Переломы 

Какое явление называется тлеющим разрядом. Виды разрядов в газах

В зависимости от давления газа, конфигурации электродов и параметров внешней цепи существует четыре типа самостоятельных разрядов:

  • тлеющий разряд;
  • искровой разряд;
  • дуговой разряд;
  • коронный разряд.

    • 1. Тлеющий разряд возникает при низких давлениях. Его можно наблюдать в стеклянной трубке с впаянными у концов плоскими металлическими электродами (рис. 8.5). Вблизи катода располагается тонкий светящийся слой, называемый катодной светящейся пленкой 2.

    Между катодом и пленкой находится астоново темное пространство 1. Справа от светящейся пленки помещается слабо светящийся слой, называемый катодным темным пространством 3. Этот слой переходит в светящуюся область, которую называют тлеющим свечением 4, с тлеющим пространством граничит тёмный промежуток – фарадеево тёмное пространство 5. Все перечисленные слои образуют катодную часть тлеющего разряда. Вся остальная часть трубки заполнена святящимся газом. Эту часть называют положительным столбом 6.

    При понижении давления катодная часть разряда и фарадеево тёмное пространство увеличивается, а положительный столб укорачивается.

    Измерения показали, что почти все падения потенциала приходятся на первые три участка разряда (астоново темное пространство, катодная святящаяся плёнка и катодное тёмное пятно). Эту часть напряжения, приложенного к трубке, называют катодным падением потенциала .

    В области тлеющего свечения потенциал не изменяется – здесь напряженность поля равна нулю. Наконец, в фарадеевом тёмном пространстве и положительном столбе потенциал медленно растёт.

    Такое распределение потенциала вызвано образованием в катодном темном пространстве положительного пространственного заряда, обусловленного повышенной концентрацией положительных ионов.

    Положительные ионы, ускоренные катодным падением потенциала, бомбардируют катод и выбивают из него электроны. В астоновом темном пространстве эти электроны, пролетевшие без столкновений в область катодного тёмного пространства, имеют большую энергию, вследствие чего они чаще ионизируют молекулы, чем возбуждают. Т.е. интенсивность свечения газа уменьшается, но зато образуется много электронов и положительных ионов. Образовавшиеся ионы в начале имеют очень малую скорость и потому в катодном тёмном пространстве создаётся положительный пространственный заряд, что и приводит к перераспределению потенциала вдоль трубки и к возникновению катодного падения потенциала.

    Электроны, возникшие в катодном тёмном пространстве, проникают в область тлеющего свечения, которая характеризуется высокой концентрацией электронов и положительных ионов коленарным пространственным зарядом, близким к нулю (плазма). Поэтому напряженность поля здесь очень мала. В области тлеющего свечения идёт интенсивный процесс рекомбинации, сопровождающийся излучением выделяющейся при этом энергии. Таким образом, тлеющее свечение есть, в основном, свечение рекомбинации.

    Из области тлеющего свечения в фарадеево тёмное пространство электроны и ионы проникают за счёт диффузии. Вероятность рекомбинации здесь сильно падает, т.к. концентрация заряженных частиц невелика. Поэтому в фарадеевом тёмном пространстве имеется поле. Увлекаемые этим полем электроны накапливают энергию и часто в конце концов возникают условия, необходимые для существования плазмы. Положительный столб представляет собой газоразрядную плазму. Он выполняет роль проводника, соединяющего анод с катодными частями разряда. Свечение положительного столба вызвано, в основном, переходами возбужденных молекул в основное состояние.

    2. Искровой разряд возникает в газе обычно при давлениях порядка атмосферного. Он характеризуется прерывистой формой. По внешнему виду искровой разряд представляет собой пучок ярких зигзагообразных разветвляющихся тонких полос, мгновенно пронизывающих разрядный промежуток, быстро гаснущих и постоянно сменяющих друг друга (рис. 8.6). Эти полоски называют искровыми каналами .

    Т газа = 10 000 К

    ~ 40 см I = 100 кА t = 10 –4 c l ~ 10 км

    После того, как разрядный промежуток «пробит» искровым каналом, сопротивление его становится малым, через канал проходит кратковременный импульс тока большой силы, в течение которого на разрядный промежуток приходится лишь незначительное напряжение. Если мощность источника не очень велика, то после этого импульса тока разряд прекращается. Напряжение между электродами начинает повышаться до прежнего значения, и пробой газа повторяется с образованием нового искрового канала.

