Трофимова Т.И. Курс физики

Подождите немного. Документ загружается.

§ 104. Работа выхода

электронов из металла

Как показывает опыт, свободные

электроны при обычных температурах

практически не покидают металл. Сле-

довательно, в поверхностном слое ме-

талла должно быть задерживающее

электрическое поле, препятствующее

выходу электронов из металла в окру-

жающий вакуум. Работа, которую нуж-

но затратить для удаления электрона из

металла в вакуум, называется работой

выхода. Укажем две вероятные причи-

ны существования работы выхода.

1. Если электрон по какой-то причи-

не удаляется из металла, то в том мес-

те, которое электрон покинул, возника-

ет избыточный положительный заряд и

электрон притягивается к индуциро-

ванному им самим положительному

заряду.

2. Отдельные электроны, покидая

металл, удаляются от него на расстояния

порядка атомных и создают

тем

самым

над поверхностью металла «электронное

облако», плотность которого быстро

убывает с расстоянием. Это облако вме-

сте с наружным слоем положительных

ионов решетки образует двойной элек-

трический слой, поле которого подобно

полю плоского конденсатора. Толщина

этого слоя равна нескольким межатом-

ным расстояниям (10~

—

1СГ

м). Он не

создает электрического поля во внеш-

нем пространстве, но препятствует

выходу свободных электронов из ме-

талла.

Таким образом, электрон при выле-

те из металла должен преодолеть задер-

живающее его электрическое поле двой-

ного слоя. Разность потенциалов

Дф

этом слое, называемая поверхност-

ным скачком

потенциала,

определя-

ется работой выхода (А) электрона из

металла:

где е — заряд электрона.

Так как вне двойного слоя электри-

ческое поле отсутствует, то потенциал

среды равен нулю, а внутри металла по-

тенциал положителен и равен Дф. По-

тенциальная энергия свободного элек-

трона внутри металла равна — еДф и яв-

ляется относительно вакуума отрица-

тельной. Исходя из этого можно счи-

тать, что весь объем металла для элект-

ронов проводимости представляет по-

тенциальную яму с плоским дном, глу-

бина которой равна работе выхода А.

Работа выхода выражается в элект-

рон-вольтах (эВ): 1 эВ равен работе, со-

вершаемой силами поля при перемеще-

нии элементарного электрического за-

ряда (заряда, равного заряду электрона)

при прохождении им разности потенци-

алов в 1 В. Так как заряд электрона ра-

вен

1,6

•

1СГ

Кл, то 1 эВ =

1,6

•

1СГ

Дж.

Работа выхода зависит от химиче-

ской природы металлов и от чистоты их

поверхности и колеблется в пределах

нескольких электрон-вольт (например,

у калия А = 2,2 эВ, у платины А =

= 6,3 эВ). Подобрав определенным об-

разом покрытие поверхности, можно

значительно уменьшить работу выхода.

Например, если нанести на поверхность

вольфрама (А

4,5 эВ) слой оксида ще-

лочно-земельного металла

(Са,

Sr,

Ba),

то работа выхода снижается до 2 эВ.

§ 105. Эмиссионные явления

и их применение

Если сообщить электронам в метал-

лах энергию, необходимую для пре-

одоления работы выхода, то часть элек-

тронов может покинуть металл, в ре-

зультате чего наблюдается явление ис-

191

пускания электронов, или электрон-

ной эмиссии. В зависимости от спосо-

ба сообщения электронам энергии раз-

личают термоэлектронную, фотоэлек-

тронную, вторичную электронную и ав-

тоэлектронную эмиссии.

1. Термоэлектронная эмиссия — это

испускание электронов нагретыми

металлами. Концентрация свободных

электронов в металлах достаточно вы-

сока, поэтому даже при средних темпе-

ратурах вследствие распределения

электронов но скоростям (по энергиям)

некоторые электроны обладают энерги-

ей, достаточной для преодоления по-

тенциального барьера на границе ме-

талла. С повышением температуры чис-

ло электронов, кинетическая энергия

теплового движения которых больше

работы выхода, растет и явление термо-

электронной эмиссии становится за-

метным.

