Электрический ток в неметаллах

      Дуговой разряд применяется как источник света и в наши дни, например в  прожекторах и проекционных аппаратах.

      Высокая температура дугового разряда позволяет  использовать его для устройства дуговой печи. В настоящее время  дуговые печи, питаемые током очень  большой силы, применяются в ряде областей промышленности: для выплавки стали, чугуна, ферросплавов, бронзы, получения  карбида кальция, окиси азота  и т.д.

      В 1882 году Н. Н. Бенардосом дуговой разряд впервые был использован для  резки и сварки металла. Разряд между  неподвижным угольным электродом и  металлом нагревает место соединения двух металлических листов (или пластин) и сваривает их. Этот же метод  Бенардос применил для резания металлических  пластин и получения в них  отверстий. В 1888 году Н. Г. Славянов усовершенствовал этот метод сварки, заменив угольный электрод металлическим.

      Дуговой разряд нашел применение в ртутном  выпрямителе, преобразующем переменный электрический ток в ток постоянного  направления.

      2.4.3. Тлеющий разряд наблюдается в газах при низких давлениях порядка нескольких десятков миллиметров ртутного столба и меньше. Если рассмотреть трубку с тлеющим разрядом, то можно увидеть, что основными частями тлеющего разряда являются катодное темное пространство, резко отдаленное от него отрицательное, или тлеющее свечение, которое постепенно переходит в область фарадеева темного пространства. Эти три области образуют катодную часть разряда, за которой следует основная светящаяся часть разряда, определяющая его оптические свойства и называемая положительным столбом.

      Основную  роль в поддержании тлеющего разряда  играют первые две области его  катодной части. Характерной особенностью этого типа разряда является резкое падение потенциала вблизи катода, которое связано с большой  концентрацией положительных ионов на границе I и II областей, обусловленной сравнительно малой скоростью движения ионов к катоду. В катодном темном пространстве происходит сильное ускорение электронов и положительных ионов, выбивающих электроны из катода. В области тлеющего свечения электроны производят интенсивную ударную ионизацию молекул газа и теряют свою энергию. Здесь образуются положительные ионы, необходимые для поддержания разряда. Напряженность электрического поля в этой области мала. Тлеющее свечение в основном вызывается рекомбинацией ионов и электронов. Протяженность катодного темного пространства определяется свойствами газа и материала катода.

      В области положительного столба концентрация электронов и ионов приблизительно одинакова и очень велика, что  обуславливает большую электропроводность положительного столба и незначительное падение в нем потенциала. Свечение положительного столба определяется свечением  возбужденных молекул газа. Вблизи анода вновь наблюдается сравнительно резкое изменение потенциала, связанное  с процессом генерации положительных  ионов. В ряде случаев положительный  столб распадается на отдельные  светящиеся участки – страты, разделенные темными промежутками.

      Положительный столб не играет существенной роли в поддержании тлеющего разряда, поэтому при уменьшении расстояния между электродами трубки длина  положительного столба сокращается  и он может исчезнуть совсем. Иначе  обстоит дело с длиной катодного  темного пространства, которая при  сближении электродов не изменяется. Если электроды сблизились настолько, что расстояние между ними станет меньше длины катодного темного  пространства, то тлеющий разряд в  газе прекратится. Опыты показывают, что при прочих равных условиях длина  d катодного темного пространства обратно пропорциональна давлению газа. Следовательно, при достаточно низких давлениях электроны, выбиваемые из катода положительными ионами, проходят через газ почти без столкновений с его молекулами, образуя электронные, или катодные лучи.

      Тлеющий разряд используется в газосветных  трубках, лампах дневного света, стабилизаторах напряжения, для получения электронных  и ионных пучков. Если в катоде сделать  щель, то сквозь нее в пространство за катодом проходят узкие ионные пучки, часто называемые каналовыми лучами. Широко используется явление катодного распыления, т.е. разрушение поверхности катода под действием ударяющихся о него положительных ионов. Ультрамикроскопические осколки материала катода летят во все стороны по прямым линиям и покрывают тонким слоем поверхность тел (особенно диэлектриков), помещенных в трубку. Таким способом изготовляют зеркала для ряда приборов, наносят тонкий слой металла на селеновые фотоэлементы.

