• 5

ЛИТЕРАТУРА

снабженную двумя впаянными с торцов параллельными плоскими электродами. Если приложить к этим электродам достаточно боль­шую разность потенциалов, то через газ начинает протекать ток — в газе начинается электрический разряд.

Протекание электрического тока через газы связано с движением как электронов, так и ионов и носит, таким образом, смешанный характер. Явления, разыгрывающиеся при электрическом разряде в газе, очень сложны и изучены далеко не полностью. При рас­смотрении разряда мы ограничимся поэтому качественным ис­следованием.

Даже в отсутствие разряда в газе всегда имеется некоторое коли­чество ионов, возникающих под действием ультрафиолетового и рент­геновского излучений, космических лучей и радиоактивных загряз­нений. Возникающие таким образом ионы обусловливают прохожде­ние электрического тока в газе даже при самых незначительных разностях потенциалов между электродами. Этот ток, однако, крайне мал и может быть обнаружен лишь с помощью специальных усили­телей или чувствительных электрометров. В обычных условиях газы являются поэтому очень хорошими изоляторами: коэффициент электропроводности при нормальных условиях по порядку вели­чины равен 10~15 -г- 10~16 Ом-1-см"1.

При постепенном увеличении разности потенциалов между электродами ток в трубке сначала возрастает, а затем достигает постоянного значения, практически не зависящего от приложенного напряжения. Это явление соответствует таким условиям опыта, когда все образованные внешними агентами ионы приходят на электроды, не рекомбинируя по пути в нейтральные атомы.

Рассмотренный выше тип разряда возникает в газе лишь по­стольку, поскольку существуют внешние причины, приводящие к ионизации газа. Он носит поэтому название несамостоятельного.

При дальнейшем увеличении разности потенциалов между элек­тродами трубки (при «потенциале зажигания») происходит резкое увеличение тока, которое сопровождается появлением свечения газа, заполняющего трубку. Возникающий при этом разряд поддер­живается уже не внешними ионизирующими агентами, а сам собой — необходимые для разряда ионы образуются в трубке в ходе самого разряда. Такой вид разряда называется самостоятельным.

В нашем эксперименте изучается один из видов самостоятельного разряда — тлеющий разряд. Тлеющий разряд нетрудно получить, если приложить к трубке, заполненной воздухом при давлении в несколько десятых долей миллиметра ртутного столба, напряжение порядка тысячи вольт.

Рассмотрим механизм самостоятельного электрического разряда. При достаточно большой напряженности электрического поля нахо­дящиеся в газе электроны приобретают энергию, достаточную для ионизации встречных атомов. Для возникновения такой вторичной

ионизации существенна главным образом величина энергии, приоб­ретаемой электроном па длине свободного пробега, так как после каждого соударения электрон отдает атомам газа почти всю свою энергию.

Легко видеть, что появление вторичной ионизации само по себе недостаточно для возникновения самостоятельного разряда. В самом деле, при появлении вторичной ионизации вместо одного первичного электрона на анод приходит сразу целая лавина вторичных электро­нов. Однако следующая лавина образуется лишь при появлении сле­дующего первичного электрона, возникающего в результате иони­зации газа внешними агентами.

Самостоятельный разряд может возникнуть лишь в том случае, если появляется механизм, приводящий к возникновению электро­нов не только на пути развития электронной лавины, но и в области

Катод/А у                   \

            L

Анод

Рис. 149. Распределение интенсивности свечения вдоль трубки.

около катода. Такой механизм возник бы, если бы вторичная иони­зация газа могла производиться не только электронами, но и дви­жущимися к катоду ионами. Тяжелые, медленно движущиеся ионы никогда не приобретают, однако, скоростей, достаточных для иони­зации атомов. Зато при достаточном напряжении на трубке стано­вится возможно вырывание ионами свободных электронов из метал­лического катода (напомним, что работа выхода электронов из металла существенно меньше энергии, необходимой для ионизации газов). Вторым важным процессом, приводящим к вырыванию электронов из катода, является фотоэффект — выбивание электронов под действием ультрафиолетового излучения возбужденных атомов и ионов.

