Общий курс физики Том 3. Электричество - Сивухин Д.В.
Скачать (прямая ссылка):
При продвижении к аноду яркость тлеющего свечения ослабевает, и оно постепенно переходит в так называемое фарадееео темное пространство (5), в которое уже не долетают быстрые электроны электронных лавин.
Перечисленные пять областей называются катодными частями разряда. В них происходят все процессы, необходимые для поддержания разряда.
3. За фарадеевым темным пространством следует так называемый остов разряда¦ В более или менее узких трубках он представляет собой столб ионизованного светящегося Газа (6) и называется положительный свечением или положительны^ столбом разряда. Обычно положительный столб простирается до, самой поверхности анода. При некоторых условиях между положительным столбом н анодом видно темное анодное пространство, а на самой поверхности анода — анрдное свечение, или анодная светящаяся пмнка. Положительный столб иногда разделяется на отдельные чередующиеся светлые и темные полосы — страты. Тогда разряд называется сложным. Наличие положительного столба несущественно для поддержания разряда, хотя он и имеет большое значение в применениях разряда. В очень коротких трубках положительный столб отсутствует. В длинных трубках он служит проводящим мостом,-соединяющим фарадеево темное пространство с анодом. Для положительного столба характерна относительно высокая степень ионизации и связанная с ней высокая проводимость газа. По той же причине плотность пространственного заряда в положительном столбе невелика (и даже равна нулю). Свечение в положительном столбе происходит в основном за счет рекомбинации электронов с положительными ионами. На последних нескольких свободных пробегах (в области так называемого анодного падения) электроны могут накопить достаточную кинетическую энергию, чтобы вызвать возбуждение атомов, в то время как положительные ионы оттягиваются от анода. Это приводит к анодному свечению.
4. Если анод трубки сделать подвижным и постепенно подвигать его к катоду, то катодные части разряда по своей форме и величине остаются неизменными вплоть до границы положительного столба, в то время как длина последнего уменьшается. При дальнейшем передвижении анода к катоду укорачивается длина фарадеева тем-, ного пространства, а затем и тлеющего свечения. При этом положе-
526
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ТОКИ В ГАЗАХ
[ГЛ. IX
ние резкой границы тлеющего свечения со стороны катода остается неизменным. Когда расстояние от этой границы до анода уменьшается до долей миллиметра, тлеющий разряд прекращается. Аналогичные явления наблюдаются, если, оставляя анод неподвижным, передвигать к нему катод. При этом без изменения размеров и формы передвигаются и все катодные области разряда вместе с границей положительного столба. Затем положительный столб, фара-деево темное пространство и тлеющее свечение постепенно «съедаются» анодом. Разряд прекращается, когда толщина тлеющего свечения уменьшается до долей миллиметра. Если расстояние между катодом и анодом недостаточно, чтобы на нем поместить темное катодное пространство и начало тлеющего свечения, то разряд, когда это позволяет конструкция трубки, выбирает более длинный путь (рис. 284).
Положительный maz/ff
Рис. 284.
5. При больших внешних сопротивлениях, когда сила тока в разрядной трубке невелика, поверхность катода, покрытая свечением и принимающая участие в разряде, пропорциональна силе тока в трубке (закон Геля). При изменении тока плотность его остается приблизительно постоянной. Вместе с ней остается постоянным и катодное падение потенциала. В этом случае оно называется нормальным катодным падением. До давлений в несколько десятков мм рт. ст. нормальное катодное падение не зависит от давления газа, а определяется только материалом катода и составом газа. В большинстве случаев оно лежит в пределах 100—300 В. Температура катода не оказывает влияния на величину нормального катодного падения, пока не возрастет заметно термоэлектронная эмиссия с поверхности катода. С хорошим приближением нормальное катодное падение пропорционально работе выхода электрона из катода. Это используется для устройства газосветных трубок с очень малым потенциалом зажигания. Такова, например, неоновая лампочка, в которой электродами служат два железных листочка, покрытых слоем бария для уменьшения работы выхода. Катодное падение составляет в этом случае всего 70 В, и тлеющий разряд
§ 117]
ТЛЕЮЩИЙ РАЗРЯД
527
зажигается в неоновой лампочке уже при включении в обычную осветительную сеть.
Когда с увеличением тока вся поверхность катода оказывается покрытой свечением, начинает возрастать и катодное падение. В этом случае оно называется аномальным катодным падением, а самый разряд — аномальным тлеющим разрядом.
6. Электроны, выбиваемые с поверхности катода положительными ионами, ускоряются в области катодного падения потенциала. Когда давление в трубке относительно велико (выше 0,1 мм рт. ст.), электроны теряют свои скорости в результате столкновений с частицами газа. При уменьшении давления газа увеличивается средняя длина свободного пробега электронов, а с ней и катодное темное пространство. При давлении 0,01 —0,001 мм рт. ст. (в зависимости от размеров трубки) катодное темное пространство заполняет почти всю трубку и электронный пучок движется в трубке почти без столкновений. Такие электронные пучки получили название катодных лучей. Последние были открыты Круксом в конце 70-х годов 19 века, еще до установления их физической природы (и до открытия самого электрона). Если на пути катодных лучей поставить металлический экран, то за ним на противоположной стороне трубки наблюдается его тень. При поднесении магнита пучок лучей и образуемая им тень смещаются в сторону. Эти явления и наблюдались Круксом. Обычно в опытах с катодными лучами применяются короткие, но широкие стеклянные трубки, в которых анод помещается сбоку электронного пучка, исходящего из катода. Электроны, вышедшие с катода, ускоряются электрическим полем вблизи его поверхности и далее движутся перпендикулярно к ней по инерции. Попадая на стенки трубки, электроны сообщают им отрицательный заряд. Однако последний нейтрализуется положительными ионами, подтекающими из газа к стенкам трубки, а отрицательные ионы газа попадают на анод. Если поверхности катода придать вогнутую сферическую форму, то катодные лучи сфокусируются в центре этой сферы. Когда давление в трубке настолько мало, что область катодного темного пространства захватывает анод, тлеющий разряд в трубке прекращается. Вместе с ним прекращается также испускание катодных лучей и свечение стенок трубки.