      2.4.4. Коронный разряд возникает при нормальном давлении в газе, находящемся в сильно неоднородном электрическом поле (например, около остриев или проводов линий высокого напряжения). При коронном разряде ионизация газа и его свечение происходят лишь вблизи коронирующих электродов. В случае коронирования катода (отрицательная корона) электроны, вызывающие ударную ионизацию молекул газа, выбиваются из катода при бомбардировке его положительными ионами. Если коронируют анод (положительная корона), то рождение электронов происходит вследствие фотоионизации газа вблизи анода. Корона – вредное явление, сопровождающееся утечкой тока и потерей электрической энергии. Для уменьшения коронирования увеличивают радиус кривизны проводников, а их поверхность делают возможно более гладкой. При достаточно высоком напряжении между электродами коронный разряд переходит в искровой.

      При повышенном напряжении коронный разряд на острие приобретает вид исходящих  из острия и перемежающихся во времени  светлых линий. Эти линии, имеющие  ряд изломов и изгибов, образуют подобие кисти, вследствие чего такой  разряд называют кистевым.

      Заряженное  грозовое облако индуцирует на поверхности  Земли под собой электрические  заряды противоположного знака. Особенно большой заряд скапливается на остриях. Поэтому перед грозой или во время  грозы нередко на остриях и  острых углах высоко поднятых предметов  вспыхивают похожие на кисточки конусы света. С давних времен это свечение называют огнями святого Эльма.

      Особенно  часто свидетелями этого явления становятся альпинисты. Иногда даже не только металлические предметы, но и кончики волос на голове украшаются маленькими светящимися кисточками.

      С коронным разрядом приходится считаться, имея дело с высоким напряжением. При наличии выступающих частей или очень тонких проводов может  начаться коронный разряд. Это приводит к утечке электроэнергии. Чем выше напряжение высоковольтной линии, тем  толще должны быть провода.

      ΙΙΙ. Электрический ток в вакууме

      Вакуум (от лат. vacuum – пустота) – состояние газа при давлении, меньшем атмосферного. Это понятие применяется к газу в замкнутом сосуде или в сосуде, из которого откачивают газ, а часто и к газу в свободном пространстве, например к космосу. Физической характеристикой вакуума есть соотношение между длиной свободного пробега молекул и размером сосуда, между электродами прибора и т.д.

       воздух                Когда речь идет о вакууме, то почему-то считают, что это совсем пустое пространство. На самом же деле это не так. Если из какого-нибудь сосуда откачивать воздух (рис.2), то количество молекул в нем с течением времени будет уменьшаться, хотя все молекулы из сосуда удалить невозможно.

      Где берутся свободные носители зарядов  в вакууме? Если в сосуде создан вакуум, то в нем все же есть немало молекул, некоторые из них могут быть и  ионизированы. Но заряженных частичек в таком сосуде для выявления  заметного тока мало. Как же получить в вакууме достаточное количество свободных носителей заряда? Если нагреть проводник, пропуская по нему электрический ток или другим способом (рис.3), то часть свободных электронов в металле будет иметь достаточную энергию, чтобы выйти из металла (выполнить работу выхода).

      Процесс выхода электронов из металлов называют эмиссией.

      Существует  несколько способов сообщения электронам дополнительной энергии, необходимой  для удаления их из металла: нагревание (термоэлектронная эмиссия), облучение  металла электромагнитным излучением (фотоэлектрический эффект), бомбардировка  поверхности металла электронами  или другими частицами, когда  удар одной частицы приводит  к выходу нескольких электронов (вторичная  электронная эмиссия), и «вытягивание»  электронов из металлов сильным электрическим  полем (автоэлектронная эмиссия).

      Большое практическое значение имеет термоэлектронная эмиссия.

