§ 93. Типы самостоятельного газового разряда

1. Искровой разряд. При больших напряженностях электрического поля (около В/см) в газе, находящемся при нормальном или повышенном давлении, возникает искровой разряд (пробой газа). Он имеет вид ярко светящегося извилистого разветвленного канала (стримера), мгновенно возникающего между электродами. Разряд носит прерывистый во времени характер (канал то вспыхивает, то гаснет) и сопровождается сильным треском.

Искровой разряд обусловлен ионными и электронными лавинами, вызванными ударной и фотонной ионизацией и выбиванием

электронов из катода положительными ионами. При этих процессах выделяется большое количество энергии. Поэтому газ в канале разряда нагревается до очень высокой температуры (порядка К), чем и вызвано его свечение. Треск искрового разряда обусловлен звуковыми волнами, возникающими при резком расширении нагревающегося в канале газа.

Примером грандиозного искрового разряда в естественных условиях является молния. Она представляет собой электрическую искру, проскакивающую между грозовым облаком и Землей или между двумя грозовыми облаками. Длина молнии может достигать нескольких километров, диаметр канала молнии 25 см, сила тока в канале . Продолжительность молнии имеет порядок . Грозовые явления, в частности молния, были экспериментально исследованы впервые в середине XVIII в. М. В. Ломоносовым и Г. В. Рихманом и независимо от них американским ученым Франклином.

В лабораторных условиях с помощью искрового разряда получают плазму (газ в состоянии полной ионизации). Искровой разряд используется для предохранения электрических линий передач от перенапряжения (искровой разрядник), а также для воспламенения горючей смеси в двигателе внутреннего сгорания. При малой длине газоразрядного промежутка искровой разряд вызывает разрушение (эрозию) поверхности металла. На этом основана электроискровая обработка металлов (резание, сверление и т. п.).

2. Коронный разряд. При нормальном и повышенном давлениях газа, находящегося в неоднородном электрическом поле, вблизи заостренных частей электродов наблюдается коронный разряд, представляющий собой слабое фиолетовое свечение газа, сопровождающееся легким шипением. Разряд обусловлен ударной ионизацией газовых молекул электронами и ионами, разогнанными до больших скоростей сильными электрическими полями, которые, как известно, создаются вблизи заостренных частей электродов (см. § 80). Свет испускается возбужденными молекулами газа при их переходе в нормальное состояние.

Коронный разряд возникает, например, около проводов высокого напряжения, у вершин мачт и других остроконечных предметов. На коронном разряде основано действие молниеотвода. Сильное электрическое поле, возникающее в атмосфере во время грозы, вызывает коронный разряд у вершины молниеотвода. Этот разряд непрерывно отводит в землю атмосферные электрические заряды, не позволяя им накапливаться вблизи здания, и тем самым предохраняет здание от удара молнии (или принимает удар на себя).

3. Дуговой разряд. Дуговой разряд возникает при сравнительно небольших напряжениях (около 60 В) между двумя близко расположенными друг от друга электродами (угольными или металлическими). При атмосферном давлении он имеет высокую

температуру 5000—6000 К и сопровождается ослепительно ярким свечением. Плотность тока в дуговом разряде достигает нескольких тысяч ампер на

Дуговой разряд обусловлен в основном термоэлектронной эмиссией раскаленного катода. Первоначальный нагрев катода происходит за счет теплоты, выделяемой током в месте соприкосновения электродов, имеющем большое сопротивление. Затем электроды раздвигаются и эмиттируемые электроны вызывают ударную ионизацию газа. После этого катод поддерживается в накаленном состоянии за счет бомбардировки положительными ионами.

Дуговой разряд был открыт в 1802 г. В. В. Петровым.

Рис. 210

В настоящее время этот вид разряда используется для сварки металлов (дуговая электросварка), выплавки специальных сталей (дуговая печь), освещения (дуговой фонарь, прооюектор) и т. п. Отметим, что свет дугового разряда в ртутных парах, находящихся при пониженном давлении, богат ультрафиолетовыми лучами. В связи с этим ртутные дуговые лампы используются в качестве источника ультрафиолетовых лучей для научных исследований, а также для лечебных целей «искусственное горное солнце»). Баллон лампы изготовляется из кварцевого стекла, почти не поглощающего ультрафиолетового излучения (поэтому лампа называется кварцевой).

4. Тлеющий разряд. Тлеющий разряд наблюдается в газе при низком давлении (около 13 Па) и большой напряженности электрического поля (около 80 В/см). Разряд имеет вид спокойно светящегося столба А (рис. 210), заполняющего почти все пространство между электродами газоразрядной трубки (положительный столб); не светящейся остается только небольшая область В около катода (катодное темное пространство). Свечение создают возбужденные молекулы; цвет свечения зависит от природы газа.

Тлеющий разряд вызван ударной ионизацией, производимой электронами, выбиваемыми из катода положительными ионами. Вблизи катода эти электроны еще только начинают ускоряться полем. Поэтому в области В они практически не производят ни ударной ионизации, ни даже возбуждения молекул газа, чем и объясняется отсутствие свечения в этой области. Достигая положительного столба электроны приобретают уже достаточную кинетическую энергию и потому ионизируют газ в этом столбе. Образующиеся при ударной

ионизации положительные ионы устремляются к катоду и выбивают из него новые электроны, которые в свою очередь опять ионизируют газ в области А, и т. п. Таким образом, непрерывно поддерживается тлеющий разряд.

