23. Несамастойныя і самастойныя газавыя разрады

Калі іанізаваны газ знаходзіцца ў электрычным полі, узнікае электрычны ток. Пад уздзеяннем сіл поля дадатна зараджаныя іоны рухаюцца да адмоўнага электрода (катода), а электроны і адмоўна зараджаныя іоны — да дадатнага электрода (анода). Пры гэтым частка носьбітаў зараду на шляху да электродаў рэкамбінуе, а другая частка дасягае электродаў і нейтралізуецца на іх. Менавіта гэта частка носьбітаў зараду вызначае велічыню току газавага разраду.

Разрад будзе безупынным, калі безупынна будуць узнікаць новыя носьбіты зараду. Такое ўзнікненне новых носьбітаў зараду можа быць выклікана не толькі ўздзеяннем знешняга іанізатара, але і ў выніку тых з'яў, што адбываюцца ў газавым разрадзе. Разрад, які спыняецца пры спыненні дзеяння знешняга іанізатара, называецца несамастойным.

Разрад з'яўляецца самастойным, калі ён адбываецца і пры адсутнасці вонкавага іанізатара. Існуюць некаторыя з'явы, у выніку якіх несамастойны разрад можа перайсці ў самастойны.

Паняцце аб плазме. Пры самастойным разрадзе большасць малекул газу аказваецца іанізаванай. Газ, у якім усе або значная частка малекул (атамаў) іанізаваныя, называюць плазмай. Гэту назву ўпершыню ў 1929 г. увёў амерыканскі фізік I. Ленгмюр. У плазме шчыльнасці дадатных і адмоўных зарадаў практычна супадаюць, і таму цалкам плазма з'яўляецца электрычна нейтральнай. Плазма можа ўтварацца ў выніку іанізацыі газу пры яго награванні да вельмі высокіх тэмператур (каля 10000 °С) або бамбардзіроўкі атамаў газу хуткімі зараджанымі часціцамі. Плазма ўяўляе сабой асобы стан рэчыва. У такім стане знаходзіцца каля 99 % рэчыва Сусвету.

Ступень іанізацыі плазмы характарызуецца каэфіцыентам іанізацыі. У залежнасці ад ступені іанізацыі адрозніваюць слаба іанізаваную (да 1 %). умерана іанізаваную і поўнасцю іанізаваную плазмы.

Праводнасць плазмы павялічваецца з ростам ступені іанізацыі. Пры вельмі высокіх тэмпературах плазма поўнасцю іанізаваная і яе праводнасць вельмі высокая. Такая плазма называецца высокатэмпературнай. Плазма, што ўзнікае пры газавым разрадзе, называецца газаразраднай. Ступень іанізацыі такой плазмы можа быць рознай. Напрыклад, у дадатным слупе тлеючага разраду ступень іанізацыі плазмы амаль 100 %.

Газаразрадная плазма можа існаваць толькі пры наяўнасці электрычнага поля. Электрычнае поле паскарае электроны, якія пры сутыкненнях з іонамі перадаюць ім сваю энергію. Аднак, паколькі маса электронаў значна меншая за масу іонаў, электроны перадаюць не ўсю сваю энергію, а толькі частку. Гэта прыводзіць да таго, што пры нізкім ціску, калі колькасць сутыкненняў адносна невялікая, сярэдняя кінетычная энергія электронаў аказваецца значна большай за сярэднюю кінетычную энергію іонаў і нейтральных часціц плазмы. Калі элект-роннаму газу плазмы у адпаведнасці з сярэдняй кійетычнай энергіяй электронаў прыпісаць характэрную тэмпературу, то яна будзе намнога перавышаць тэмпературу газу, у якім адбываецца разрад. Пры дастаткова высокім ціску і электроны і іоны будуць мець аднолькавую тэмпературу (ізатэрмічная плазма). Напрыклад, плазма ў іскравым канале з'яўляецца ізатэрмічнай.

Даследаванне ўласцівасцей плазмы мае вялікае практычнае значэнне. Ужо распрацаваны маламагутныя плазменныя рухавікі, працуюць магнітагідрадынамічныя генератары (МГД), у якіх з дапамогай струменя плазмы, што рухаецца ў магнітным полі, адбываецца непасрэднае пераўтварэнне цеплавой энергіі ў электрычную. Выкарыстанне плазматронаў дазваляе ажыццяўляць хімічныя рэакцыі, якія ў звычайных умовах не назіраюцца. Асаблівае значэнне маюць даследаванні высокатэмпературнай плазмы, што праводзяць з мэтай ажыццяўлення кіруемых тэрмаядзерных рэакцый.