    В естественных природных условиях искровой разряд наблюдается в виде молнии. На рисунке 8.7 изображен пример искрового разряда – молния, продолжительностью 0,2 ÷ 0,3 с силой тока 10 4 – 10 5 А, длиной 20 км (рис. 8.7).

    3. Дуговой разряд . Если после получения искрового разряда от мощного источника постепенно уменьшать расстояние между электродами, то разряд из прерывистого становится непрерывным, возникает новая форма газового разряда, называемая дуговым разрядом (рис. 8.8).

    ~ 10 3 А
    Рис. 8.8

    При этом ток резко увеличивается, достигая десятков и сотен ампер, а напряжение на разрядном промежутке падает до нескольких десятков вольт. Согласно В.Ф. Литкевичу (1872 – 1951), дуговой разряд поддерживается, главным образом, за счет термоэлектронной эмиссии с поверхности катода. На практике – это сварка, мощные дуговые печи.

    4. Коронный разряд (рис. 8.9).возникает в сильном неоднородном электрическом поле при сравнительно высоких давлениях газа (порядка атмосферного). Такое поле можно получить между двумя электродами, поверхность одного из которых обладает большой кривизной (тонкая проволочка, острие).

    Наличие второго электрода необязательна, но его роль могут играть ближайшие, окружающие заземленные металлические предметы. Когда электрическое поле вблизи электрода с большой кривизной достигает примерно 3∙10 6 В/м, вокруг него возникает свечение, имеющее вид оболочки или короны, откуда и произошло название заряда.

Тлеющий разряд наблюдается при пониженных давлениях газа (порядка 0,1 мм рт. ст.). Если к электродам, впаянным в стеклянную трубку, приложить постоянное напряжение в несколько сот вольт и затем постепенно откачивать воздух из трубки, то наблюдается следующее явление: при уменьшении давления газа в некоторый момент в трубке возникает разряд, имеющий вид светящегося шнура, соединяющего анод и катод трубки. При дальнейшем уменьшении давления этот шнур расширяется и заполняет все сечение трубки, а свечение вблизи катода ослабевает. Около катода образуется первое темное пространство 1, к которому прилегает ионный светящийся слой 2(тлеющее свечение), который имеет резкую границу со стороны катода и постепенно исчезает со стороны анода. За тлеющим свечением наблюдается опять темный промежуток 3, называемый фарадеевым или вторым темным пространством. За ним лежит светящаяся область 4, простирающаяся до анода, или положительный столб.

Искровой разряд, часто наблюдаемый в природе, -- молния. Молния -- это разряд между двумя заряженными облаками или между облаком и землей. Носителями зарядов в облаках являются заряженные капельки воды или снежинки.

Дуговой разряд можно наблюдать при следующих условиях: если после зажигания искрового разряда постепенно уменьшать сопротивление цепи, то сила тока в искре будет увеличиваться. Когда сопротивление цепи станет достаточно малым, возникнет новая форма газового разряда, называемого дуговым. При этом сила тока резко увеличивается, достигая десятков и сотен ампер, а напряжение на разрядном промежутке уменьшается до нескольких десятков вольт. Это показывает, что в разряде возникают новые процессы, сообщающие газу очень большую электропроводность.

Коронный разряд наблюдается при сравнительно высоких давлениях газа (например, при атмосферном давлении) в резко неоднородном электрическом поле. Для получения значительной неоднородности поля электроды должны иметь резко различающиеся поверхности, т.е. один электрод -- очень большую поверхность, а другой -- очень малую. Так, например, коронный разряд можно легко получить, располагая тонкую проволоку внутри металлического цилиндра, радиус которого значительно больше радиуса проволоки.

  • 21. Эмиссионные явления и их применения
  • 1. Термоэлектронная эмиссия -- это испускание электронов нагретыми металлами. С повышением температуры испускание электронов, растет и явление термоэлектронной эмиссии становится заметным. Явление термоэлектронной эмиссии используется в приборах, в которых необходимо получить поток электронов в вакууме, например в электронных лампах, рентгеновских трубках, электронных микроскопах и т.д.
  • 2. Фотоэлектронная эмиссия -- это эмиссия электронов из металла под действием света, а также коротковолнового электромагнитного излучения (например, рентгеновского).
  • 3. Вторичная электронная эмиссия -- это испускание электронов поверхностью металлов, полупроводников или диэлектриков при бомбардировке их пучком электронов. Вторичный электронный поток состоит из электронов, отраженных поверхностью, и «истинно» вторичных электронов -- электронов, выбитых из металла, полупроводника или диэлектрика первичными электронами. Отношение числа вторичных электронов n2 к числу первичных n1, вызвавших эмиссию, называется коэффициентом вторичной электронной эмиссии:

Явление вторичной электронной эмиссии используется в фотоэлектронных умножителях (ФЭУ), применимых для усиления слабых электрических токов.

