Тлеющий разряд в газовой среде при приложении постоянного напряжения к электродам, впаянным в стеклянную трубку, удобно наблюдать при пониженном давлении газа. Если к электродам, впаянным в стеклянную трубку длиной 30—50 см, приложить постоянное напряжение в несколько сот вольт и затем постепенно откачивать воздух из трубки, то наблюдаются следующие явления. При атмосферном давлении приложенное напряжение недостаточно для пробоя газа и трубка остается темной.
Рис. 1. Тлеющий разряд.
При уменьшении давления газа в некоторый момент в трубке возникает разряд, имеющий вид светящегося шнура, соединяющего анод с катодом трубки. При давлении 0,1—0,01 мм рт. ст. разряд имеет вид, изображенный на рис. 1, а.
Непосредственно к катоду прилегает тонкий светящийся слой (катодная пленка) 1, за которым следует темный слой 2, получивший название катодного темного пространства. Это темное пространство затем переходит в светящийся слой (тлеющее свечение) 3, который имеет резкую границу со стороны катода и постепенно исчезает со стороны анода.
За тлеющим свечением наблюдается опять темный промежуток 4, который называется вторым темным пространством. Участки 1—4 представляют собой катодную часть разряда. За вторым темным пространством лежит светящаяся область 5 — положительный столб, простирающаяся до анода.
Характерным для тлеющего разряда является особое распределение потенциала по длине трубки. Его можно определить, впаивая в трубку ряд дополнительных электродов, расположенных в различных местах трубки, и присоединяя между катодом и соответствующим электродом вольтметр V. Кривая распределения потенциала (рис. 1, б) показывает, что почти все падение потенциала в разряде приходится на область катодного темного пространства. Эта разность потенциалов между катодом и границей тлеющего свечения получила название катодного падения потенциала.
Рассмотренные свойства тлеющего разряда приводят к следующей картине процессов, поддерживающих разряд. Положительные ионы, образующиеся в результате ионизации электронными ударами, движутся к катоду и, проходя через область катодного падения потенциала, приобретают значительную энергию. Под действием интенсивной бомбардировки положительными ионами с катода вылетают электроны, которые движутся к аноду. Эти электроны в области катодного падения потенциала сильно ускоряются и при последующих соударениях с атомами газа их ионизируют. В результате этого опять появляются положительные ионы, которые снова, устремляясь на катод, производят новые электроны, и т. д.
Таким образом, основными процессами, поддерживающими разряд, являются ионизация электронными ударами атомов газа и ионными ударами катода, из которого вылетают электроны: общий поток электронов в газовой среде увеличивается.
Распределение концентраций положительных ионов и электронов в различных частях разряда весьма неодинаково. Так как положительные ионы движутся гораздо медленнее, нежели электроны, то у катода концентрация ионов значительно больше, чем концентрация электронов. Поэтому вблизи катода возникает сильный положительный заряд, который и вызывает появление катодное го падения потенциала. Напротив, в области положительного столба концентрации положительных ионов и электронов почти одинаковы, и здесь заряд отсутствует. Благодаря большой концентрации электронов положительный столб обладает хорошей электропроводностью, и поэтому падение напряжения на нем мало. В положительном столбе положительные ионы, соединяясь с электронами, превращаются в нейтральные атомы. Этот процесс, называемый рекомбинацией ионов, сопровождается свечением.
Мы видим, что катодное падение потенциала необходимо для поддержания тлеющего разряда. Именно благодаря его наличию положительные ионы приобретают необходимую энергию для образования интенсивного выделения электронов ионными ударами катода, без которых тлеющий разряд не мог бы существовать. Поэтому катодное падение потенциала есть наиболее характерный признак тлеющего разряда.
В тлеющем разряде положительные ионы, бомбардирующие катод, не только вызывают выделение электронов, но и нагревают катод. Поэтому если увеличивать силу тока в тлеющем разряде, то температура катода увеличивается и когда она достигает значения, при котором начинается сильное выделение электронов (термоэлектронная эмиссия), тлеющий разряд переходит в дуговой. Дуговой разряд мы получим и в том случае, если введем в разреженный газ в качестве катода металлическую спираль, раскаленную током.
Если к электродам трубки приложить переменное напряжение, то будет наблюдаться пульсация светового потока, так как полярность электродов непрерывно меняется.
В настоящее время тлеющий разряд широко используют в качестве источника света в различных газосветных трубках.
Принцип действия люминесцентных ламп.
Люминесцентная лампа представляет собой запаянную с двух сторон стеклянную трубку, на внутреннюю поверхность которой нанесен слой люминофора — вещества, светящегося под действием ультрафиолетовых лучей. В торцы трубки впаяны два электрода. Воздух из трубки удален, и вместо него введены небольшое количество аргона и капля ртути, которая при работе лампы превращается
в пар (аргон облегчает создание электрического разряда). Приложенное к электродам лампы переменное напряжение вызывает электрический разряд между электродами люминесцентной лампы и прохождение тока в парах ртути и аргона, наполняющих трубку. Электрод, с которого в данный момент происходит выделение потока электронов, называется катодом.
Эмиссия (испускание) электронов в люминесцентной лампе происходит при нагреве катода до достаточно высокой температуры и поэтому называется термоэлектронной.
Величина термоэлектронной эмиссии зависит от температуры, материала и формы поверхности катода. Катод изготовляется из вольфрамовой нити, свернутой в небольшую спираль. Спираль покрыта углекислыми солями бария и стронция, превращающимися в процессе обработки в так называемый оксид. Оксидная пленка, покрывающая электрод, увеличивает способность излучения электронов и облегчает зажигание лампы при более низком напряжении.