Особливості тліючого розряду
Тліючий розряд виникає в газорозрядному проміжку тоді, коли поряд з малою густиною струму на поверхні катода, малим є також і тиск газу або пари металу (1,6-103 Па ). Якщо такий розряд виникає у довгій циліндричній трубці і його живлення забезпечується від джерела постійного струму, то в ньому можна чітко виділити вісім областей, які послідовно слідують одна за одною. Ці області на рис. 3.7, а помічені цифрами. Їх заведено називати так: 1 - астенів темний простір; 2 - катодне світіння; 3 - круксів темний простір; 4 - негативне світіння; 5 - фарадеїв темний простір; 6 - позитивний стовп розряду; 7 - анодне світіння; 8 - анодний темний простір. Найважливішими з них є круксів темний простір, негативне світіння, фарадеїв темний простір і стовп розряду. Перші три з них входять до складу катодної частини розряду.
Тліючий розряд виникає при температурі катода, яка не перевищує декількох сотень градусів за шкалою Цельсія. Інтенсивність термоелектронної емісії при такій температурі є дуже малою. Тому основне значення у забезпеченні переходу електронів з катода в міжелектродний газовий проміжок при тліючому розряді мають автоелектронна емісія та вибивання електронів з катода позитивними іонами. Для цього напруженість електричного поля біля поверхні катода повинна бути досить високою (близько 106 В/см). Цим пояснюється те, що різниця потенціалів поблизу катода при тліючому розряді є набагато більшою (50-400 В), ніж між кінцями іншої частини розряду. Це є однією з важливих особливостей тліючого розряду. Змінювання електричного потенціалу вздовж розрядної трубки при тліючому розряді показане на рис. 3.7,б.
Рис. 3.7. Розташування областей тліючого розряду (а) і змінювання потенціалу вздовж довжини розрядної трубки (б)
Збільшення катодного падіння потенціалу (напруги) може призвести до значних втрат потужності поблизу катода, PK=UкI. Тому використання тліючого розряду в джерелах світла буває доцільним тоді, коли падіння напруги біля катода складає в джерелі світла незначну частину від повної напруги на розрядній трубці, тобто коли вона є досить високою. Доцільним також є використання тліючого розряду в джерелах світла, для яких питання економічності істотного значення не мають, зокрема, в лампах тліючого світіння. Анодне падіння напруги Ua при тліючому розряді в 5-12 разів менше від катодного UK.
Після запалювання тліючого розряду в міжелектродному просторі завдяки ударній іонізації газу з’являється досить велика кількість вільних електронів і позитивних іонів. Під дією електричного поля вільні електрони рухаються в бік анода.
Проте надходження електронів в міжелектродний проміжок з катода обмежене існуючою емісією і тому поблизу катода (в області круксового темного простору) виникає значний нескомпенсований позитивний заряд. Цей заряд і спричинює при тліючому розряді значне підвищення різниці потенціалів поблизу катода. Визначається ця різниця потенціалів, як і спричинена нею холодна емісія з катода, значеннями струму розряду, який установлюється.
Після вильоту з катода електрони втрачають значну частину своєї енергії на виконання роботи виходу і тому мають настільки малі швидкості, що виявляються нездатними ні іонізувати, ні збуджувати атоми і молекули газу. Для того, щоб набути достатню для цього енергію, вони повинні пролетіти в електричному полі певну відстань. Тому поруч з катодом і знаходиться темна область, яка названа астоновим темним простором.
У сильному електричному полі поблизу катода електрони, що вилітають з катода, швидко накопичують кінетичну енергію, достатню для ударної іонізації атомів і молекул газу. В результаті в круксовому темному просторі розряду з’являється велика кількість нових електронів, в тому числі і вторинних. Темним же цей простір є тому, що електрони в ньому завдяки великій набутій кінетичній енергії викликають в основному іонізацію атомів і молекул газу, а не їхне збудження. Малоімовірною є також і рекомбінація позитивних іонів і електронів, коли вони мають велику швидкість.
На шляху до області негативного світіння електрони на іонізацію атомів і молекул газу встигають витратити значну частину своєї енергії. Проте значна кількість з них все ще має енергію, достатню для збудження атомів і молекул газу. Тому область негативного світіння розряду і є порівняно інтенсивним джерелом оптичного випромінювання.