  • 4. Автоэлектронная эмиссия -- это эмиссия электронов с поверхности металлов под действием сильного внешнего электрического поля. Эти явления можно наблюдать в откачанной трубке, конфигурация электродов которой (катод -- острие, анод -- внутренняя поверхность трубки) позволяет при напряжениях примерно 103 В получать электрические поля напряженностью примерно 107 В/м. При постепенном повышении напряжения уже при напряженности поля у поверхности катода примерно 105 --106 В/м возникает слабый ток, обусловленный электронами, испускаемыми катодом. Сила этого тока увеличивается с повышением напряжения на трубке. Токи возникают при холодном катоде, поэтому описанное явление называется также холодной эмиссией.
  • 22. Работа выхода электрона из металла

Электроны проводимости в металле находятся в беспорядочном движении. Наиболее быстро движущиеся электроны, обладающие достаточно большей кинетической энергией, могут вырываться из металла в окружающее пространство.

Работу, которую нужно совершить для удаления электрона из металла в вакуум называют работой выхода. Она равна

где е -заряд электрона, -потенциал выхода. Работа выхода производится электронами - за счет уменьшения их кинетической энергии. Поэтому понятно, что медленно движущиеся электроны вырваться из металла не могут. Работа выхода зависит от химической природы металла и состояния его поверхности загрязнения, следы влаги и пр. изменяют ее величину. Для чистых металлов работа выхода колеблется в пределах нескольких электронвольт. Электрон проводимости может вылететь из какого-либо металла в том случае, если его энергия превышает работу выхода электрона из металла.

Тлеющий разряд возникает при низких давлениях. Его можно наблюдать в стеклянной трубке длиной около 0,5 м, с впаянными у концов плоскими металлическими электродами (рис. 85.1). На электроды подается напряжение порядка 1000 В. При атмосферном давлении тока в трубке практически нет. Если понижать давление, то примерно при 50 мм рт. ст. возникает разряд в виде светящегося извилистого тонкого шнура, соединяющего анод с катодом. По мере понижения давления шнур утолщается и приблизительно при 5 мм рт. ст. заполняет все сечение трубки - устанавливается тлеющий разряд. Его основные части показаны на рис. 85.1. Вблизи катода располагается тонкий светящийся слой, называемый катодной светящейся пленкой.

Между катодом и светящейся пленкой находится астоново темное пространство. По другую сторону светящейся пленки помещается слабо светящийся слой, по контрасту кажущийся темным и называемый катодным (или круксовым) темным пространством. Этот слой переходит в светящуюся область, которую называют тлеющим свечением. Все перечисленные слои образуют катодную часть тлеющего разряда.

С тлеющим свечением граничит темный промежуток - фарадеево темное пространство. Граница между ними размыта. Вся остальная часть трубки заполнена светящимся газом; ее называют положительным столбом. При понижении давления катодная часть разряда и фарадеево темное пространство расширяются, а положительный столб укорачивается. При давлении порядка 1 мм рт. ст. положительный столб распадается на ряд чередующихся темных и светлых изогнутых слоев - страт.

Измерения, осуществленные с помощью зондов (тоненьких проволочек, впаянных в разных точках вдоль трубки), а также другими методами, показали, что потенциал изменяется вдоль трубки неравномерно (см. график на рис. 85.1).

Почти все падение потенциала приходится на первые три участка разряда по катодное темное пространство включительно. Эту часть напряжения, приложенного к трубке, называют катодным падением потенциала. В области тлеющего свечения потенциал не изменяется - здесь напряженность поля равна нулю. Наконец, в фарадеевом темном пространстве и положительном столбе потенциал медленно растет. Такое распределение потенциала вызвано образованием в области катодного темного пространства положительного пространственного заряда, обусловленного повышенной концентрацией положительных ионов.