Отметим, что в связи с малой ионизацией области В (сравнительно с областью А) в ней сосредоточено почти все падение напряжения, создаваемого источником тока.

Так как в разреженном газе мала концентрация ионов (и нейтральных молекул), то, во-первых, не происходит пробоя газа и, во-вторых, общее количество энергии, выделяющееся в газе, оказывается небольшим, в связи с чем свечение газа остается холодным.

При дальнейшем разрежении газа его свечение ослабевает и при давлении порядка 0,1 Па практически прекращается. Но зато появляется зеленое свечение стекла (стенок) трубки. Свечение стекла вызвано ударами электронов, которые в условиях столь сильного разрежения редко сталкиваются с молекулами газа и потому разгоняются до скоростей, сравнимых со скоростью света. Поток этих электронов называется катодными лучами, или электронным пучком. Встречный поток положительных ионов называется шналовыми лучами, или ионным пучком.

При дальнейшем понижении давления зеленое свечение стекла ослабевает и при давлении порядка Па прекращается.

Трубки с тлеющим разрядом применяются в качестве источников света (лампа дневного света). В этом случае они заполняются парами ртути с примесью аргона, а стенки трубки покрываются изнутри флуоресцирующим веществом (люминофором). Такие лампы экономичнее ламп накаливания (см. § 135). Газоразрядные трубки, заполненные гелием или неоном, используются для декоративных целей и для рекламных надписей.

В лабораторных исследованиях и в некоторых электронных приборах тлеющий разряд используется в качестве источника ионных и электронных пучков.

Примером тлеющего разряда в естественных условиях является полярное сияние. Оно возбуждается в верхних (разреженных) слоях атмосферы потоками заряженных частиц, извергаемых из активных областей Солнца и собираемых магнитным полем Земли в зонах земных (магнитных) полюсов (см. § 94 и 101).

Задача 45. Небольшая сельская гидроэлектростанция расходует ежеминутно воды. Высота напора воды Сколько электроламп может обслуживать такая установка, если каждая лампа потребляет ток при напряжении Коэффициент полезного действия всей гидроустановки

Решение. Электролампы включаются в осветительную сеть параллельно; поэтому в соответствии с первым правилом Кирхгофа (15) сила тока в шинах электростанции равна где число ламп. Тогда, согласно формуле (10), потребляемая электролампами мощность

С другой стороны, мощность, даваемая электростанцией, равна

где А — работа, совершаемая падающей водой за время масса этой воды, плотность воды, ускорение свободного падения. Эта мощность и потребляется электролампами. Поэтому можем написать

откуда

Задача 46. Напряжение на шинах электростанции Потребитель находится на расстоянии Какой площади поперечного сечения надо взять медный провод для устройства двухпроводной линии передачи, если сила тока в линии и падение напряжения в проводах составляет Удельное сопротивление меди Ом

Решение. Согласно формуле (5),

где сопротивление провода.

В соответствии с законом Ома Но, по условию, Тогда

и

Задача 47. На рис. 211 изображена схема «мостика Уитстона», широко применяемая для измерения сопротивлений проводников. В схеме имеются источник тока с электродвижущей силой проводник с известным сопротивлением проводник с измеряемым (искомым) сопротивлением гальванометр и однородный провод (реохорд), по которому может перемещаться скользящий контакт. Под реохордом расположена отсчетная линейка, служащая для определения длин участков (пл-еч) реохорда.

Рис. 211

Для измерения сопротивления устанавливают контакт в такое положение, при котором ток в ветви гальванометра прекращается (стрелка гальванометра не отклоняется). При этом имеет место соотношение по которому и определяют искомое сопротивление Как получить это соотношение?

Решение. Введем обозначения сил тока и сопротивлений для всех участков разветвленной цепи мостика, указав также направления токов

(см. рис. 211). Теперь, используя правила Кирхгофа (15) и (16), напишем:

По условию, Поэтому последние уравнения примут вид:

Деля почленно третье уравнение на четвертое и учитывая первые два уравнения, получим

откуда

Согласно формуле (5), где удельное сопротивление и площадь поперечного сечения провода Поэтому

и

Задача 48. Спай железо-константановой термопары помещен внутри картофельного бурта; второй ее спай находится в тающем льде. Какова температура внутри бурта, если стрелка гальванометра термопары отклонена на делений? Цена деления гальванометра его сопротивление Ом. Сопротивление проводов термопары пренебрежимо мало. Постоянная термопары

Решение. Согласно, формуле (22), термоэлектродвижущая сила где — температура второго спая.

По показанию гальванометра, сила тока в термопаре Согласно закону Ома (14), условию, Тогда откуда

тогда

Задача 49. Какое количество электрической энергии надо израсходовать, чтобы при электролизе раствора азотнокислого серебра выделилось серебра? Разность потенциалов на электродах молярная масса серебра валентность серебра Решение. Согласно объединенному закону Фарадея (39), откуда где постоянная Фарадея.

Потребляемая при электролизе энергия выразится соотношением (см. § 85)

Тогда