Исследование закономерностей тер-

моэлектронной эмиссии можно прове-

сти с помощью простейшей двухэлект-

родной лампы — вакуумного диода,

представляющего собой откачанный

баллон, содержащий два электрода: ка-

тод К и анод А. В простейшем случае

катодом служит нить из тугоплавкого

металла (например, вольфрама), нака-

ливаемая электрическим током. Анод

чаще всего имеет форму металлическо-

го цилиндра, окружающего катод. Если

диод включить в цепь, как это показано

на рис. 154, то при накаливании катода

и подаче на анод положительного на-

пряжения (относительно катода) в

анодной цепи диода возникает ток.

Если поменять полярность батареи

то ток прекращается, как бы сильно ка-

тод ни накаливали. Следовательно, ка-

тод испускает отрицательные частицы —

электроны.

Если поддерживать температуру на-

каленного катода постоянной и снять

зависимость анодного тока /от анодно-

го напряжения U — вольт-амперную

характеристику (рис. 155), то оказы-

вается, что она не является линейной,

т. е. для вакуумного диода закон Ома не

выполняется. Зависимость термоэлек-

тронного тока

от анодного напряже-

ния в области малых положительных

значений [/описывается законом трех

вторых [установлен русским физиком

С. А. Богуславским (1883 — 1923) и аме-

риканским физиком И.Ленгмюром

(1881-1957)]:

где В — коэффициент, зависящий от

формы и размеров электродов, а также

их взаимного расположения.

При увеличении анодного напряже-

ния ток возрастает до некоторого мак-

симального значения

1|ас

называемого

током насыщения. Это означает, что

почти все электроны, покидающие ка-

тод, достигают анода, поэтому дальней-

шее возрастание напряженности поля

не может привести к увеличению тер-

Рис. 154 Рис. 155

192

моэлектронного тока. Следовательно,

плотность тока насыщения характери-

зует эмиссионную способность матери-

ала катода.

Плотность тока насыщения опреде-

ляется формулой Ричардсона —Деш-

мана, выведенной теоретически на ос-

нове квантовой статистики:

где А — работа выхода электронов из

катода; Т— термодинамическая темпе-

ратура; С — постоянная, теоретически

одинаковая для всех металлов (это не

подтверждается экспериментом, что,

по-видимому, объясняется поверхнос-

тными эффектами).

Уменьшение работы выхода приво-

дит к резкому увеличению плотности

тока насыщения. Поэтому применяют-

ся оксидные катоды (например, никель,

покрытый оксидом щелочно-земельно-

го металла), работа выхода которых

равна 1 — 1,5 эВ.

На рис. 155 представлены вольт-ам-

перные характеристики для двух тем-

ператур катода:

Т\

причем

{

С повышением температуры катода ис-

пускание электронов с катода интен-

сивнее, при этом увеличивается и ток

насыщения. При U = 0 наблюдается

анодный ток, т. е. некоторые электроны,

эмиттируемые катодом, обладают энер-

гией, достаточной для преодоления ра-

боты выхода и достижения анода без

приложения электрического поля.

Явление термоэлектронной эмиссии

используется в приборах, в которых

необходимо получить поток электронов

в вакууме, например в электронных

лампах, рентгеновских трубках, элект-

ронных микроскопах и т.д. Электрон-

ные лампы широко применяются в

электро- и радиотехнике, автоматике и

телемеханике для выпрямления пере-

менных токов, усиления электрических

сигналов и переменных токов, генери-

рования электромагнитных колебаний

и т.д. В зависимости от назначения в

лампах используются дополнительные

управляющие электроды.