Основные процессы, необходимые для поддержания тлеющего разряда, происходят в его катодной части. Остальные части разряда не существенны, они могут даже отсутствовать (при малом расстоянии между электродами или при низком давлении). Основных процессов два - вторичная электронная эмиссия из катода, вызванная бомбардировкой его положительными ионами, и ударная ионизация электронами молекул газа.

Положительные ионы, ускоренные катодным падением потенциала, бомбардируют катод и выбивают из него электроны. В астоновом темном пространстве эти электроны ускоряются электрическим полем. Приобретя достаточную энергию, они начинают возбуждать молекулы газа, в результате чего возникает катодная светящаяся пленка. Электроны, пролетевшие без столкновений в область катодного темного пространства, имеют большую энергию, вследствие чего они чаще ионизируют молекулы, чем возбуждают (см. графики на рис. 83.1). Таким образом, интенсивность свечения газа уменьшается, но зато образуется много электронов и положительных ионов. Образовавшиеся ионы вначале имеют очень малую скорость. Поэтому в катодном темном пространстве создается положительный пространственный заряд, что приводит к перераспределению потенциала вдоль трубки и к возникновению катодного падения потенциала.

Электроны, возникшие в катодном темном пространстве, проникают в область тлеющего свечения, которая характеризуется высокой концентрацией электронов и положительных ионов и суммарным пространственным зарядом, близким к нулю (плазма). Поэтому напряженность поля здесь очень мала. Благодаря высокой концентрации электронов и ионов в области тлеющего свечения идет интенсивный процесс рекомбинации, сопровождающийся излучением выделяющейся при этом энергии. Таким образом тлеющее свечение есть в основном свечение рекомбинации.

Из области тлеющего свечения в фарадеево темное простран ство электроны и ионы проникают за счет диффузии (на границе между этими областями поле отсутствует, но зато имеется большой градиент концентрации электронов и ионов).

Кроме искры, короны и дуги, существует еще одна форма самостоятельного разряда в газах – так называемый тлеющий разряд. Для получения этого типа разряда удобно использовать стеклянную трубку длины около полуметра, содержащую два металлических электрода (рис. 162). Присоединим электроды к источнику постоянного тока с напряжением в несколько тысяч вольт (годится электрическая машина) и будем постепенно откачивать из трубки воздух. При атмосферном давлении газ внутри трубки остается темным, так как приложенное напряжение в несколько тысяч вольт недостаточно для того, чтобы пробить длинный газовый промежуток. Однако когда давление газа достаточно понизится, в трубке вспыхивает светящийся разряд. Он имеет вид тонкого шнура (в воздухе – малинового цвета, в других газах – других цветов), соединяющего оба электрода. В этом состоянии газовый столб хорошо проводит электричество.

Рис. 162. Тлеющий разряд

При дальнейшей откачке светящийся шнур размывается и расширяется, и свечение заполняет почти всю трубку. При давлении газа в несколько десятых миллиметра ртутного столба разряд имеет типичный вид, условно изображенный на рис. 162. Различают следующие две главные части разряда: а) несветящуюся часть, прилегающую к катоду, получившую название темного катодного пространства; б) светящийся столб газа, заполняющий всю остальную часть трубки, вплоть до самого анода, и носящий название положительного столба. При подходящем давлении положительный столб может распадаться на отдельные слои, разделенные темными промежутками, так называемые страты.

Описанная форма разряда называется тлеющим разрядом. Почти весь свет, испускаемый при разряде, исходит из положительного столба. При этом цвет свечения зависит от рода газа.

В настоящее время трубки с тлеющим разрядом находят практическое применение как источники света – газоразрядные лампы. Для целей освещения с успехом применяются газоразрядные лампы, в которых разряд происходит в парах ртути, причем вредное для глаз ультрафиолетовое излучение поглощается слоем фосфоресцирующего вещества, покрывающего изнутри стенки лампы. Фосфоресцирующее вещество начинает светиться видимым светом, который добавляется к собственному свечению паров ртути, давая в результате свет, близкий по характеру к дневному свету (газоразрядные лампы дневного света). Такие лампы не только дают приятное «естественное» освещение, но и значительно (в три-четыре раза) экономичнее лампочек накаливания.

Газоразрядные лампы применяются также для декоративных целей. В этих случаях им придают очертания букв, различных фигур и т. д. и наполняют газом с красивым цветом свечения (например, неоном, дающим яркое оранжево-красное свечение, или аргоном с синевато-зеленым свечением).

