§ 80. Различные виды самостоятельного разряда

Тлеющий разряд. Соберем установку, как показано на рис. 113. Начнем откачивать насосом воздух из трубки В. Когда давление газа в ней уменьшится, то образуется светящийся разряд в виде тонкого шнура розового цвета. При дальнейшем откачивании воздуха (до давления 2-4 мм рт. ст.) светящийся шнур утолщается, разрывается и свечение занимает почти всю трубку. Самостоятельный разряд, возникающий при пониженном давлении и сопровождающийся свечением газа, называется тлеющим разрядом.

Рис. 113. Получение тлеющего разряда в трубке

Тлеющий разряд в основном состоит из двух частей: несветящейся у катода К и светящейся, занимающей почти всю остальную часть трубки вплоть до анода А. Исследования показали, что вблизи катода, в темном пространстве, напряженность электрического поля намного больше чем в светящемся столбе. Причиной этого является накопление положительных ионов в пространстве у катода. Это накопление происходит оттого, что электронная лавина, движущаяся к аноду, образует в газе большое количество ионов раньше, чем этот поток ионов начнет двигаться к катоду.

В несветящемся (темном) пространстве у катода свечения газа не происходит, так как энергии ускоренно движущихся электронов еще недостаточно для возбуждения молекул газа. В основном электроны испытывают действие ускоряющей силы электрического поля в темном пространстве, а в области анодного свечения они движутся практически равномерно. Разогнавшись в темном пространстве, электроны приобретают кинетическую энергию, достаточную для ионизации газа. Положительные ионы, разгоняясь в темном пространстве, бомбардируют катод и выбивают из него электроны. Таким образом, причинами, поддерживающими тлеющий разряд, являются: соударение электрона с молекулой (атомом) и выбивание электронов с катода положительными ионами. Все необходимое для существования этих процессов сосредоточено в темном и светящемся пространствах. Тлеющий разряд - это направленный поток электронов и ионов.

Одной из причин свечения тлеющего разряда является то, что электрон и положительный ион при столкновении могут восстанавливаться в нейтральный атом. Для отрыва от него электрона (для ионизации атома) необходима затрата энергии извне. При образовании же нейтрального атома из положительного иона и электрона по закону охранения энергии эта энергия выделяется, отчего и происходит сведение газа. При тлеющем разряде разные газы имеют различное свечение: гелий - желтоватое, неон - красное, аргон - синее и т. д. Тлеющий разряд используется в лампах дневного света, в неоновой лампе, в газосветных рекламных трубках, в газовых лазерах. В природе тлеющий разряд наблюдается в виде полярных сияний.

Искровой разряд. Включив индукционную катушку, получим между ее электродами искровой разряд. Он состоит из ярких зигзагообразных разветвляющихся тонких светящихся нитей - лавин ионизации, которые возникают вследствие соударений электронов с атомами и молекулами газа и вследствие излучений, исходящих из искровых нитей. Отдельные лавины, сливаясь между собою, дают зигзагообразный токопроводящий канал. Этот канал есть путь тока - потока электронов и ионов, дающих искру. Примером искрового разряда в природе является молния.

Искровой разряд сопровождается световыми, звуковыми, химическими явлениями. При нем газ (воздух) в канале сильно нагревается (до 100000°С), отчего быстро расширяется, образуя звуковые колебания, которые мы воспринимаем как звук. Химическое действие искрового разряда в воздухе проявляется, например в образовании из молекул кислорода О₂ молекул озона О₃.

Искровой разряд в одних случаях является вредным, а в других - полезным, и мы его используем, например в двигателе внутреннего сгорания для зажигания горючей смеси, в приборе электронной фотовспышки, для обработки металлов. Примером вредного проявления искрового разряда является его возникновение при большой влажности воздуха между проводами линии высоковольтной передачи тока и между концами гирлянды ее изоляторов. При этом искровой разряд уменьшает энергию передаваемого тока. Электрическая искра возникает при размыкании цепи выключателем, рубильником; в результате появляются помехи радиоприему (трески), она может вызвать загорание легко-воспламеняемого газа, пыли в цехах, шахтах, рудниках. Во избежание этого применяются устройства, не допускающие образования искры.

Дуговой разряд. Собрав электрическую цепь (рис. 114, а), сблизим угольные стержни А и В до взаимного соприкосновения, а затем разъединим их^*. При этом между концами углей вспыхивает яркий разряд в виде спокойного пламени, которое, благодаря конвекции воздуха, принимает форму дуги. Когда дольные стержни соприкасались между собой, цепь замыкалась и по углям шел ток. В месте соприкосновения углей площадь контакта мала, сопротивление току велико, отчего он в этом месте выделял большое количество теплоты и угли раскалялись закон Джоуля-Ленца). Когда раскаленные угли раздвигаются, то ток продолжает течь между концами углей через раскаленный воздух и раскаленные пары угля, образуя дуговой разряд (рис. 114, б), который имеет температуру около 4000 С.

^* (Свет дуги богат ультрафиолетовыми лучами, вредно действующими на зрение. При отсутствии защитных стекол дугу получают в воде.)

Рис. 114. Электрическая дуга

Раскаленный отрицательно заряженный стержень - катод - испускает поток электронов (термоэлектронная эмиссия). Они, двигаясь к аноду, разгоняются электрическим полем, сильно ионизируют воздух. Поток электронов и ионов образует ток в дуге. Поток электронов, идущий от катода, достигнув анода, отдает ему кинетическую энергию, которая превращается во внутреннюю энергию, нагревает его. Катод же нагревается от ударов положительных ионов. Для образования дугового разряда (электрической дуги) в воздухе при атмосферном давлении нужен источник тока, поддерживающий на электродах напряжение в пределах 50 в. В дуговом разряде ток имеет непрерывный характер и большую силу, что вызывает выделение большого количества теплоты. Оно используется для сварки и резки металлов для выплавки металла в дуговых электрических печах. Дуговой разряд также используется в прожекторах в качестве источника света.