2. Фотоэлектронная эмиссия — это

эмиссия электронов из металла под дей-

ствием света, а также коротковолново-

го электромагнитного излучения (на-

пример, рентгеновского). Основные за-

кономерности этого явления будут рас-

смотрены в § 202.

3. Вторичная электронная эмис-

сия — это испускание электронов по-

верхностью металлов, полупроводни-

ков или диэлектриков при бомбарди-

ровке их пучком электронов. Вторич-

ный электронный поток состоит из

электронов, отраженных поверхностью

(упруго и неупруго отраженные элект-

роны), и «истинно» вторичных элект-

ронов — электронов, выбитых из метал-

ла, полупроводника или диэлектрика

первичными электронами.

Отношение числа вторичных элект-

ронов

числу первичных

щ,

вызвав-

ших эмиссию, называется коэффициен-

том вторичной электронной эмиссии:

Коэффициент 6 зависит от природы

материала поверхности, энергии бом-

бардирующих частиц и их угла падения

на поверхность. У полупроводников и

диэлектриков

больше, чем у металлов.

Это объясняется тем, что в металлах,

где концентрация электронов проводи-

мости велика, вторичные электроны,

часто сталкиваясь с ними, теряют свою

энергию и не могут выйти из металла.

В полупроводниках и диэлектриках из-

за малой концентрации электронов

проводимости столкновения вторич-

ных электронов с ними происходят го-

Курс фнчикн

193

Рис. 156

раздо реже и вероятность выхода вто-

ричных электронов из эмиттера возра-

стает в несколько раз.

Для примера на рис. 156 приведена

качественная зависимость коэффици-

ента вторичной электронной эмиссии

от энергии впадающих электронов для

КС1. С увеличением энергии электро-

нов

возрастает, так как первичные

электроны все глубже проникают в кри-

сталлическую решетку и, следовательно,

выбивают больше вторичных электро-

нов. Однако при некоторой энергии пер-

вичных электронов Ь начинает умень-

шаться. Это связано с тем, что с увели-

чением глубины проникновения пер-

вичных электронов вторичным все

труднее вырваться на поверхность. Зна-

чение б

mах

для КС1 достигает

«12

(для

чистых металлов оно не превышает 2).

Явление вторичной электронной

эмиссии используется в фотоэлект-

ронных умножителях (ФЭУ), приме-

няемых для усиления слабых электри-

ческих токов. ФЭУ представляет собой

вакуумную трубку с фотокатодом К и

анодом А, между которыми расположе-

но несколько электродов — эмиттеров

(рис.

157). Электроны, вырванные из

Рис. 157

фотокатода под действием света, попа-

дают на эмиттер

пройдя ускоряю-

щую разность потенциалов между К и

Э^

Из эмиттера

выбивается

элект-

ронов. Усиленный таким образом элек-

тронный поток направляется на эмит-

тер

и процесс умножения повторя-

ется на всех последующих эмиттерах.

Если ФЭУ содержит п эмиттеров, то на

аноде А, называемом коллектором, по-

лучается усиленный в

раз фотоэлек-

тронный ток.

4. Автоэлектронная эмиссия — это

эмиссия электронов с поверхности ме-

таллов под действием сильного внешне-

го электрического поля. Эти явления

можно наблюдать в откачанной трубке,

конфигурация электродов которой (ка-

тод — острие, анод — внутренняя повер-

хность трубки) позволяет при напряже-

ниях примерно 10

В получать электри-

ческие поля напряженностью примерно

В/м. При постепенном повышении

напряжения уже при напряженности

поля у поверхности катода примерно

—10

В/м возникает слабый ток,

обусловленный электронами, испускае-

мыми катодом. Сила этого тока увели-

чивается с повышением напряжения на

трубке. Токи возникают при холодном

катоде, поэтому описанное явление назы-

вается также холодной эмиссией. Объяс-

нение механизма этого явления возмож-

но лишь на основе квантовой теории.

§ 106. Ионизация газов.