Этому виду разряда соответствует область между падающими участками ВАХ. Ток здесь на три-четыре порядка больше, чем ток темного разряда (миллиамперы вместо микроампер). Поэтому количество генерируемых разрядом фотонов соответственно увеличивается, что позволяет наблюдать свечение средней интенсивности, определившее название разряда. Вместе с электронными лавинами и -процессами в тлеющем разряде проявляется новый фактор: объемный заряд положительных ионов повышает потенциалы точек пространства между электродами (рис. 3.2). Заряд становится существенным в результате значительного увеличения тока.

Рис.3.2. Распределение потенциала в плоскопараллельном промежутке без пространственного заряда (1) и при действии положительного (ионного) пространственного заряда (2). Обозначения: х – расстояние от катода, d – межэлектродное расстояние, d к - ширина области катодного падения потенциала

В электронных лавинах ионы и электроны образуются в одинаковом количестве (парами), однако пространственный заряд ионов значительно больше, чем электронов. Такое положение определяется тем, что скорость движения ионов к катоду много меньше, чем электронов к аноду. В результате ионы накапливаются в объеме в течение времени установления стационарного режима. В нем потоки ионов на катод и электронов на анод равны частоте ионизаций молекул в промежутке. Равенство потоков при малой скорости ионов обеспечивается тем, что после накопления в движении участвует больше ионов, чем электронов. Существенное превышение количества ионов в промежутке над количеством электронов определяет положительный знак суммарного пространственного заряда.

Потенциалы точек пространства под действием объемного заряда ионов возрастают, но не превышают потенциал анода (иначе электроны не смогли бы доходить до анода из-за тормозящего электрического поля). Как следствие, прикатодный участок графика распределения потенциала между электродами (рис. 3.2) идёт значительно круче, чем в случае малого пространственного заряда, а прианодный участок практически горизонтален. Почти все приложенное к промежутку напряжение сосредоточено в катодной области. Усиление объемного заряда с ростом тока проявляется в большем повышении потенциалов у катода и соответственно в уменьшении протяжённости области катодного падения потенциала (d к на рис. 3.2).

Перераспределение потенциала в промежутке с ростом тока (переход от прямой 1 к кривой 2) приводит к тому, что при x > d к развитие лавин прекращается, так как в этой области напряженность поля близка к нулю и ускорение электронов недостаточно для ионизации. Протяженность электронных лавин уменьшается (отd до d к ). В условиях правой ветви кривой Пашена это ведет к снижению напряжения, обеспечивающего самовоспроизводство носителей тока. В результате на ВАХ (рис. 3.1) появляется первый падающий участок, на котором с ростом тока необходимое для его поддержания напряжение уменьшается. Подобным образом объясняется и следующий далее возрастающий участок ВАХ: с увеличением тока значениеd к сокращается настолько, что произведениеp d к становится меньше величины, соответствующей минимуму кривой Пашена, и напряжение поддержания разряда растёт.

Между падающим и возрастающим участками ВАХ расположен сравнительно протяженный почти горизонтальный участок. Он соответствует «нормальному» тлеющему разряду и обусловлен интересной способностью разряда автоматически локализоваться на части поверхности катода. В начале участка площадь, занимаемая разрядом на катоде (далее –площадь свечения), мала, а с ростом тока она пропорционально увеличивается, так что плотность тока остается постоянной. В конце участка разряд занимает всю площадь катода. Постоянство плотности тока («закон Геля») определяет неизменность напряжения на участке.

Значение плотности тока разряд «выбирает» таким, чтобы величина произведения p d к соответствовала минимуму кривой Пашена (чтобы напряжение поддержания разряда было минимальным). В этом режиме на поддержание разряда затрачивается наименьшая мощность, что можно считать одной из причин локализации разряда.

Более детально последовательность процессов, определяющих «стягивание» разряда на части поверхности катода, можно представить следующим образом. В исходном состоянии при определенном значении тока разряд занимает всю поверхность катода, поэтому плотность тока и плотность пространственного заряда ионов сравнительно малы. Распределение потенциала близко к прямой 1 на рис. 3.2, а напряжение поддержания разряда велико и соответствует темному разряду. При неизменном токе случайно уменьшается площадь катода, занимаемая разрядом, что приводит к росту плотности пространственного заряда ионов и формированию области катодного падения потенциала с шириной d к , несколько меньшей межэлектродного расстоянияd. Сокращается протяженность электронных лавин и в соответствии с кривой Пашена уменьшается напряжение, необходимое для поддержания разряда.

