ДОСЛІДЖЕННЯ РЕЖИМІВ ГАЗОВОГО РОЗРЯДУ У РТУТНО-КВАРЦОВІЙ ЛАМПІ

Явище проходження струму в газі, яке супроводжується свіченням та звуком, називається газовим розрядом.

Гази, на відміну від металів, напівпровідників та електролітів, за нормальних умов не мають вільних заряджених частинок. Вони складаються з нейтральних атомів і молекул, а тому є ізоляторами. Процес виникнення електричних зарядів у газі називається іонізацією. Для того. щоб газ став провідником, його необхідно іонізувати. Носіями струму в газі є електрони і позитивно та негативно заряджені іони. Газ можна іонізувати нагріванням, дією ультрафіолето­вого, рентгенівського, радіоактивного опромінення та іншими методами. Прилад, дія якого створює іони та електрони у газі, називається іонізатором.

При постійній дії іонізатора та прикладеному зовнішньому електричному полі в газі проходитиме струм. Цей струм називається несамостійнимгазовим розрядом. З припиненням дії іонізатора концентрація іонів швидко зменшується до нуля і несамостійний газовий розряд припиняється.

Якщо прикладене електричне поле достатньо сильне, то в газах починаються процеси самоіонізації і струм може існувати і без зовнішнього іонізатора.

Розглянемо залежність сили струму І від напруги U при несамостійному газовому розряді (рис.1).

Зростання напруги буде приводити до більшого впорядкування руху носів заряду, і, як наслідок, до збільшення сили струму доти, доки ще не всі носії заряду, створені іонізатором, дійдуть до електродів. Тому при невеликих напругах сила струму змінюється пропорційно напрузі – виконується закон Ома і ділянка 0a має прямолінійний вигляд. Якщо всі носії заряду, що створюються іонізатором, доходять до електродів, то подальше збільшення напруги не буде приводити до збільшення струму. Тому після перехідної області (ділянка ab), починаючи з певного значення напруги U_n, сила струму залишається сталою і вольт-амперна характеристика має вигляд горизонтальної лінії (ділянка bс). Максимальне значення сили струму I_n при несамостійному газовому розряді називається струмом насичення. Збільшення інтенсивності іонізації призводить до збільшення струму насичення.

Подальше збільшення напруги, починаючи з U_c, призводить до різкого зростання струму. Це зумовлено ударною іонізацією, унаслідок якої стрімко зростає число носіїв струму в газі. Тобто електрони при певній високій напрузі прискорю­ються між електродами настільки, що їх кінетична енергія є достатньою для іонізації молекул на своєму шляху ‑ виникає явище вторинної іонізації. Це призводить до різкого зростання струму (наступна ділянка після bc). Отже, при достатньо високих напругах у газі відбувається самоіонізація, яка може існувати без зовнішнього іонізатора. Електричний струм у газах, який існує після припинення дії зовнішнього іонізатора, називається самостійним газовим розрядом.

Таким чином, первинною є іонізація, що відбувається внаслідок зовнішніх впливів, вторинною – іонізація атомів і молекул під дією непружних ударів електронів зі значною кінетичною енергією. Різниця потенціалів, за якої електрон набуває енергії, достатньої для іонізації атома або молекули шляхом непружного удару, називається іонізаційним потенціалом. Несамостійний розряд – це розряд, який припиняється при усуненні джерела первинної іонізації газу. Якщо при непружному ударі кінетична енергія електрона недостатня для іонізації атома, то атом переходить у збуджений стан із наступним випусканням фотона. Тому вторинна іонізація супроводжується свіченням.

Перехід несамостійного газового розряду у самостійний називається електричним пробоєм газу, а відповідна напруга – напругою пробою, або напругою запалювання.

Самостійні газові розряди поділяються на тліючий, іскровий, дуговий.

Тліючий розряд спостерігається при тисках порядку 13 Па, різниці потенціалів у декілька сотень вольт. Розряд має стовпоподібну форму і заповнює майже весь простір між електродами крім невеликої області поблизу катода (катодний темний простір).

Іскровий розряд – це переривчастий високовольтний несамостійний газовий розряд. Має вигляд яскравого світного розгалуженого каналу (стримера) і зумовлений іонною та електронною лавинами. Тріск, що супроводжує іскровий розряд, зумовлений звуковими хвилями, що виникають при різкому розширенні або звуженні стримера.

Дуговий розряд виникає при малих напругах (декілька десятків вольт) і великій густині струму (декілька тисяч ампер на 1мм²). Основними механізмами іонізації є термоемісія електронів з гарячого катода і термодисоціація молекул газу (робоча температура понад 3000 К). Дуговий розряд супроводжується яскравим свіченням. Дуговий розряд наявний у ртутно-кварцовій лампі, яка широко застосовується у ветеринарії та медицині.