Після виходу з області негативного світіння більшість електронів через витрату ще частини енергії виявляються нездатними іонізувати та збуджувати атоми і молекули газу. Цим пояснюється наявність в розряді темного фарадеєвого простору. Далі завдяки прискорюванню електричним полем електрони знову накопичують енергію, достатню для збудження і навіть іонізації атомів і молекул газу. Проте це накопичування енергії електронами через значно меншу напруженість електричного поля, ніж поблизу катода, відбувається на значно довшій частині їхнього шляху до анода, тобто поступово. В результаті в області стовпа розряду виникає досить інтенсивне випромінювання і ця область розряду є такою, що світиться.
У поперечному напрямку стовп тліючого розряду часто складається із світлих шарів (страт) та темних проміжків, які чергуються між собою, тобто буває шаруватим. Його форма відповідає формі розрядної трубки, незалежно від форми і розташування електродів. Це пов’язано з тим, що в розрядній трубці, крім поздовжнього електричного поля (між електродами) існує також поперечне електричне поле, зумовлене негативним зарядом на внутрішній поверхні трубки. Виникає цей заряд завдяки тому, що кількість електронів, які потрапляють на внутрішню поверхню трубки за одиницю часу, більша кількості позитивних іонів, що потрапляють на неї за цей же час, поскільки останні мають набагато меншу рухливість.
У коротких трубках і широких колбах стовп розряду, що світиться, не виникає.
Колір світіння тліючого розряду залежить від газового наповнення трубки.
Особливості дугового розряду
Дуговий розряд дуже відрізняється від тліючого. Він є високоефективним джерелом випромінювання. На відміну від тліючого розряду він виникає при досить великій густині струму ( до 102...104 А/см2), тобто при досить інтенсивній емісії електронів з катода. Основною при виникненні дугового розряду є термоелектронна емісія.
Дуга біля катода може мати дві різні форми. Коли робоча (активна) ділянка катода має досить низьку температуру, при якій емісія з усієї робочої поверхні катода не відповідає установленому струму розряду, то розряд біля катода стягується в невелику площадку. Густина струму на цій площадці і в газі поблизу неї дуже велика ( 102...104 А/см2). В результаті біля самої поверхні катода (на відстані лише декількох довжин вільного пробігу електронів) виникає розжарена яскрава пляма невеликих розмірів, що має назву катодної. Завдяки цій плямі і виникає значно інтенсивніша термоелектронна емісія, яка вже відповідає установленому струму розряду. Яскравість світіння розряду в катодній плямі у багато разів перевищує яскравість стовпа розряду.
Коли температура усієї чи майже усієї активної поверхні катода є достатньою для виникнення емісії, яка необхідна для утворення установленого струму розряду, то розряд розповсюджується на всю робочу поверхню катода і катодна пляма не виникає. Густина ж струму на робочій поверхні катода у цьому випадку є у багато разів меншою, ніж в катодній плямі (1...10 А/см ), а яскравість світіння розряду поблизу катода вже мало відрізняється від яскравості стовпа розряду.
При зміні умов нагрівання катода дуговий розряд може переходити з однієї форми в іншу і цей перехід відбувається майже стрибкоподібно.
Струм у дуговому розряді може бути як малим, так і великим (сотні та тисячі ампер), а напруга на розрядному проміжку може бути досить низькою (20-30 В і нижче).
Різниця потенціалів біля катода при дуговому розряді становить лише 5 - 20 В, тоді як при тліючому розряді вона у 10-15 разів вища. Анодне падіння напруги не перевищує 3-6 В. При використанні спеціальної конструкції електродів воно може бути знижене навіть до 0,5-1 В, що помітно зменшує біляелектродні втрати потужності Рак=(UK+Ua )I. Розподіл потенціалу (падіння напруги) вздовж дугового розрядного проміжку показаний на рис. 3.8.
Рис. 3.8. Змінювання потенціалу в міжелектродному проміжку при дуговому розряді
До характерних особливостей дугового розряду відноситься також те, що його ВАХ є спадаючою. Електричний опір газового проміжку між електродами при дуговому розряді є набагато меншим, ніж при тліючому. Важливим є і те, що дуговий розряд може виникати як при низькому тиску газів і парів металів, так і при високому. Цей діапазон тиску газів і парів металів може складати 10-1 - 108 Па (від 10-3 мм.рт.ст. до кількох сотень атмосфер). При високому тиску він стягується у шнур.