В то же время напряжение между электродами сохраняется на исходном уровне, поскольку оно равно разности напряжения источника питания и падения напряжения на ограничительном резисторе, которое осталось прежним, поскольку прежним остался ток. В результате того, что напряжение на промежутке оказалось больше необходимого для поддержания разряда, коэффициент ионизационного нарастания становится больше единицы, ток увеличивается и падение напряжения на промежутке снижается, уменьшая коэффициентдо единицы. Это соответствует новому стационарному состоянию системы, но уже в условиях, когда площадь свечения меньше площади катода.

Далее процессы повторяются до того, когда произведение p d к по мере уменьшенияd к достигнет значения, соответствующего минимуму кривой Пашена. При этом площадь свечения будет такой, чтобы плотность пространственного заряда, определяющаяся плотностью тока, обеспечивала необходимую ширину области катодного падения потенциалаd к .

С ростом давления газа площадь свечения на катоде автоматически уменьшается, плотность тока возрастает, величина d к уменьшается, а произведениеp d к не изменяется. Как следствие, разряд по-прежнему расходует наименьшую мощность, а напряжение горения разряда (нормальное катодное падение потенциала) не зависит от давления газа. Оно определяется лишь родом газа и материалом катода:

где e = 2,7,А и В - константы, характеризующие ионизацию газа электронами. Значения нормального катодного падения потенциала для ряда случаев представлены на с. 44.

Плотность тока нормального тлеющего разряда (нормальная плотность тока ) определяется следующим соотношением:

где - подвижность ионов (см. с. 44), а- диэлектрическая проницаемость вакуума.

Поскольку подвижность обратно пропорциональна давлению газа, соотношение (3.2) можно представить в виде:

, (3.3)

где
- нормальная плотность тока при единичном давлении (см. с. 44), которая, как следует из соотношения (3.2), зависит от рода газа (коэффициентыА и В ) и материала катода (коэффициентγ ). Увеличение нормальной плотности тока с ростом давления перемещает правую границу горизонтального участка ВАХ вправо, поскольку в его конце разряд распространяется по всей поверхности катода, и ток равен произведению плотности тока на площадь катода (кривая 2 на рис. 3.1 правее первой).

Возрастающий участок ВАХ соответствует «аномальному» тлеющему разряду, при котором площадь свечения равна площади катода и с ростом тока увеличивается плотность тока. Напряжение, необходимое для поддержки разряда, повышается при увеличении тока в связи с тем, что растет плотность пространственного заряда, уменьшается ширина области катодного падения потенциала d к и произведениеp d к становится меньше величины, соответствующей минимуму кривой Пашена.

Приведённые выше упрощённые объяснения физических процессов базируются на том, что электродная система близка к плоскопараллельной (одномерной). Между тем в начале участка ВАХ, соответствующего нормальному тлеющему разряду, где площадь разряда на катоде мала, поперечный размер свечения может оказаться соизмеримым с шириной области катодного падения потенциала d к . В этом случае влияние пространственного заряда на распределение потенциала в промежутке определяется решением двумерной задачи. Потенциалы точек в разрядном канале оказываются ниже, чем в одномерном случае. Это можно интерпретировать как рост величиныd к , что сопровождается увеличением напряжения поддержания разряда с уменьшением тока. Такой разряд называется поднормальным тлеющим, поскольку он предшествует нормальному разряду.

ДУГОВОЙ РАЗРЯД

С увеличением тока аномального тлеющего разряда рост напряжения замедляется, и на ВАХ вновь появляется падающий участок (в амперном диапазоне). Напряжение снижается в результате того, что бомбардирующие катод ионы разогревают его до высокой температуры, достаточной для существенной термоэлектронной эмиссии. Формально можно считать, что за счет термоэмиссии растет число электронов, выходящих из катода, в расчете на один ион, поступающий на катод. Иными словами, можно считать, что увеличивается коэффициент вторичной ионно-электронной эмиссии . Как следствие, для поддержания тока требуется меньшее количество ионов, а значит – менее интенсивное развитие электронных лавин и менее высокое напряжение.

