Самостоятельная электропроводимость газов

Когда внутри разрядного промежутка между плоским катодом и плоским анодом в диоде под влиянием распространяющейся электромагнитной волны возникают свободные электрические заряды, то реализуется самостоятельная проводимость газов. Этот случай изображен на рис. 171. Ионизация окружающего газа происходит как вблизи электродов, так и внутри разрядного промежутка. На электродах у поверхности кластеров свободные электрические заряды возникают вследствие автоионизации, потенциальной ионно-электронной эмиссии, фото- и термоэмиссии.

Когда процесс образования свободных электрических зарядов происходит на катоде, то положительные ионы захватываются катодом, а отрицательные электроны ускоряются тангенциальным электрическим полем электромагнитной волны и вследствие этого возникает электрический ток самостоятельного разряда между двумя плоскими пластинами: катодом К и анодом А, причем катод является источником электронов. Пусть из катода в единицу времени испускается такое количество электронов, которые у поверхности катода образуют концентрацию электронов п_е,0. При наложении внешнего поля электроны будут ускоряться, и приобретать дополнительную энергию от поля. Когда энергия, приобретенная электроном на длине свободного пробега, будет больше энергии ионизации, то при столкновении с атомами окружающего газа электрон способен вызвать ионизацию. В таких условиях по мере удаления от катода концентрация электронов должна возрастать, но возрастать будет и концентрация положительных ионов. На удалении х от катода концентрация электронов пусть будет п_е. Внутри слоя dx в единице объема вследствие дополнительной ионизации электронным ударом образуется dn_е новых электронов:

или ,

где α - коэффициент пропорциональности, первый коэффициент Тоунсенда, характеризующий ионизационные процессы внутри газа, находящегося между катодом и анодом. Интегрируя левую и правую части дифференциального уравнения (14.24), получаем

Постоянная интегрирования с' находится из граничных условий. При. Следовательно,

На основании (14.26) у анода концентрация электронов достигнет следующего значения:

В отсутствие процессов ударной ионизации анода А достигли бы в лучшем случае п_е,0 электронов, которые сформировали бы ток насыщения, равный

а при наличии ионизации в разрядном промежутке d

Электрический ток возрастает в ехр(αd) раз. Выражение (14.29) было получено Тоунсендом. Роговский учел при этом и рекомбинационные процессы. В результате теория лавинообразного увеличения тока разряда названа теорией Тоунсенда-Роговского.

Если электрон на своем пути на 1 см образует 2 электрона (α = 2 см^-1), то при d = 5 см, I = 2,2· 10⁴ I_н. Получается, что чем больше расстояние между электродами, тем больший ток должен проходить через диод. Это противоречит экспериментальным данным.

Зависимость (14.29) имеет место при постоянном значении электрического поля волны. В процессе образования плазмы в разрядном промежутке диода тангенициальная электрическая напряженность поля волны существенно изменяется по длине промежутка. Поэтому теория Тоунсенда-Роговского должна рассматриваться только в областях, где тангенциальная напряженность электрического поля волны обеспечивает ионизационные процессы в газе, а это в основном приэлектродные области.

При наличии лавинообразной ионизации электрический ток обусловлен не теми электронами, которые возникают в разрядном промежутке под влиянием внешнего воздействия, а теми, которые возникают под влиянием распространяющейся в этом промежутке электромагнитной волны. Для поддержания тока достаточно, чтобы в разряд извне поступало сравнительно небольшое количество электронов. Источником этих первичных электронов обычно является катод, электроны из которого вырываются под влиянием ударяющихся о него положительных ионов, поступающих из облака разряда, в результате сильного разогрева (авто- и термоэмиссии), а также под влиянием излучения (фотоэффекта). Во всех случаях самостоятельный разряд возникает тогда, когда произойдет пробой газа.

Пробой газа происходит, когда напряжение достигает значения, при котором возможна автоионизация окружающего газа, вблизи кластера и когда на длине свободного пробега электрон приобретает от электромагнитной волны энергию достаточную для осуществления ионизации электронным ударом. Это произойдет, если энергия, которую приобретает электрон от поля, составит 3…4 энергии ионизации частиц окружающего газа, т.е.

, (14.30)

где l_ион – длина свободного пробега электрона без столкновения; Е_з – тангенциальная электрическая напряженность поля электромагнитной волны, при которой электрон способен произвести автоионизацию окружающего газа, т.е. произойдет зажигание разряда; Θ_i – энергия ионизации отдельных частиц газа.

Длина свободного пробега в соответствии с молекулярно кинетической теорией газов составляет:

, (14.31)

где n_a – концентрация окружающего газа.

На основании (14.30) и (14.31) получаем, что отношение напряженности зажигания электрического поля волны к давлению окружающего газа

(14.32)

является величиной постоянной для данного газа.

Экспериментально зависимость (14.32) была установлена Пашеном и носит название – закон Пашена. Закон Пашена гласит: наименьшее напряжение между двумя плоскими электродами, при котором происходит зажигание разряда, имеет одну и ту же величину при одинаковом значении произведения давления Р на расстояние между электродами d. (Так как U_з ~ Pd или U_з /d = Е₃ ~ P, то Е₃/Р = const. Здесь U₃ - напряжение зажигания разряда; Е₃ - напряженность электрического поля при возникновении самостоятельного разряда между плоскими электродами). Закон Пашена вытекает из равенства (14.32).

Рассмотрим различные типы самостоятельных разрядов.

Поиск по сайту: