Тлеющий разряд

20 December 2018

Я недавно делал выпуск, который был посвящен электрическим разрядам в газах. Там я в общих чертах описал механизм возникновения разряда в газе. Если вы пропустили его, то прочтите, это поможет вам более легко понимать материал данного выпуска!

Здесь я хотел бы рассказать о таком виде разряда, как тлеющий разряд. Это очень сложный и емкий в своем описании вид разряда, но я дам вам некоторые физические аспекты, благодаря которым вы сможете понять основные закономерности, присущие данному виду разряда.

Тлеющий разряд

Итак, начнем. Тлеющий разряд - это одна из разновидностей самостоятельного разряда (о других типах самостоятельного разряда, читайте в предыдущей статье). Возникает он только при низких давлениях газа. Обычно, его получают в стеклянных трубках с плоскими электродами, которые впаяны с обоих концов трубки. Для этого на электроды подается относительно небольшое напряжение, порядка 1 КВ, и после этого начинают откачивать газ из трубки.

При достижении давления в 35 мм.рт.ст. возникает тонкий канал светящегося газа, который соединяет катод и анод друг с другом. При уменьшении давления, толщина этого канала начинает увеличиваться, и при падении давления до отметки в 4-5 мм.рт.ст. этот шнур заполняет практически все пространство в трубке - именно в этот момент и устанавливается тлеющий разряд.

Тлеющий разряд

Структура

При дальнейшем понижении давления, в разряде начинают наблюдаться различные области. Давайте рассмотрим их поподробнее:

Тлеющий разряд

Святящаяся область вблизи катода называется катодной светящейся пленкой или просто - областью катодного свечения. Астоново темное пространство разделяет друг от друга катод и область катодного свечения. Дальше следует круксовое темное пространство (темное катодное пространство), на самом деле, это пространство не настолько темное, оно обладает небольшой светимостью. Эта область переходит в небольшое пространство тлеющего свечения (отрицательное свечение). Все выше перечисленное относится к катодной области тлеющего разряда.

С областью катодного свечения граничит фарадеево темное пространство. Ну и основная область - это положительный столб, именно от него и происходит все свечение. Цвет этого свечения зависит от того, какой тип газа находится в трубке. Например неон светится красным, а аргон - синим.

При дальнейшем уменьшении давления разряд расслаивается на так называемые страты.

Тлеющий разряд

Как же он происходит?

Как вы могли догадаться, все дело в низком давлении. По мере уменьшения давления, число молекул газа в пространстве уменьшается. Следовательно, электроны, пролетая от катода к аноду, имеют большую величину длины свободного пробега, то есть с большей вероятностью наберут энергию достаточную для ударной ионизации молекул газа. Тогда возникает своего рода цепная реакция - лавинный пробой.Но откуда взяться первоначальным электронам? Они появляются благодаря первичной и вторичной электронной эмиссии с катода.

Тлеющий разряд

Предлагаю вам рассмотреть, как себя ведут носители заряда в каждой из областей разряда, проследим за электроном:

Электрон покидает катод , при этом он имеет небольшую скорость, далее он ускоряется в темном астоновом пространстве. В результате этого его энергия становится достаточной для возбуждения молекул газа, и благодаря этому процессу возникает катодное свечение. Те электроны, которые пролетели эту область не возбуждая молекулы газа, попадают в круксовое темное пространство, где они больше ионизируют молекулы, чем возбуждают (из-за большой энергии). Поэтому в темном катодном пространстве присутствует небольшое свечение, так же в нем образуется большое количество новых ионов и электронов.

Еще раз приведу схему разряда, чтобы было проще следить за описанием процессов.
Еще раз приведу схему разряда, чтобы было проще следить за описанием процессов.

Новые электроны попадают в область тлеющего свечения, в котором большая концентрация ионов и электронов, благодаря чему, газ в этой области очень близок к плазме. Свечение в этой области вызвано рекомбинацией ионов и электронов, которых здесь очень много. Нужно понимать, что напряженность поля в плазме равна 0, поэтому носители заряда проникаю в фарадеево темное пространство не под действием поля, а в результате диффузии (так как на границе этих областей сильный градиент концентрации).

Из-за гораздо меньших концентраций носителей заряда в фарадеевом темном пространстве и их меньшей скорости, это пространство является темным, то есть не излучающим. В нем электроны уже ускоряются и переходя в область анодного свечения начинают возбуждать молекулы газа, и поэтому здесь происходит свечение (из-за перехода молекул в основное состояние). И при этом каждые молекулы испускают свет с определенной длиной волны. Этот факт используется в газоразрядных лампах.

Тлеющий разряд

На этом все. Я постарался дать вам достаточно полное описание структуры и процессов, происходящих в тлеющем разряде, не усложняя и не загромождая статью излишними формулами и определениями. Надеюсь, что вам было интересно. Не забывайте оценивать статью и подписываться на канал, если вам интересна научно-популярная тематика!

Всего вам доброго и до скорых встреч! :)