Несамостоятельный газовый

разряд

Газы при не слишком высоких тем-

пературах и при давлениях, близких к

атмосферному, являются хорошими

изоляторами. Если поместить в сухой

атмосферный воздух заряженный элек-

трометр с хорошей изоляцией, то его за-

194

ряд долго остается неизменным. Это

объясняется тем, что газы при обычных

условиях состоят из нейтральных ато-

мов и молекул и не содержат свободных

зарядов (электронов и ионов). Газ ста-

новится проводником электричества,

когда некоторая часть его молекул иони-

зуется, т.е. произойдет расщепление

нейтральных атомов и молекул на ионы

и свободные электроны. Для этого газ

надо подвергнуть действию какого-либо

ионизатора (например, поднеся к заря-

женному электрометру пламя свечи, на-

блюдаем спад его заряда; здесь электро-

проводность газа вызвана нагреванием).

Таким образом, при ионизации газов

под действием какого-либо ионизатора

происходит вырывание из электронной

оболочки атома или молекулы одного

или нескольких электронов, что приво-

дит к образованию свободных электро-

нов и положительных ионов. Электро-

ны могут присоединяться к нейтраль-

ным молекулам и атомам, превращая их

в отрицательные ионы. Следовательно,

в ионизованном газе имеются положи-

тельные и отрицательные ионы и сво-

бодные электроны. Прохождение элек-

трического тока через газы называется

газовым разрядом.

Ионизация газов может происхо-

дить под действием различных иониза-

торов: сильный нагрев (столкновения

быстрых молекул становятся настоль-

ко сильными, что они разбиваются на

ионы), коротковолновое электромаг-

нитное излучение (ультрафиолетовое,

рентгеновское и

^-излучения),

корпус-

кулярное излучение (потоки электро-

нов, протонов,

а-частиц)

и т. д. Для того

чтобы выбить из молекулы (атома)

один электрон, необходимо затратить

определенную энергию, называемую

энергией ионизации, значения которой

для атомов различных веществ лежат в

пределах 4 —25 эВ.

Одновременно с процессом иониза-

ции газа всегда идет и обратный про-

цесс — процесс рекомбинации: поло-

жительные и отрицательные ионы, по-

ложительные ионы и электроны, встре-

чаясь, воссоединяются между собой с

образованием нейтральных атомов и

молекул. Чем больше ионов возникает

под действием ионизатора, тем интен-

сивнее идет и процесс рекомбинации.

Строго говоря, проводимость газа

никогда не равна нулю, так как в нем

всегда имеются свободные заряды, об-

разующиеся в результате действия на

газы излучения радиоактивных веществ,

имеющихся на поверхности Земли, а

также космического излучения. Эта

незначительная проводимость воздуха

(интенсивность ионизации под дей-

ствием указанных факторов невелика)

служит причиной утечки зарядов на-

электризованных тел даже при хорошей

их

изоляции.

Характер газового разряда опреде-

ляется составом газа, его температурой

и давлением, размерами, конфигура-

цией и материалом электродов, при-

ложенным напряжением, плотностью

тока.

Рассмотрим цепь, содержащую газо-

вый промежуток (рис. 158), подверга-

ющийся непрерывному, постоянному

по интенсивности воздействию иониза-

тора. В результате действия ионизато-

ра газ приобретает некоторую проводи-

мость и в цепи потечет ток, зависимость

Рис. 158

195

Рис. 159

которого от приложенного напряжения

приведена на рис. 159.

На участке кривой

А сила тока воз-

растает пропорционально напряжению,

т. е. выполняется закон Ома. При даль-

нейшем увеличении напряжения закон

Ома нарушается: рост силы тока замед-

ляется (участок АВ) и наконец прекра-

щается совсем (участок ВС). Это дос-

тигается в том случае, когда ионы и

электроны, создаваемые внешним иони-

затором за единицу времени, за это же

время достигают электродов. В резуль-

тате получаем ток насыщения

(/„;

1С

зна-

чение которого определяется мощнос-

тью ионизатора. Ток насыщения, таким

образом, является мерой ионизирующе-

го действия ионизатора. Если в режиме

О С прекратить действие ионизатора, то

прекращается и разряд.

