Проходження електричного струму через гази називається газовим розрядом.
Гази в нормальному стані є ізоляторами, носії струму в них відсутні. Лише при створенні особливих умов в газах можуть з'явитися носії струму (іони, електрони) і виникає електричний розряд.
Залежно від того, за рахунок яких чинників в газі утворюються заряджені частинки, необхідні для електричного розряду розрізняють несамостійні і самостійні розряди.
Якщо носії струму в газах виникають в результаті зовнішніх впливів, не пов'язаних з наявністю електричного поля, говорять про несамостійної розряді.
Несамостійний розряд може бути викликаний нагріванням газу (термічна іонізація), впливом ультрафіолетових або рентгенівських променів, а також впливом випромінювання радіоактивних речовин.
Якщо носії струму виникають в результаті процесів, обумовлених створеним в газі електричним полем, газовий розряд називається самостійним.
Характер газового розряду залежить від багатьох факторів:
від хімічної природи газу і електродів;
від температури і тиску газу;
від форми, розмірів і взаємного розташування електродів;
від напруги, прикладеної до електродів;
від щільності і потужності струму і т.д.
Тому газовий розряд може приймати вельми різноманітні форми. Деякі види розряду супроводжуються світінням і звуковими ефектами - шипінням, шерехами або тріском.
ОСНОВНІ ПОНЯТТЯ І ВИЗНАЧЕННЯ
Газорозрядними (іонними) називаються електровакуумні прилади з електричним розрядом в газі або парах.
Електричний розряд в газі - це сукупність явищ, які супроводжують проходження електричного струму через газ або пар. При такому розряді протікає кілька основних процесів:
При порушенні атома під ударом електрона один з електронів атома переходить на більш віддалену від ядра орбіту, тобто на більш високий енергетичний рівень. Таке збуджений стан атома триває зазвичай 10 - 10 с, після чого електрон повертається на свою орбіту і при цьому віддає у вигляді випромінювання енергію, яку атом отримав при порушенні від вдарив електрона.
Іонізація атомів (або молекул газу) відбувається при енергії вдаряє електрона більшою, ніж енергія збудження. В результаті іонізації з атома вибивається електрон. Отже, в просторі будуть два вільних електрона, а сам атом перетвориться в позитивний іон. Якщо ці два вільних електрона при русі в ускоряющем поле наберуть достатню енергію, то кожен з них може іонізувати новий атом. Тоді вільних електронів буде вже чотири, а іонів - три. Ці електрони знову можуть призвести іонізацію. Таким чином, відбувається лавиноподібне наростання числа електронів та іонів.
Можлива також ступінчаста іонізація. Від удару одного електрона атом переходить у збуджений стан і, не встигнувши повернутися в нормальний стан, іонізується від удару другого електрона. Збільшення в газі числа заряджених частинок за рахунок іонізації називають електризацією газу.
Рекомбінація. Поряд з іонізацією в газі відбувається і зворотний процес нейтралізації протилежних за знаком зарядів. Позитивні іони і електрони здійснюють в газі безладне (теплове) рух і, наближаючись один до одного, можу з'єднатися, утворюючи нейтральний атом. Відновлення нейтральних атомів називають рекомбінацією.
Рекомбінація призводить до зменшення числа заряджених частинок, тобто до деионизации газу.
Несамостійність РОЗРЯД розділяється на кілька підвидів, основними з яких є:
тихий розряд (виникає під дією природних іонізаторів: космічних променів, радіації, сонячного опромінення і т.д.). Для електроніки тихий розряд не використовується, але він передує іншим видам розрядів;
несамостійний дуговий розряд (низьковольтний). Виникає в іонних приладах з термокатодом (газотрони і тиратрони з напруженим катодом).
САМОСТІЙНИЙ ГАЗОВИЙ РОЗРЯД розділяється на наступні підвиди:
тихий самостійний розряд (коронний). Виникає при порівняно високому тиску, і коли один з електродів має вельми малий радіус кривизни (голка, тонка дріт і т.д.). Використовується в газорозрядних приладах для стабілізації напруги;
високочастотний розряд. Викликається змінним електричним полем. (Обидва ці розряду підтримуються тільки за рахунок ударної іонізації молекул газу);
тліючий розряд. При цьому газовому розряді ударна іонізація здійснюється електронами, вибиває з холодного катода (ХК) при бомбардуванні його поверхні позитивними іонами. Використовується в стабілітронах тліючого розряду і тиратронах.
самостійний дугового розряд - такий, коли ударна іонізація в основному здійснюється за рахунок автоелектронної (електростатичного) емісії і термоелектронної емісії;
іскровий розряд - короткочасний електричний розряд при порівняно високому тиску газу (наприклад, при атмосферному тиску). Використовується в розрядниках для короткочасного замикання ланцюгів.
Рис.1 Схема для зняття вольт-амперної характеристики іонного приладу
Найпростіший іонний прилад складається з анода і катода, поміщених в балон. Його вольт - амперна характеристика знімається за допомогою такої схеми (рис.1).
Розглянемо ВАХ двоелектродного іонного приладу з холодним катодом і пояснимо її хід (рис.2).
Ділянка ОА - тихий несамостійний розряд. При достатній величині анодної напруги струм досягає насичення. Його величина залежить тільки від інтенсивності сторонніх іонізаторів і може бути мірою потужності радіоактивного випромінювання.
Рис.2 Вольт-амперна характеристика двоелектродного іонного приладу
Ділянка АБ - з'являється ударна іонізація і бомбардування ХК іонами. Кількість електронів і I зростає. При певній напрузі (воно називається напругою запалювання, визначається видом газу, його тиском і відстанню між електродами) іонізація стає настільки сильною, що газовий розряд може здійснюватися без сторонніх іонізаторів.
Точці Б відповідає тихий самостійний розряд. На ділянці БВ відбувається поступовий перехід тихого самостійного розряду в тліючий. При цьому збільшення струму супроводжується зосередженням процесу ударної іонізації в малому обсязі, що прилягає до катода.
При завершенні переходу до тліючого розряду (точка В) концентрація іонів між анодом і катодом перерозподіляється так, що майже на всьому проміжку утворюється плазма, встановлюється постійне значення потенціалу і лише на малій ділянці у катода виникає великий перепад потенціалів. Під впливом сильного поля на цій ділянці позитивні іони вибивають з катода електрони, останні викликають ударну іонізацію молекул в тому самому проміжку і т.д. Так як при ударної іонізації частина молекул збуджується, то вони при поверненні в початковий стан випромінюють кванти світла. Над робочою поверхнею катода виникає так званого катодного свічення.
Збільшення струму через прилад в режимі нормального тліючого розряду відбувається за рахунок збільшення робочої поверхні катода. При цьому внутрішній опір приладу, за рахунок збільшення концентрації носіїв, зменшується, а напруга на приладі залишається майже незмінним: U = const (ділянка ВГ).
Подальше збільшення струму тліючого розряду можливо лише за рахунок збільшення щільності струму. При певній напрузі U. швидкість іонів стає настільки великою, що катод розігрівається до температури, відповідної термоелектронної емісії. Тліючий розряд переходить в дугового (ДЕ).