Указанные выше механизмы вырывания электронов из катода характерны для тлеющего самостоятельного разряда. При других видах самостоятельного разряда испускание электронов происходит вследствие термоэлектронной эмиссии с накаленного катода (элек­трическая дуга), при вырывании электронов электрическим полем (коронный разряд) и т. д.

Укажем на ряд особенностей тлеющего разряда. Заметим прежде всего, что свечение газа происходит неравномерно: области более интенсивного свечения разделены в трубке почти темными промежут­ками. Характерное распределение интенсивности свечения по длине трубки приведено на рис. 149. Непосредственно к катоду примыкает

узкая, малозаметная темная область /, которая называется астоно- вым темным пространством. За ним следует область 2, которая носит название катодного свечения. Далее расположено катодное темнре пространство 3. К темному пространству прилегает резко ограни­ченная со стороны катода светящаяся область 4, называемая обла­стью отрицательного тлеющего свечения. Эта область переходит в фарадеево темное пространство 5, за которым расположена боль­шая область свечения 6, носящая название положительного столба. Положительный столб нередко имеет слоистый характер и распа­дается на ряд светящихся слоев (страт), разделенных темными про­межутками. За положительным столбом следует несколько более яркая область анодного свечения 7, которая отделена от анода анод­ным темным пространством 8.

Важнейшей характеристикой тлеющего разряда является картина распределения потенциала вдоль трубки (рис. 150). Следует обра­тить внимание на сильное изменение потенциала вблизи катода,

 

Рис. 150. Распределение потенциала вдоль трубки.

так называемое катодное падение потенциала. Катодное падение является наиболее важной особенностью газового разряда. В этой области происходят ускорение ионов, бомбардирующих катод, и ускорение электронов, выбитых из катода, до такой энергии, при которой они оказываются способными ионизировать атомы газа. Как видно из рис. 150, катодное падение потенциала составляет большую часть полного напряжения, приложенного к трубке.

При небольших силах тока, когда свечение покрывает только часть поверхности катода, катодное падение — а вместе с ним и полное напряжение на трубке — практически не зависит от силы тока. Это свойство тлеющего разряда часто используют для стабилизации напряжения. Описанный режим тлеющего разряда называется нор­мальным. При дальнейшем возрастании силы тока катодное свече­ние покрывает всю поверхность катода, и величина катодного паде­ния начинает возрастать с ростом силы тока, протекающего через трубку. Такой режим разряда называется аномальным.

Катодное падение потенциала обусловлено тем, что вблизи катода сосредоточивается объемный электрический заряд, создава­емый положительными ионами. В области положительного столба изменение потенциала практически отсутствует; отсутствует, сле­довательно, и результирующий объемный заряд. Не следует, одна­ко, думать, что в этой области газ находится в неионизированном

состоянии. Концентрация электронов и ионов в положительном столбе отнюдь не мала, а отсутствие результирующего заряда связано с тем, что количества ионов и электронов почти равны друг другу. Такое состояние газа называется плазмой.

Описание установки. В нашей установке (рис. 151) исследуется тлеющий разряд в воздухе.

Кроме электродов, в разрядную трубку впаян ряд зондов — тонких металлических проволочек. Зонды позволяют исследовать распределение потенциала в проводящем газе.

Разрядная трубка является частью вакуумной установки, откачка которой производится форвакуумным насосом. Степень разрежения измеряется при помощи термовакуумметра.

 

Рис. 151. Схема установки для исследования газового разряда.

Электроды трубки через сопротивление /? = 1МОм присоеди­нены к высоковольтному кенотронному выпрямителю. Напряжение выпрямителя может регулироваться с помощью вариака В, включен­ного в первичную обмотку высоковольтного трансформатора. Сила проходящего через трубку тока измеряется миллиамперметром.

Для измерения разностей потенциалов между электродами и зондами служат вольтметры Vx и V2. Выводы от электродов и зондов подведены к специальному коммутатору Klf который позволяет при­соединять вольтметры к любой паре выводов. На коммутаторе име­ются две ручки с указателями и две шкалы, цифры на которых соот­ветствуют нумерации электродов (начиная от катодного вывода). Если, например, измерению подлежит напряжение между вторым и четвертым зондами, то нужно указатель на одной шкале устано­вить против цифры 2, а на второй — против цифры 4 и т.д. Изменить полярность напряжения на вольтметре можно, изменив порядок цифр на шкалах.

Как уже отмечалось, для измерения напряжения в схему вклю­чены два электростатических вольтметра Vx и V2. Когда измеряемое

напряжение оказывается меньше 1 кВ, кнопкой /С2 включается вольтметр W При измерении напряжений выше 1 кВ вольтметр Vx выключается и измерения производятся вольтметром V2, рассчитан­ным на 5 кВ.

Вся установка, включая измерительные приборы, помещена в защитный кожух, на переднюю стенку которого, изготовленную из плексигласа, выведены ручки коммутатора Кг и кнопки К2• На отросток, соединяющий разрядную трубку с вакуумной установкой, надето заземленное металлическое кольцо. Это кольцо предохраняет работающих на установке от электрических ударов, которые могут вызываться токами утечки, распространяющимися по поверхности стекла, из которого спаяна установка.

Измерения. 1. Включите выпрямитель и подайте на электроды трубки разность потенциалов около 2 кВ. Затем включите фор- вакуумный насос и начните откачку установки. Снимите зависимость силы тока /, проходящего через трубку, от давления р. Измерение давления производится термовакуумметром. Особенно точно нужно зафиксировать величину силы тока в момент зажигания разряда. Для получения надежных результатов необходимо в момент измере­ния отключать установку от форвакуумного насоса. Откачку следует производить до момента исчезновения свечения. Во время измерений нужно следить за напряжением на трубке. В начале опыта полезно убедиться в том, что при горящем разряде величина напряжения на трубке почти не поддается регулировке при помощи вариака (стаби­лизация напряжения).

Постройте кривые зависимостей / и V от р.

2.         Снимите вольт-амперные характеристики разряда при посто­янном давлении. Откачав установку до необходимого давления, отключите ее от насоса и, регулируя напряжение с помощью вариака, найдите зависимость силы протекающего через трубку тока от напря­жения на ней / = I(V). Измерения следует производить как при повышении, так и при понижении напряжения. Совпадает ли прямой ход с обратным? Зафиксируйте напряжение, при котором разряд зажигается и при котором гаснет. Зависимости I = I (V) снимите при пяти фиксированных давлениях, выбранных в диапазоне от 5-10~2 до 10 мм рт. ст. Результаты измерений изобразите графически.

3.         Исследуйте распределение потенциала вдоль трубки. Для этого измерьте разность потенциалов между катодом и последователь­ными зондами. Постройте график V = V (х), где х — расстояние от катода, измеренное по шкале, расположенной рядом с трубкой. Для контроля полезно измерить разности потенциалов между каж­дой парой соседних зондов. Сумма всех разностей потенциалов дол­жна дать напряжение на трубке. Измерения следует производить при нескольких давлениях (при разных свечениях трубки). Одно­временно следует изобразить (на глаз) график распределения интен­сивности свечения вдоль трубки.

Отметим, что исследование распределения потенциала вдоль разрядной трубки с помощью зондов, соединенных с электростати­ческим вольтметром, является очень грубым и дает только качест­венно верные результаты. Зонд, введенный в ионизированный газ, сам несколько меняет распределение потенциала в газе. Вследствие оседания свободных ионов и электронов на поверхности зонда пос­ледний, кроме того, приобретает потенциал, отличный от потенциала окружающего газа. Ошибка измерения достигает при этом десятка или даже нескольких десятков вольт и не может быть учтена прос­тыми способами.

Применяемое в настоящей работе напряжение 5 кВ является весьма опасным. Запрещается производить опыты при неисправном ограждении установки. При любой неисправности необходимо выклю­чить рубильник на щите, а затем обратиться к преподавателю или к дежурному лаборанту. После окончания работы следует соединить установку и форвакуумный насос с атмосферой.

Авторы: 1379 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я

Книги: 1908 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я