Разряды,

суще-

ствующие только под действием вне-

шних ионизаторов, называются несамо-

стоятельными. При дальнейшем уве-

личении напряжения между электрода-

ми

сила

тока вначале медленно (участок

CD), а затем резко (участок DE) возрас-

тает. Механизм этого явления будет рас-

смотрен в следующем параграфе.

§ 107. Самостоятельный

газовый разряд и его типы

Разряд в газе, сохраняющийся пос-

ле прекращения действия внешнего

ионизатора, называется самостоя-

тельным.

Рассмотрим условия возникновения

самостоятельного разряда. Как уже ука-

зывалось в § 106, при больших напря-

жениях между электродами газового

промежутка (см. рис. 158) ток сильно

возрастает (участки CD и DE на рис.

159). При больших напряжениях возни-

кающие под действием внешнего иони-

затора электроны, сильно ускоренные

электрическим полем, сталкиваясь с

нейтральными молекулами газа, иони-

зируют их, в результате чего образуют-

ся вторичные электроны и положитель-

ные ионы (процесс 1 на рис. 160). По-

ложительные ионы движутся к катоду,

а электроны — к аноду. Вторичные

электроны вновь ионизируют молеку-

лы газа, и, следовательно, общее коли-

чество электронов и ионов будет возра-

стать по мере продвижения электронов

к аноду лавинообразно. Это является

причиной увеличения электрического

тока на участке CD (см. рис. 159). Опи-

санный процесс называется ударной

ионизацией.

Однако ударная ионизация под дей-

ствием электронов недостаточна для

поддержания разряда при удалении

внешнего ионизатора. Для этого необ-

ходимо, чтобы электронные лавины

«воспроизводились», т.е. чтобы в газе

под действием каких-то процессов воз-

никали новые электроны. Такие процес-

сы схематически показаны на рис. 160:

Рис. 160

196

1) ускоренные полем положительные

ионы, ударяясь о катод, выбивают из

него электроны (процесс 2); 2) положи-

тельные ионы, сталкиваясь с молекула-

ми газа, переводят их в возбужденное

состояние; переход таких молекул в

нормальное состояние сопровождается

испусканием фотона (процесс 3); 3) фо-

тон, поглощенный нейтральной моле-

кулой, ионизирует ее, происходит так

называемый процесс фотонной иониза-

ции молекул (процесс 4); 4) выбивание

электронов из катода под действием

фотонов (процесс 5).

Наконец, при значительных напря-

жениях между электродами газового

промежутка наступает момент, когда

положительные ионы, обладающие

меньшей длиной свободного пробега,

чем электроны, приобретают энергию,

достаточную для ионизации молекул

газа (процесс 6), и к отрицательной пла-

стине устремляются ионные лавины.

Когда возникают кроме электронных

лавин еще и ионные, сила тока растет

уже практически без увеличения напря-

жения (участок DE на рис. 159).

В результате описанных процессов

(1 — 6) число ионов и электронов в

объеме газа лавинообразно возрастает

и разряд становится самостоятельным,

т.е. сохраняется после прекращения

действия внешнего ионизатора. Напря-

жение, при котором возникает самосто-

ятельный разряд, называется напря-

жением пробоя.

В зависимости от давления газа, кон-

фигурации электродов, параметров

внешней цепи можно говорить о четы-

рех типах самостоятельного разряда:

тлеющем, искровом, дуговом и коронном.

