Содержание

Тлеющий разряд

Рассмотрим тлеющий разряд между плоскими электродами (рис. 21.1). При отсутствии разряда, когда объемного заряда нет, поле однородно и потенциал между электродами распределен по линейному закону (кривая 1). В электронном (вакуумном) приборе при наличии эмиссии существует отрицательный объемный заряд, создающий вблизи катода потенциальный барьер (кривая 2). Этот барьер препятствует получению большого анодного тока. В газоразрядном приборе, с тлеющим разрядом за счет большого числа положительных ионов создается положительный объемный заряд. Он вызывает изменение потенциала в пространстве анод — катод в положительную в сторону. Потенциальная диаграмма «выгибается» вниз (кривая 3).

Рис. 21.1. Распределение потенциала между электродами при отсутствии разряда (1), в электронном приборе (2) и в газоразрядном приборе с тлеющим разрядом (3)

Как видно, в газоразрядном приборе распределение потенциала таково, что почти все анодное напряжение приложено к тонкому слою газа около катода. Эта область ,(I) называется областью катодного падения потенциала. Около катода создается сильное ускоряющее поле. Анод как бы приближается к катоду. Роль анода выполняет «нависшее» над катодом ионное облако с положительным зарядом. В результате этого действие отрицательного объемного заряда компенсируется, поэтому потенциального барьера около катода нет.

Другая часть разрядного промежутка (II) характеризуется небольшим изменением напряжения. Напряженность поля в ней мала. Ее называют областью электронно-ионной плазмы. Плазма — это сильно ионизированный газ, в котором число электронов и ионов практически одинаково. В плазме беспорядочное (тепловое) движение частиц преобладает над их направленным движением. Но все же электроны движутся к аноду, а ионы — к катоду.

Силы поля, действующие на электроны и ионы, одинаковы и лишь противоположны по направлению, так как заряды этих частиц равны, но обратны по знаку (напомним, что сила, действующая на заряд, F = еЕ, где Е — напряженность поля, е — заряд). Но масса иона в тысячи раз больше массы электрона. Даже у самого легкого газа — водорода масса положительного иона в 1840 раз превышает массу электрона. Соответственно этому ионы получают меньшие ускорения и приобретают относительно малые скорости. Следовательно, ток в ионных приборах практически создается перемещением электронов. Доля ионного тока весьма мала, и ее можно не принимать во внимание. Ионы выполняют свою задачу: они создают положительный объемный заряд, который значительно превышает отрицательный объемный заряд и уничтожает потенциальный барьер около катода.

Область катодного падения напряжения играет важную роль. Проникшие из плазмы в эту область ионы получают здесь ускорение. Ударяя в катод с большой скоростью, ионы выбивают из него электроны. Этот процесс необходим для поддержания разряда. Если скорость ионов недостаточна, то электронной эмиссии не получится и разряд прекратится. Вылетевшие из катода электроны в области катодного падения также ускоряются и могут ионизировать атомы газа. Электроны сталкиваются с атомами газа в различных частях плазмы. Поэтому ионизация происходит во всем ее объеме. В плазме совершается также и рекомбинация.

Следует иметь в виду, что только малая часть ионов, возникших в плазме, вызывает электронную эмиссию катода. Большинство ионов рекомбинирует с электронами и не доходит до катода. Если тлеющий разряд возник, то число ионов, ударяющих в катод в течение одной секунды, таково, что они выбивают столько электронов, сколько их было выбито за предыдущую секунду. Эти вновь выбитые электроны создают в плазме столько же ионов, сколько получалось там в течение предшествующей секунды, и тогда снова определенная часть этих ионов дойдет до катода и выбьет за 1 с прежнее число электронов. Подобный процесс повторяется каждую секунду и обеспечивает существование тлеющего разряда при определенном значении тока.

При возникновении тлеющего разряда появляется свечение газа около катода. С увеличением тока оно усиливается, расширяется и распространяется на всю плазму.

Тлеющий разряд существует при напряжении между электродами не ниже определенного значения. Если напряжение недостаточно, то ионы, ударяя в катод, не выбивают из него электронов. Несамостоятельный темный разряд переходит в самостоятельный тлеющий при напряжении возникновения тлеющего разряда U_B, или напряжении зажигания. Последнее название наиболее распространено, хотя и не рекомендуется.

Напряжение возникновения разряда U_B зависит от рода газа, его давления, материала электродов и расстояния между ними. При активированном катоде значение U_B уменьшается. На рис. 21.2 изображена зависимость напряжения U_B от произведения давления газа р на расстояние между электродами d, называемая характеристикой возникновения разряда. Минимальное значение U_Bmin соответствует произведению pd, которое условно можно назвать оптимальным (наивыгоднейшим). Однако во многих приборах более выгоден иной режим.

