§ 80. Влияние давления газа на характер разряда.

Общий характер явлений, наблюдаемых при прохождении элек­трического тока через газ, т. е. при так называемом разряде через газ, зависит от целого ряда обстоятельств, как это уже отчасти должно быть ясно из всего предыдущего. Среди подобных обстоя­тельств на первом месте можно поставить то давление, под кото­рым находится газ. В зависимости от давления газа, в зависимости от степени разрежения газа, как мы обычно выражаемся примени­тельно к различным специальным аппаратам, длина свободного пути молекул газа и ионов, в нем образовавшихся, получает то или иное значение. От этого могут в значительной степени изменяться условия, при которых происходят коллизии, т. е. соударения частиц газа, могущие при благоприятной обстановке иметь результатом образование ионов (см. §78, п. 7). С другой стороны, поведение отдельных групп ионов может получать качественно особый, свое­образный характер при значительном увеличении свободного пути соответственно уменьшению полного числа молекул газа, находя­щихся в данном объеме. Таким образом, изменяя давление газа, мы можем чрезвычайно разнообразить наблюдаемые явления, начиная с того, что происходит в воздухе при нормальном атмо­сферном давлении, и доходя до характерных явлений, сопрово-

263

ждающих прохождение тока через сильно разреженные газы и через пустоту, т. е. пространство, наиболее совершенным способом освобожденное от молекул газа.

§ 81. Различные стадии прохождения тока через газы

при атмосферном давлении.

Остановимся теперь на случае прохождения электрического тока через газ при атмосферном давлении. Ради простоты предпо­ложим, что мы имеем дело с воздухом. Представим себе (рис. 134) некоторый генератор электрической энергии D, электродвижущая сила которого, сохраняя свое направление, может изменяться в самых широких пределах.

Допустим, что к полюсам этого гене­ратора присоединены балластное сопротивление R и металлическая пластина В с одной стороны, и какой либо прибор А, служащий для измерения силы тока, и вторая металлическая пластина С с другой стороны. Между параллельно расположенными пластинами В и С находится воздух, который может быть ионизирован каким-либо агентом, например, рент­геновыми лучами. Предста­вим себе, что расстояние ме­жду В и С сохраняется строго неизменным и что интенсив­ность ионизирующего агента остается постоянной. Меняя электродвижущую силу ге­нератора D от нуля до не­обходимого высшего предела, мы можем наблюдать в цепи ток, сила которого будет зависеть от разности потенциалов U₁-U₂ между пластинами В и С. Сила этого тока вначале может быть настолько слаба, что для его измерения необходим исключительно чувствительный при­бор. В дальнейших стадиях процесса разряда через газ между В и С сила тока в цепи иногда значительно возрастает, так что ее можно измерить обычным амперметром.

Опыт показывает, что при очень незначительных величинах разности потенциалов U₁-U₂ сила тока в цепи, будучи весьма, вообще говоря, малой изменяется прямо пропорционально этой разности потенциалов, т. е., следовательно, в данной стадии разряда соблюдается закон Ома, и соотношение между силой тока и раз­ностью потенциалов характеризуется прямолинейной зависимостью. На рис. 135 эта стадия разряда представлена начальным участком кривой OFGHV.

При возрастании разности потенциалов, однако, эта прямолинейность нарушается, и ток растет все медленнее и медленнее, что на рис. 135 представлено соответствующим загибом кривой (колено F). Сила тока ассимптотически прибли­жается к некоторому значению I_s называемому током насыщения и сохраняющему свое значение даже при сравнительно весьма боль-

264

шом возрастании разности потенциалов. Стадия тока насыщения, представлена на рис. 135 горизонтальной частью кривой между коленами F и G. Как показывают исследования, стадия насыще­ния характеризуется тем, что при этом все ионы, образующиеся в объеме газа между пластинами В и С за некоторый промежуток времени, успевают принять полное участие в процессе тока, т. е. доходят за тот же промежуток времени до соответствующих электродов. Этим определяется наибольшая сила тока, которая может быть до­стигнута при данной ско­рости образования ионов в данном объеме совер­шенно независимо от разности потенциалов. Дальнейшее возра­стание силы тока невоз­можно, пока сохраняется неизменной скорость образования новых ионов. Ток может уси­литься только в случае, если увеличится интен­сивность основного ионизирующего агента или выступит на сцену какой-нибудь дополни­тельный ионизирующий агент. Но мы знаем, что роль такого допол­нительного агента мо­жет играть само элек­трическое поле между пластинами В и С, если сила его достаточно ве­лика (см. § 78, пп. 5 и 7). И действительно, опыт показывает, что по достижении разностью потенциалов U₁-U₂ некоторого сравни­тельно большого значения сила тока в рассматриваемой цепи, несмотря на неизменность основного ионизирующего агента, начи­нает вновь возрастать, сначала медленно (колено G на рис.133), а затем все быстрее и быстрее, достигая иногда довольно боль­ших значений. Эта стадия разряда обычно сопровождается замет­ным свечением газа и некоторым своеобразным шумом, более или менее равномерным и сравнительно тихим. Это и есть стадия так называемого тихого разряда. Вообще говоря, стадия тихого раз­ряда сама по себе неустойчива, что объясняется очень быстрым возрастанием скорости образования новых ионов, так как каждый