1. Тлеющий разряд возникает при

низких давлениях. Если к электродам,

впаянным в стеклянную трубку длиной

30 — 50 см, приложить постоянное на-

пряжение в несколько сотен вольт, по-

степенно откачивая из трубки воздух,

то при давлении

«5,3

— 6,7 кПа возни-

кает разряд в виде светящегося извили-

стого шнура красноватого цвета, идуще-

го от катода к аноду. При дальнейшем

понижении давления шнур утолщает-

ся, и при давлении

«13

Па разряд име-

ет вид, схематически изображенный на

рис. 161.

Непосредственно к катоду прилега-

ет тонкий светящийся слой 1 — первое

катодное свечение, или катодная

пленка, затем следует темный слой 2 —

катодное темное пространство, пе-

реходящее в дальнейшем в светящийся

слой 3 — тлеющее свечение, имеющее

резкую границу со стороны катода, по-

степенно исчезающую со стороны ано-

да. Оно возникает из-за рекомбинации

электронов с положительными ионами.

С тлеющим свечением граничит тем-

ный промежуток 4 — фарадеево тем-

ное пространство, за которым следу-

ет столб ионизированного светящегося

газа 5 — положительный столб. По-

ложительный столб в поддержании раз-

ряда существенной роли не играет. На-

пример, при уменьшении расстояния

между электродами трубки его длина

сокращается, в то время как катодные

части разряда по форме и величине ос-

таются неизменными.

В тлеющем разряде особое значение

для его поддержания имеют только две

его части: катодное темное простран-

ство и тлеющее свечение. В катодном

темном пространстве происходит силь-

ное ускорение электронов и положи-

тельных ионов, выбивающих электро-

ны с катода (вторичная эмиссия). В об-

ласти тлеющего свечения происходит

Рис. 161

197

ударная ионизация электронами моле-

кул газа. Образующиеся при этом по-

ложительные ионы устремляются к ка-

тоду и выбивают из него новые элект-

роны, которые, в свою очередь, опять

ионизируют газ и т.д. Таким образом

непрерывно поддерживается тлеющий

разряд.

При дальнейшем откачивании труб-

ки при давлении

«1,3

Па свечение газа

ослабевает и начинают светиться стен-

ки трубки. Электроны, выбиваемые из

катода положительными ионами, при

таких разрежениях редко сталкивают-

ся с молекулами газа и поэтому, уско-

ренные полем, ударяясь о стекло, вы-

зывают его свечение, так называемую

катодолюминесценцию. Поток этих

электронов исторически получил на-

звание катодных лучей. Если в като-

де просверлить малые отверстия, то

положительные ионы, бомбардирую-

щие катод, пройдя через отверстия,

проникают в пространство за катодом

и образуют резко ограниченный пу-

чок, получивший название канало-

вых (или положительных) лучей, на-

званных по знаку заряда, который они

несут.

Тлеющий разряд широко использу-

ется в технике. Так как свечение поло-

жительного столба имеет характерный

для каждого газа цвет, то его использу-

ют в газосветных трубках для светя-

щихся надписей и реклам (например,

неоновые газоразрядные трубки дают

красное свечение, аргоновые — синева-

то-зеленое). В лампах дневного света,

более экономичных, чем лампы накали-

вания, излучение тлеющего разряда,

происходящее в парах ртути, поглоща-

ется нанесенным на внутреннюю повер-

хность трубки флуоресцирующим ве-

ществом {люминофором), начинающим

под воздействием поглощенного излу-

чения светиться. Спектр свечения при

соответствующем подборе люминофо-

ров близок к спектру солнечного излу-

чения. Тлеющий разряд используется

для катодного напыления металлов.

Вещество катода в тлеющем разряде

вследствие бомбардировки положи-

тельными ионами, сильно нагреваясь,

переходит в парообразное состояние.

Помещая вблизи катода различные

предметы, их можно покрыть равно-

мерным слоем металла.

2. Искровой разряд возникает при

больших напряженностях электричес-

кого поля

(«3

•

В/м) в газе, находя-

щемся под давлением порядка атмос-

ферного. Искра имеет вид ярко светя-

щегося тонкого канала, сложным обра-

зом изогнутого и разветвленного.

Объяснение искрового разряда дает-

ся на основе стримерной теории, со-

гласно которой возникновению ярко

светящегося канала искры предшеству-

ет появление слабосветящихся скопле-

ний ионизованного газа — стримеров.

Стримеры возникают не только в ре-

зультате образования электронных ла-

вин посредством ударной ионизации,

но и в результате фотонной ионизации

газа. Лавины, догоняя друг друга, обра-

зуют проводящие мостики из стриме-

ров, по которым в следующие моменты

времени устремляются мощные потоки

электронов, образующие каналы искро-

вого разряда. Из-за выделения при рас-

смотренных процессах большого коли-

чества энергии газ в искровом проме-

жутке нагревается до очень высокой

температуры (примерно 10

К), что при-

водит к его свечению. Быстрый нагрев

газа ведет к повышению давления и воз-

никновению ударных волн, объясняю-

щих звуковые эффекты при искровом

разряде — характерное потрескивание

в слабых разрядах и мощные раскаты

грома в случае молнии, являющейся

примером мощного искрового разряда

198

между грозовым облаком и Землей или

между двумя грозовыми облаками.

Искровой разряд используется для

воспламенения горючей смеси в двига-

телях внутреннего сгорания и предох-

ранения электрических линий переда-

чи от перенапряжений (искровые раз-

рядники). При малой длине разрядно-

го промежутка искровой разряд вызы-

вает разрушение (эрозию) поверхнос-

ти металла, поэтому он применяется

для электроискровой точной обработ-

ки металлов (резание, сверление). Его

используют в спектральном анализе

для регистрации заряженных частиц

(искровые счетчики).

3. Дуговой разряд. Если после за-

жигания искрового разряда от мощно-

го источника постепенно уменьшать

расстояние между электродами, то раз-

ряд становится непрерывным — возни-

кает дуговой разряд. При этом сила тока

резко возрастает, достигая сотен ампер,

а напряжение на разрядном промежут-

ке падает до нескольких десятков вольт.

Дуговой разряд можно получить от

источника низкого напряжения, минуя

стадию искры. Для этого электроды

(например, угольные) сближают до со-

прикосновения, они сильно раскаляют-

ся электрическим током, потом их раз-

водят и получают электрическую дугу

(именно так она была открыта В. В. Пет-

ровым). При атмосферном давлении

температура катода приблизительно

равна 3900 К. По мере горения дуги

угольный катод заостряется, а на аноде

образуется углубление — кратер, явля-

ющийся наиболее горячим местом дуги.

По современным представлениям,

дуговой разряд поддерживается за счет

высокой температуры катода из-за ин-

тенсивной термоэлектронной эмиссии,

а также термической ионизации моле-

кул, обусловленной высокой темпера-

турой газа.

Дуговой разряд находит широкое

применение для сварки и резки метал-

лов, получения высококачественных

сталей (дуговая печь) и освещения

(прожекторы, проекционная аппарату-

ра). Широко применяются также дуго-

вые лампы с ртутными электродами в

кварцевых баллонах, где дуговой раз-

ряд возникает в ртутном паре при от-

качанном воздухе. Дуга, возникающая

в ртутном паре, является мощным ис-

точником ультрафиолетового излуче-

ния и используется в медицине (напри-

мер, кварцевые лампы). Дуговой разряд

при низких давлениях в парах ртути

используется в ртутных выпрямителях

для выпрямления переменного тока.

4. Коронный разряд — высоковольт-

ный электрический разряд при высо-

ком (например, атмосферном) давле-

нии в резко неоднородном поле вблизи

электродов с большой кривизной по-

верхности (например, острия). Когда

напряженность поля вблизи острия до-

стигает 30 кВ/см, то вокруг него возни-

кает свечение, имеющее вид короны,

чем и вызвано название этого вида раз-

ряда.