Кривую на рис. 21.2 можно объяснить следующим образом. Пусть расстояние d неизменно. Тогда при очень низком давлении возникновение разряда затруднено тем, что происходит мало столкновений электронов с атомами. Возникает мало ионов, и они не выбивают из катода достаточного числа электронов. Приходится увеличивать напряжение, чтобы ионы набирали значительную скорость и выбивали из катода больше электронов. При более высоком давлении электроны слишком часто сталкиваются с атомами и не набирают энергии, необходимой для ионизации. Образуется мало ионов. Повышение напряжения увеличивает энергию электронов, усиливает ионизацию и приводит к возникновению тлеющего разряда. Как видно, и при малом и при большом давлении напряжение U_B нужно повышать, а при некотором среднем давлении достаточно минимального значения U_B.

Рис. 21.2. Характеристика возникновения разряда

Рис. 21.3. Схема для снятия вольт-амперной характеристики газоразрядного прибора

Если давление газа постоянно, то при очень малом расстоянии между электродами большинство электронов долетает до анода, не сталкиваясь с атомами. Ионов образуется мало, и, чтобы они выбивали достаточно электронов из катода, нужно приложить более высокое напряжение. А при большом расстоянии d снижается напряженность поля. Электроны сталкиваются с атомами на своем пути не один раз, но не набирают энергии, нужной для ионизации. Приходится повысить напряжение, чтобы электроны от одного столкновения до другого проходили разность потенциалов не меньшую, чем напряжение ионизации. Таким образом, при слишком малом и слишком большом расстоянии между электродами напряжение U_B нужно увеличивать. При некотором среднем значении d достаточно наименьшего напряжения U_B. Каждый газ имеет свою характеристику возникновения разряда, подобную кривой на рис. 21.2.

Вольт-амперную характеристику тлеющего разряда снимают с помощью схемы на рис. 21.3. В условном графическом обозначении газоразрядных приборов жирная точка показывает наличие газа. Раньше вместо точки делали штриховку. Ионные приборы надо включать последовательно с ограничительным резистором (R_огр). Если его сопротивление очень большое (десятки или сотни мегаом), то при напряжении источника в сотни вольт разряд будет темным, поскольку ток не превысит нескольких микроампер. При значительно меньшем сопротивлении R_огр возникает тлеющий разряд, если напряжение источника не меньше U_B.

Дальнейшее уменьшение сопротивления R_огр может перевести разряд в дуговой. Это недопустимо для приборов тлеющего разряда, рассчитанных обычно на ток не выше десятков миллиампер. При возникновении дугового разряда ток возрастает во много раз и прибор выходит из строя. Подключение газоразрядного прибора без резистора R_огр к источнику, обладающему достаточным напряжением и малым внутренним сопротивлением, также приведет к возникновению дугового разряда. Ток будет ограничиваться главным образом только внутренним сопротивлением источника, так как сопротивление газоразрядного прибора при дуговом разряде весьма невелико. Произойдет короткое замыкание источника, ток возрастет очень быстро до недопустимо большого значения, и может произойти разрушение газоразрядного прибора.

В схеме на рис. 21.3 роль ограничительного резистора в известной степени выполняет верхний участок переменного резистора R. Но, чтобы в крайнем положении движка прибор не оказался подключенным непосредственно к источнику, необходимо включить еще резистор R_огр.

Поскольку газоразрядный прибор и резистор R_orp соединяются последовательно, то напряжение Е_а равно сумме напряжений на приборе и резисторе:

Е_а = U_a + U_R. (21.1)

Вольт-амперная характеристика прибора с тлеющим разрядом показана на рис. 21.4. По горизонтальной оси отложен ток, а по вертикальной — напряжение, что дает более наглядное представление об изменении напряжения. Конечно, можно поменять оси, расположив их так, как принято для характеристик электронных ламп.

При увеличении напряжения от нуля возникает очень слабый ток. Это область темного разряда I. Ток темного разряда очень мал, и масштаб для него иной, нежели для остального графика.

Точка А — это точка возникновения тлеющего разряда (точка зажигания). Ей соответствует напряжение U_B. Тлеющий разряд возникает, скачком. Минимальный ток, при котором возможен тлеющий разряд, гораздо больше тока темного разряда. Напряжение на приборе также скачком понижается на несколько вольт или даже больше, что объясняется перераспределением напряжения E_а между внутренним сопротивлением прибора постоянному току R₀ и сопротивлением R_огр.

