2.2. Условия существования разряда в газах

Условие зажигания самостоятельного разряда. Если подать на электроды такое напряжение U>U_t, при котором и знаменатель в формуле (*) отрицателен, формула теряет физический смысл. Это значит, что при таком напряжении ток не может быть стационарным. С другой стороны, приU<U_t, когда 1, течет стационарный несамостоятельный ток. Условие перехода =1 или

(**)

эквивалентно условию протекания стационарного самостоятельного тока в однородном поле E_t=U_t/d, где соответствующее напряжение U_t определяется из равенства (**).

2.3. Вольт-амперная характеристика разряда между электродами

По достижении на электродах пробивающего напряжения U=U_t в газе зажигается самостоятельный разряд. В рамках той идеализи­рованной схемы при U=U_t ток устремляется к бесконечности. Поскольку масштаб разрядного тока во многом определяет сам тип разряда, ибо с величиной тока связана степень ионизации газа, от сопротивления  зависит, какой разряд загорится после пробоя.

Нагрузочная прямая. Электрическое уравнение замкнутой цепи, включающей разрядный промежуток, гласит:

. (2.2)

На графике U, i это уравнение изображается прямой линией (рис. 2.4), которая называется нагрузочной прямой. Она падает тем круче, чем больше внешнее сопротивление, и отсекает на оси абсцисс величину предельного тока Е/. Реализуются те значения i и U, которым отвечает пресечение нагрузочной прямой и ВАХ U(i).

Темный таунсендовский разряд. Допустим, что сопротивление  столь велико, что цепь в состоянии пропустить лишь исключительно слабый ток. Для поддержания такого самостоятельного разряда к электро­дам должно быть приложено напряжение, равное потенциалу зажигания U_t. Именно оно обеспечивает стационарное воспроизводство электронов, вылетающих с катода и вытягиваемых на анод. Пока поле не зависит от плотностей зарядов (от тока), ВАХ разряда есть U(i)=const=U_t. Этой ситуации отвечает участок ВС на рис. 2.4. Такой самостоятельный разряд действительно наблюдается на опыте, в обычных трубках при токах 10^-10 – 10^-5 А. Он называется темным таунсендовским. Из-за чрезвычайной малости ионизации газ совсем не светится. Ток регистрируют высокочувствительными приборами.

Рис. 2.4. ВАХ разряда между электродами в широком диапазоне токов и нагрузочная прямая:AB – область несамостоятельного разряда; BC – темный таунсендовский разряд; DE – нормальный тлеющий разряд; EF – аномальный тлеющий разряд; FG – переход в дугу; GH- дуга

Тлеющий разряд. Будем наращивать ток. Практически это можно осуществить, уменьшая нагрузочное сопротивление или увеличивая ЭДС источника Е. Начиная с какого-то тока напряжение на электродах падает. Потом падение прекращается и в доволь­но большом диапазоне токов (иногда в несколько порядков) почти не меняется. Этот участок DE на ВАХ соответствует так называемому нормальному тлеющему разряду. Нижней части переходного участка CD отвечает поднормальный тлеющий разряд.

Нормальный разряд обладает замечательным свойством. При из­менении разрядного тока плотность его на катоде остается неизмен­ной. Меняется площадь на катоде, в которую втекает ток. Меняя  или Е в ту или другую сторону, можно видеть, как светящееся токовое пятно на поверхности катода расширяется или сокра­щается.

Когда на катоде не остается свободного места, для увеличения тока приходится повышать напряжение, чтобы вырывать с единицы площади катода больше электронов. Ведь теперь должна расти плотность катодного тока. Такой разряд называется аномальным. Ему соответствует нарастающий участок EF ВАХ. Интересно наблюдать переход к аномальному режиму. Видно, как тлеющее свечение охватывает сначала всю поверхность катода, обращенную к аноду, потом отыскивает любое не защищенное диэлектриком место на боковой, внутренней сторонах, на ножке и лишь когда все исчерпано, становится более протяженным и насыщенным, что свойственно аномальному разряду. При i~1 A тлеющий разряд срывается в дугу. Участок FG описывает переход, участок GH – дуговой разряд.