Температура катода при амперных значениях тока увеличивается значительно (до 3000 К и более), термоэмиссия становится основным механизмом выхода электронов из катода, а коэффициент приближается к единице (возрастает на 1 – 2 порядка). Поэтому напряжение поддержания разряда снижается очень сильно – от сотен вольт при аномальном тлеющем разряде до десятков вольт. Электронные лавины развиваются весьма слабо: на один электрон, выходящий из катода, приходится лишь несколько электронов, попадающих на анод, что приблизительно на порядок меньше, чем в тлеющем разряде. Соответственно уменьшается количество ионов, образующихся в каждой лавине. Однако количество лавин при большом токе велико и ионы обеспечивают разогрев катода до высокой температуры, несмотря на падение их энергии в результате уменьшения напряжения.

Напряжение поддержания разряда с ростом тока уменьшается приблизительно до потенциала ионизации газа. Более низкое напряжение невозможно, поскольку ионизация принципиально необходима для существования разряда. В ряде случаев напряжение становится ниже потенциала ионизации за счет ступенчатой ионизации молекул газа электронами или за счет ионизации атомов металла, испарившихся с поверхности катода.

Положение второго падающего участка ВАХ, соответствующего переходу тлеющего разряда в дуговой, существенным образом зависит от давления газа. С ростом давления начало участка сдвигается вправо по оси тока и вниз по оси напряжения. Иными словами, вправо и вниз сдвигается максимум ВАХ в области перехода тлеющего разряда в дуговой (кривая 2 на рис. 3.1 правее и ниже кривой 1). Эффект объясняется следующим образом. Для разогрева катода до определенной температуры требуется определенная мощность, выделяющаяся на катоде в результате ионной бомбардировки. Мощность пропорциональна количеству ионов (приблизительно – току разряда) и энергии ионов (приблизительно – анодному напряжению). С ростом давления газа ток перехода нормального тлеющего разряда в аномальный увеличивается. Следовательно, уровень мощности, достаточный для разогрева катода, достигается при меньшем напряжении, и начало участка спада на ВАХ перемещается вправо и вниз.

Такое перемещение при увеличении давления до некоторого значения, очевидно, приведет к тому, что напряжение перехода аномального тлеющего разряда в дуговой уменьшится до нормального катодного падения потенциала. Это означает, что нормальный тлеющий разряд перейдет в дуговой, минуя стадию аномального тлеющего разряда (без повышения напряжения). Дальнейшее увеличение давления приведет к тому, что в дуговой разряд сможет переходить нормальный разряд, занимающий лишь часть поверхности катода.

Положение участка ВАХ, соответствующего переходу нормального тлеющего разряда в аномальный, зависит от площади катода: с её увеличением участок сдвигается в сторону больших токов (кривая 3 рис. 3.1 правее кривой 2). В результате аномальный тлеющий разряд переходит в дуговой при меньшем напряжении. Можно предполагать и противоположное изменение напряжения перехода, поскольку для разогрева катода большей площади, очевидно, требуется большая мощность. На практике это не подтверждается, так как дуговой разряд обычно развивается с локализацией на части поверхности катода и до высокой температуры разогревается лишь небольшой участок катода (формируется «катодное пятно»).

Изложенный механизм существования дугового разряда действует только в случаях, когда катод выполнен из тугоплавкого материала (W, Mo, C, Nb, Ta). Если материал катода легкоплавкий (Hg, Al, Cu, Ni), то уровень термоэмиссии, необходимый для дугового разряда, достигается, как показывает расчет, лишь после плавления катода. Однако эксперимент показывает, что на легкоплавких катодах дуговой разряд может развиваться и без плавления катода (кроме ртути). Для него также характерны низкое, порядка потенциала ионизации, напряжение горения и большие, десятки и сотни ампер, величины токов.

Выход электронов из катода в таком разряде обеспечивается за счет автоэлектронной эмиссии. Необходимые высокие значения напряженности электрического поля при низком анодном напряжении достигаются в результате сильного уменьшения ширины области катодного падения потенциала d к (рис. 3.2). Сокращение этой области обусловлено стягиванием разряда на катоде в узкое пятно с резким увеличением плотностей тока и пространственного заряда ионов. В пятне интенсивно испаряется материал катода, что уменьшает длину свободного пробега электронов и облегчает ионизацию, поскольку потенциалы ионизации металлов в парообразном состоянии существенно (в 2 раза) меньше потенциалов ионизации газов. Пятно обычно хаотически перемещается по катоду.

Разряд в промежутке с катодом из тугоплавкого металла называют «термоэлектронная дуга», а в случае легкоплавкого катода – «автоэлектронная дуга» (по механизму выхода электронов из катода).