Рис. 21.4. Вольт-амперная характеристика темного (область I) и тлеющего (области II, III) разряда

При темном разряде сопротивление R₀ гораздо больше сопротивления R_огр, которое выбрано таким, чтобы мог возникнуть тлеющий разряд. Практически все напряжение U_а при темном разряде приложено к прибору. На резисторе R_огр напряжение близко к нулю. С возникновением тлеющего разряда ток резко возрастает и создает на резисторе R_огр заметное падение напряжения. За счет этого напряжение U_а на приборе понижается. Иначе говоря, после возникновения тлеющего разряда сопротивление R₀ резко уменьшается и становится соизмеримым с R_огр. Напряжение U_а перераспределяется, и заметная его часть будет падать на R_огр, а U_а соответственно уменьшится. До возникновения разряда U_a ≈ E_а, а после возникновения разряда U_a = E_а – i_a R_огр. При этом напряжение E_а непосредственно до и после возникновения разряда практически одинаково, так как если E_а почти равно U_B, то достаточно самого незначительного увеличения E_а, чтобы возник разряд.

Таким образом, возникновение тлеющего разряда обнаруживается по измерительным приборам характерными скачками тока вверх и напряжения вниз. Возникает также свечение газа около катода. На графике возникновению разряда соответствует участок АБ, который нельзя снять по точкам, а можно только наблюдать с помощью осциллографа.

Иногда при снятии вольт-амперной характеристики за напряжение U_B ошибочно принимают напряжение в точке Б, которое является рабочим напряжением тлеющего разряда. Величина U_B есть наибольшее напряжение, которое удается наблюдать при увеличении напряжения, перед тем как оно скачком уменьшится. А положение точки Б зависит от сопротивления ограничительного резистора. Чем оно меньше, тем больше ток и тем правее расположена точка Б.

После возникновения тлеющего разряда повышение подводимого напряжения E_а сопровождается интересным явлением. Ток растет, а напряжение на приборе увеличивается незначительно, пока ток не превысит значения I_max (точка В). Этот режим называется режимом нормального катодного падения (область II). Для него характерно прохождение тока через часть поверхности катода и свечение газа лишь у этой части. При малом токе только небольшая часть поверхности катода является рабочей. С возрастанием тока площадь рабочей поверхности катода увеличивается пропорционально току, а плотность тока катода остается неизменной. При токе I_max вся поверхность катода становится рабочей и охватывается свечением.

Режим нормального катодного падения используется в стабилитронах. Особенности этого режима следующие. Пусть площадь поверхности катода значительно больше площади поверхности анода и в цепь включен соответствующий ограничительный резистор (рис. 21.5). В этом случае после возникновения разряда устанавливается сравнительно небольшой ток. Тлеющий разряд может быть при условии, что плотность тока на катоде не слишком мала. Только тогда из катода выбивается достаточное число электронов. Разряд сразу не распространяется на всю поверхность катода. Ток проходит только через часть поверхности (заштрихована). При этом плотность тока достаточна и тлеющий разряд существует.

Рис. 21.5. Изменение рабочей площади катода в режиме нормального катодного падения

Рис. 21.6. Вольт-амперная характеристика стабилитрона

Падение напряжения на приборе U_a = i_aR₀. Здесь R₀ — сопротивление ионизированного газа между анодом и рабочей частью поверхности катода. В данном случае этот своеобразный «проводник» имеет форму конуса. Если увеличить подводимое напряжение, ток возрастет и пропорционально увеличится рабочая площадь катода. Площадь поперечного сечения газового «проводника» станет больше, и сопротивление R₀ соответственно уменьшится. Таким образом, сопротивление R₀ уменьшается во столько раз, во сколько увеличивается ток i_a, а произведение i_aR₀ остается постоянным (в действительности оно все же немного увеличивается).

Этот режим возможен до тех пор, пока рабочая площадь катода меньше площади его полной поверхности. Когда разряд распространится на всю поверхность катода, то при дальнейшем увеличении напряжения E_а ток возрастает, но площадь катода остается неизменной. В этом режиме увеличение числа электронов, выбиваемых из катода, возможно только за счет увеличения энергии ионов, бомбардирующих катод. А для этого необходимо повышение напряжения. Плотность тока катода растет. Сопротивление R₀ уже не уменьшается пропорционально току, и произведение i_aR₀, т. е. падение напряжения на приборе, увеличивается. Наступает режим аномального катодного падения (см. область III на рис. 21.4).

Все же сопротивление R₀ несколько уменьшается при возрастании тока, так как растет число ионов и электронов в единице объема газа. Но это уменьшение не такое сильное, как в режиме нормального катодного падения, поэтому напряжение U_а увеличивается. Усиливается также яркость свечения газа, и оно распространяется все больше на обларть плазмы. В режиме аномального катодного падения работают газосветные лампы и различные ионные индикаторные приборы.

Если продолжать увеличивать подводимое напряжение, ток и напряжение будут расти и в конце концов скачком возникнет дуговой разряд, который недопустим для приборов тлеющего разряда.

Информация

Продолжение