В зависимости от знака корониру-

ющего электрода различают отрица-

тельную или положительную корону.

В случае отрицательной короны рожде-

ние электронов, вызывающих ударную

ионизацию молекул газа, происходит за

счет эмиссии их из катода под действи-

ем положительных ионов, в случае по-

ложительной короны — вследствие

ионизации газа вблизи анода. В есте-

ственных условиях корона возникает

под влиянием атмосферного электриче-

ства у вершин мачт (на этом основано

действие молниеотводов), деревьев

Вредное действие короны вокруг про-

Это явление получило в древности назва-

ние огней святого Эльма.

199

водов высоковольтных линий переда-

чи проявляется в возникновении вред-

ных токов утечки. Для их снижения

провода высоковольтных линий дела-

ются толстыми. Коронный разряд, яв-

ляясь прерывистым, становится также

источником радиопомех.

Используется коронный разряд в

электрофильтрах, применяемых для

очистки промышленных газов от при-

месей. Газ, подвергаемый очистке, дви-

жется снизу вверх в вертикальном ци-

линдре, по оси которого расположена

коронирующая проволока. Ионы, име-

ющиеся в большом количестве во внеш-

ней части короны, оседают на частицах

примеси и увлекаются полем к внеш-

нему некоронирующему электроду и на

нем оседают. Коронный разряд приме-

няется также при нанесении порошко-

вых и лакокрасочных покрытий.

§ 108. Плазма и ее свойства

Плазмой называется сильно иони-

зованный газ, в котором концентрации

положительных и отрицательных заря-

дов практически одинаковы. Различа-

ют высокотемпературную плазму,

возникающую при сверхвысоких тем-

пературах, и газоразрядную плазму,

возникающую при газовом разряде.

Плазма характеризуется степенью

ионизации

— отношением числа

ионизованных частиц к полному их

числу в единице объема плазмы. В за-

висимости от величины

говорят о

слабо (а составляет доли процента),

умеренно

(а

— несколько процентов)

и полностью

(а

близко к 100 %) иони-

зованной плазме.

Заряженные частицы (электроны,

ионы) газоразрядной плазмы, находясь

в ускоряющем электрическом поле,

имеют разную среднюю кинетическую

энергию. Это означает, что температу-

ра электронного

и ионного

газов

различна, причем

Несоответ-

ствие этих температур указывает на то,

что газоразрядная плазма является

неравновесной, поэтому она называет-

ся также неизотермической. Убыль

числа заряженных частиц в процессе

рекомбинации в газоразрядной плаз-

ме восполняется ударной ионизацией

электронами, ускоренными электри-

ческим полем. Прекращение действия

электрического поля приводит к исчез-

новению газоразрядной плазмы.

Высокотемпературная плазма яв-

ляется равновесной, или изотермиче-

ской, т. е. при определенной температу-

ре убыль числа заряженных частиц вос-

полняется в результате термической

ионизации. В такой плазме соблюдает-

ся равенство средних кинетических

энергий, составляющих плазму различ-

ных частиц. В состоянии подобной

плазмы находятся звезды, звездные ат-

мосферы, Солнце. Их температура до-

стигает десятков миллионов градусов.

Условием существования плазмы

является некоторая минимальная плот-

ность заряженных частиц, начиная с

которой можно говорить о плазме как

таковой. Эта плотность определяется в

физике плазмы из неравенства

L^>

где L — линейный размер системы заря-

женных частиц, D — так называемый де-

баевский радиус экранирования, пред-

ставляющий собой то расстояние, на

котором происходит экранирование ку-

лоновского поля любого заряда плазмы.

Плазма обладает следующими ос-

новными свойствами: высокой степе-

нью ионизации газа, в пределе — пол-

ной ионизацией; равенством нулю ре-

зультирующего пространственного за-

ряда (концентрация положительных и

отрицательных частиц в плазме прак-

тически одинакова); большой электро-

200