього використовуються спеціальні запобіжники, що складаються з двох вигнутих електродів, один з яких приєднаний до лінії, а інший заземлений. Якщо потенціал лінії відносно землі сильно зростає, то між електродами виникає іскровий розряд, який разом з нагрітим їм повітрям піднімається вгору, подовжується і обривається.
Нарешті,
електрична іскра застосовується для вимірювання великих різниць потенціалів за допомогою
кульового розрядника, електродами якого служать два металеві кулі з полірованою поверхнею. Кулі розсовують, і на них подається вимірювана різниця потенціалів. Потім кулі зближують до тих пір, поки між ними не проскочить іскра. Знаючи діаметр куль, відстань між ними, тиск, температуру і вологість повітря, знаходять різницю потенціалів між кулями за спеціальними таблицями. Цим методом можна вимірювати з точністю до кількох відсотків різниці потенціалів порядку десятків тисяч вольт.
D. Дуговий розряд. Дугового розряд був відкритий В. В. Петровим у 1802 році. Цей розряд являє собою одну з форм газового розряду, здійснювану при великій щільності струму і порівняно невеликій напрузі між електродами (порядку декількох десятків вольт). Основною причиною дугового розряду є інтенсивне випускання термоелектронів розпеченим катодом. Ці електрони прискорюються електричним полем і виробляють ударну іонізацію молекул газу, завдяки чому електричний опір газового проміжку між електродами порівняно мало. Якщо зменшити опір зовнішнього ланцюга, збільшити силу струму дугового розряду, то провідність газового проміжку настільки сильно зросте, що напруга між електродами зменшується. Тому кажуть, що дуговий розряд має падаючу вольт-амперна характеристику. При
атмосферному тиску температура катода досягає 3000 ° C. Електрони, бомбардуючи анод, створюють у ньому змову (кратер) і нагрівають його. Температура кратера близько 4000 ° С, а при великих тисках повітря досягає 6000-7000 ° С. Температура газу в каналі дугового розряду досягає 5000-6000 ° С, тому в ньому відбувається інтенсивна термоіонізація.
У ряді випадків дугового розряд спостерігається і при порівняно низькій температурі катода (наприклад, в ртутної дугової лампи).
У 1876 році П. М. Яблочков вперше використовував електричну дугу як джерело світла. У «свічці Яблочкова» вугілля були розташовані паралельно і розділені зігнутої прошарком, а їх кінці з'єднані проводять «запальним містком». Коли струм включався, запальний місток згорав і між вугіллям утворювалася електрична дуга. По мірі згорання вугілля ізолююча прошарок випаровувалася.
Дугового розряд застосовується як джерело світла і в наші дні, наприклад в прожекторах та проекційних апаратах.
Висока температура дугового розряду дозволяє використовувати його для пристрою дугового печі. В даний час
дугові печі, що живляться струмом дуже великої сили, застосовуються в ряді галузей промисловості: для виплавки сталі, чавуну, феросплавів, бронзи, отримання карбіду кальцію, окису азоту і т.д.
У 1882 році Н. Н. Бенардосом дугового розряд вперше був використаний для різання і
зварювання металу. Розряд між нерухомим вугільним електродом і металом нагріває місце з'єднання двох металевих листів (або пластин) і зварює їх. Цей же метод Бенардос застосував для різання металевих пластин і одержання в них отворів. У 1888 році М. Г. Славянов вдосконалив цей метод зварювання, замінивши вугільний електрод металевим.
Дугового розряд знайшов застосування в ртутному випрямлячі, перетворюючої змінний електричний струм у ток постійного напрямку.
E. Плазма. Плазма - це частково або повністю іонізованний газ, в якому щільності позитивних і негативних зарядів практично однакові. Таким чином, плазма в цілому є
електрично нейтральної системою.
Кількісною характеристикою плазми є ступінь іонізації. Ступенем іонізації плазми a називають відношення об'ємної концентрації заряджених частинок до загальної об'ємної концентрації частинок. У залежності від ступеня іонізації плазма підрозділяється на
слабо ионизованного (a складає долі відсотків), частково ионизованного (a порядку декількох відсотків) і повністю ионизованного (a близька до
100%). Слабо іонізованої плазмою в природних умовах є верхні шари атмосфери - іоносфера.
Сонце, гарячі
зірки і деякі міжзоряні
хмари - це повністю ионизованного плазма, яка утворюється при високій температурі.
Середні енергії різних типів частинок, що складають плазму, можуть значно відрізнятися одна від одної. Тому плазму не можна охарактеризувати одним значенням температури Т; розрізняють електронну температуру Т
е, іонну температуру Т
i (або іонні температури, якщо в плазмі є іони декількох сортів) і температуру нейтральних атомів Т
a (нейтральної компоненти). Подібна плазма називається неізотермічної, на відміну від ізотермічної плазми, в якій температури всіх компонентів однакові.
Плазма також поділяється на високотемпературну (Т
i »10
6 -10
8 К і більше) і низькотемпературну! (Т
i <= 10
5 К). Це умовний поділ пов'язано з особливою вологістю високотемпературної плазми в зв'язку з проблемою здійснення керованого термоядерного синтезу.
Плазма має низку специфічних властивостей, що дозволяє розглядати її як особливе четвертий стан речовини.
Через велику рухливості заряджений частинки плазми легко переміщуються під дією електричних і магнітних полів. Тому будь-яке порушення електричної нейтральності окремих областей плазми, викликане скупченням частинок одного знака заряду, швидко ліквідується. Виникаючі електричні поля переміщують заряджені частинки до тих пір, поки електрична нейтральність не відновиться і
електричне поле не стане рівним нулю. На відміну від нейтрального газу, між молекулами якого існують короткодіючі сили, між зарядженими частинками плазми діють кулонівських сили, порівняно повільні убуваючі з відстанню. Кожна частка взаємодіє відразу з великою кількістю оточуючих частинок. Завдяки цьому поряд з хаотичним тепловим рухом частинки плазми можуть
брати участь у різноманітних упорядкованих рухах. У плазмі легко збуджуються різного роду
коливання і хвилі.
Провідність плазми збільшується у міру зростання ступеня іонізації. При високій температурі повністю ионизованного плазма за своєю провідності наближається до надпровідниках.
Низькотемпературна плазма застосовується в газорозрядних джерелах світла - в світяться трубках рекламних написів, в лампах денного світла. Газорозрядну лампу використовують у багатьох приладах, наприклад, в газових лазерах - квантових джерелах світла.
Високотемпературна плазма застосовується в магнітогідродинамічних генераторах.
Нещодавно був створений новий прилад - плазмотрон. У плазмотроне створюються потужні струмені щільної низькотемпературної плазми, широко застосовуються в різних областях техніки: для різання і
зварювання металів, буріння свердловин в твердих породах і т.д.