Электрычны ток у вакууме. Электронныя лямпы Калі змяншаць ціск у разраднай трубцы, то можна дайсці да такога стану, калі часцінкі, што знаходзяцца ў трубцы, паспяваюць праляцець ад адной сценкі да другой без сутыкненняў. Такі стан газу называюць вакуумам. Нават пры высокім вакууме у адзінцы аб'ёму газу застаецца яшчэ вельмі многа малекул, але яны неіанізаваныя, і таму, каб атрымаць у вакууме ток, неабходна ўвесці туды якія-небудзь зараджаныя часціцы. Такімі часціцамі звычайна з'яўляюцца электроны, што вызваляюцца з катода пры яго награванні (тэрмаэлектронная эмісія) або асвятленні (фотаэмісія).

У вакуумных электронных лямпах выкарыстоўваецца з'ява тэрма-электроннай эмісіі. Гэта з'ява была адкрыта амерыканскім вынаходнікам Т. Эдысонам у 1883 г. Каб назіраць тэрмаэлектронную эмісію, зручна карыстацца вакуумнай электроннай лямпай з двума электродамі. Такую лямпу называюць вакуумным дыёдам. Разгледзім яго будову.

У шкляным (металічным) балоне, з якога адпампавана паветра да ціску 10^-5—10^-6 Па, знаходзяцца два электроды. Адзін з іх уяўляе сабой тонкі дрот з тугаплаўкага металу (часцей за ўсё вальфраму), па якому можна прапускаць ток і награваць яго да высокай тэмпературы. Ён далучаецца да адмоўнага полюса крыніцы току і называецца катодам. Другі электрод — гэта металічная пласціна або цыліндр. Ён застаецца халодным, далучаецца да дадатнага полюса крыніцы току і называецца анодам. Награванне катода можа адбывацца не непасрэдна, а з дапамогай другога правадніка, па якім прапускаецца ток. У гэтым выпадку катод называецца катодам ускоснага напалу. У першым выпадку яго называюць катодам прамога напалу. На рыс. 10.10 паказаны ўмоўныя абазначэнні дыёдаў з прамым (а) і ўскосным (б) напалам. Для таго каб узнікла тэрмаэлектронная эмісія, катод неабходна нагрэць да высокай тэмпературы. Электрон праводнасці можа пакінуць метал, калі яго кінетычная энергія перавышае работу выхаду электрона з металу. Доследы і разлікі паказваюць, што інтэнсіўная тэрмаэлектронная эмісія з вальфрамавага катода ўзнікае пры тэмпературах, якія перавышаюць 2000° С. Каб зменшыць тэмпературу напалу катода, яго пакрываюць тонкім слоем рэчыва з малой работай выхаду электронаў.

I. Ленгаюр у 1913 г. і незалежна ад яго С. А. Багуслаўскі ў 1923 г. паказалі, што ў гэтай вобласці залежнасць тэрмаэлектроннага току ад напружання на анодзе апісваецца формулай (*) дзе К — пастаянная, якая характарызуе памеры і форму электродаў і не залежыць ад тэмпературы.

Ф ормула (*) носіць назву закону Ленг-мюра—Багуслаўскага або закону 3/2. Калі аноднае напружанне дастаткова вялікае, то ўсе электроны, якія пакінулі ка-тод, дасягаюць анода і пры далейшым павелічэнні сіла току не мяняецца. Пастаяннае значэнне току называюць токам насычэння. Пры павышэнні тэмпературы катода ток насычэння ўзрастае. На рыс. 10.13 паказана залежнасць аноднага току дыёда ад аноднага напружання пры розных тэмпературах напалу катода.

Калі катод пакрыты аксідным слоем, дасягнуць насычэння нельга, бо гэта патрабуе вельмі высокага аноднага напружання, пры якім катод разбураецца. Згодна з разлікамі англійскага фізіка О. Рычардсана (1879—1959), якія ён зрабіў у 1901 г. на падставе класічнай элек-троннай тэорыі, шчыльнасць току насычэння , дзе В — пастаянная, розная для розных металаў.

Дэшман у 1923 г. выканаў разлікі з улікам хвалевых уласцівасцей электронаў і атрымаў формулу (**) якая мае назву формулы Рычардсана—Дэшмана. У раўнанні (**) пастаянная А не залежыць ад роду металу: А=1,2*10⁶А/(м^2*К²). Доследныя значэнні А не супадаюць з тэарэтычным значэннем.

Д вухэлектродныя электронныя лямпы (дыёды) выкарыстоўваюць для выпрамлення пераменнага току, аднак у апошні час іх усё часцей замяняюць паўправадніковымі дыёдамі. Прасцейшая схема выпрамніка з электроннай лямпай (дыёдам) . паказана на рыс. 10.15.

Пераменнае напружанне U змяняецца па сінусным законе. Ток у лямпе і рэзістары К існуе толькі пры дадатным патэнцыяле анода лямпы. Таму на рэзістары К узнікае пульсуючае напружанне. Каб паменшыць пульсацыі, паралельна ірэзістару R далучаюць кандэнсатар ёмістасці С.

Трохэлектродная лямпа можа быць вкарыстана ў якасці ўзмацыядьшка пераменных напружанняў. Прымяненне трыёда ў якасці генератара электрамагнітных ваганняў разгляадаецца пазней.