      3.1. Термоэлектронная  эмиссия - испускание электронов твердыми или жидкими телами при их нагревании. Для электрического тока в газоразрядной трубке имеет значение термоэлектронная эмиссия из нагретого катода. Электроны, испускаемые нагретым телом, называются термоэлектронами, а само тело – эмиттером.

      В результате термоэлектронной эмиссии  может возникнуть термоэлектронный ток. Для вылета  электрона из металла необходимо, чтобы кинетическая энергия электрона была достаточной  для преодоления его связи  с металлом – для совершения работы выхода А из металла. При комнатной температуре лишь немногие электроны обладают необходимой кинетической энергией и термоэлектронная эмиссия не велика. Явление интенсивно происходит при нагревании эмиттера до высокой температуры, соответствующей видимому свечению раскаленного металла.

      Теорию  термоэлектронной эмиссии разработал в 1902 году О.Ричардсон; в более позднем ее варианте ток с единицы поверхности нагретого металла, находящейся при однородной абсолютной температуре Т, определяется формулой 

где А - постоянный множитель, k - постоянная Больцмана, а W - работа выхода, характерная для данного металла, но зависящая от состояния его поверхности; она равна минимальной энергии, необходимой для удаления электрона с поверхности металла. В 1927 С.Дэшман вывел формулу Ричардсона на основе квантовой механики и установил, что множитель A имеет вид 

где m и e - масса и заряд электрона, а h - постоянная Планка. На практике величина А может заметно отличаться от даваемой этой формулой, если не обеспечено строгое выполнение условий, при которых выведена последняя. Так, если испускающая электроны поверхность не идеально однородна, на ней будут "пятна" с температурой, превышающей среднюю. Эмиссия электронов из этих "пятен" более интенсивна, и полный ток может оказаться гораздо больше теоретического для идеального случая. Эмиссия электронов остается незначительной, пока Т не достигнет значения W/k. Поэтому в целях снижения потерь тепла и расхода энергии большие усилия были направлены на создание поверхностей с возможно более низкой работой выхода. В современных электронных лампах почти всегда применяются оксидные катоды, в которых достигается оптимальный компромисс между низкой работой выхода, стоимостью, долговечностью и механической прочностью.

       3.2 Диод, триод. Электронными  лампами называются устройства, основанные на применении явления термоэлектронной эмиссии. Простейшим типом электронных ламп  является двухэлектродная лампа – диод. В зависимости от того, каким образом нагревается катод, различают лампы прямого и косвенного накала (рис. 4).

      Анод  чаще всего имеет форму цилиндра, по оси которого располагается катод, выполненный из тугоплавкого металла, например вольфрама, молибдена и  т.д.

      Диоды обладают односторонней (униполярной) проводимостью: ток в лампе возможен только в том случае, если потенциал  анода выше потенциала катода.  Если подать на анод отрицательный относительно катода потенциал, т.е. создать электрическое  поле, которое будет отталкивать  электроны от анода, то лампа будет  заперта и анодного тока в цепи лампы не будет. Это свойство диодов позволяет применять их для выпрямления  переменного тока.

      Зависимость между силой тока в диоде и  анодным напряжением можно изобразить графически

                                           Ia

                                         Iн  ---------------------------------

                                                                                                Ua

      Кривая, показывающая зависимость силы тока в диоде от анодного напряжения, называется вольтамперной характеристикой  диода. По мере увеличения анодного напряжения всё большее число вылетающих из катода электронов увлекается электрическим  полем и сила анодного тока резко  возрастает до тех пор, пока напряжение не достигнет такого значения Uн, при котором все вылетающие из катода за единицу времени электроны будут перемещаться полем к аноду. Сила анодного  тока достигает максимального значения Iн, которое называют силой тока насыщения диода, и дальнейшее увеличение анодного напряжения не ведёт к увеличению силы анодного тока. Анодное напряжение Uн  получило название напряжения насыщения.

      При напряжении  Uа = 0 сила тока Iа очень мала, значительно меньше силы тока насыщения, поэтому считают, что вольтамперная характеристика проходит через начало координат, то есть пренебрегают силой тока Iа, тогда при Ua = 0 и Iа = 0.