265

новый ион быстро приобретает в сильном электрическом поле кинетическую энергию, достаточную для того, чтобы при соударении его с нейтральной молекулой газа разбить ее на отрицатель­ный ион (электрон) и положительный остаток. Образовавшиеся ионы в свою очередь расщепляют другие нейтральные молекулы, и тик далее процесс продолжается, развиваясь лавинообразно. Ста­дия тихого разряда может протекать более или менее устойчиво только в том случае, если в рассматриваемой обстановке имеются какие-либо ограничительные условия, например, условия, вызывающие уменьшение электрической силы между пластинами В и С, т. е. понижение разности потенциалов U₁-U₂ при возрастании силы тока в цепи. Это может произойти между прочим в случае доста­точно большого внутреннего сопротивления генератора D или в случае достаточно большого значения балластного сопротивления R, специально добавляемого иногда в цепь с этою именно целью — не дать возможности току чрезмерно возрастать и тем нарушать устойчивость режима.

При недостаточности указанных выше ограничительных сопро­тивлений сила тока в цепи быстро возрастает и достигает некото­рого предела, характеризуемого точкой Н на схематической диа­грамме, изображенной на рисунке 135. За данным пределом насту­пает разрывной разряд (искра, молния), сопровождающийся иногда очень значительными тепловыми, световыми и звуковыми эффектами. Если при этом мощность генератора D недостаточна велика или если сопротивления в цепи слишком еще велики, процесс может закончиться искрой между пластинами В и С при одновременном мгновенном падении разности потенциалов U₁-U₂, что обусловли­вается сравнительно большим значением силы тока при искре. После прекращения искры разность потенциалов вновь возрастает, причем быстро проходятся предшествующие стадии разряда .и опять проскакивает искра и т. д. более или менее часто в зависимости от общих условий, характеризующих электрическую цепь. Если же генератор D обладает достаточной мощностью и сопроти­вления в цепи малы, высокая температура газа на пути искры и бомбардировка положительными ионами той части поверхности отрицательного электрода С, на которую падает искра, могут обусловить столь значительный нагрев этой части поверхности, что из нее начинают выделяться очень обильно термионы (см. § 78, п. 8), образующие мощный поток электронов, направляющихся к положи­тельному электроду В. При указанных общих условиях накаленное состояние некоторой части поверхности электрода С обычно в дальнейшем может поддерживаться, и наступает заключитель­ная стадия разряда—вольтова дуга. Этой стадии на рис. 135 соответствует точка V. При вольтовой дуге сила тока в цепи может достигать чрезвычайно больших значений по сравнению с тем, что соответствует режимам разряда в пределах от точки О до точки Н. В то же время разность потенциалов U₁-U₂ падает до практически очень небольшого значения (обычно порядка де­сятков вольт).

266

Все выше рассмотренные стадии процесса прохождения тока через газообразную среду имеют место, вообще говоря, не только при атмосферном, но и при более высоких и при более низких давлениях. Мы остановились сначала на случае атмосферного давле­ния как потому, что при этом некоторые весьма характерные осо­бенности обычно довольно отчетливо выражены, так и ввиду из­вестного практического значения этого случая разряда через газы. Вместе с тем, как увидим ниже в параграфах 87 и следующих, в случаях очень малых давлений газа выявляются многие добавоч­ные явления, которые все же укладываются в общие рамки схемы, представленной на рис. 135. Следует еще иметь в виду, что мас­штабы силы тока и разности потенциалов на схематическом рис. 135 могут быть самые разнообразные, и общий вид кривой может зна­чительно изменяться в зависимости от обстоятельств. В частности, при атмосферном давлении в случае отсутствия специального ионизирующего агента, благодаря ничтожной величине естествен­ной ионизации газа, стадии разряда, характеризуемые участком OFG, могут быть столь слабо выражены, что нам покажется, что этот участок сливается с осью абсцисс, а участок GH начинается непосредственно от этой оси (обычно в точке, соответствующей напряжению в несколько тысяч вольт), если мы примем масштабы наиболее пригодные для стадий разряда, характеризуемых участком GHV. С другой стороны, при очень высоких давлениях участок GHV может как бы совершенно отсутствовать. Для обнаружения его потребуются в этом случае исключительно большие напряже­ния. При очень малых давлениях газа, когда средняя длина свобод­ного пути молекул будет сравнительно большая, роль электриче­ского поля в качестве ионизирующего агента выступает на первый план. Благодаря этому при масштабе напряжений, пригодном для случая больших давлений, ветвь GH может оказаться расположен­ной весьма близко к оси ординат. Все это, конечно, нисколько не меняет значения и смысла общей характеристики разряда через газ, представленой на рис. 135 кривой OFGHV.