Тлеющий разряд

Тлеющий разряд — один из видов стационарного самостоятельного электрического разряда в газах. Формируется, как правило, при низком давлении газа и малом токе. При увеличении проходящего тока переходит в дуговой разряд.

В отличие от нестационарных (импульсных) электрических разрядов в газах, основные характеристики тлеющего разряда остаются относительно стабильными во времени.

Типичным примером тлеющего разряда, знакомым большинству людей, является свечение неоновой лампы.

Получение

Простейшим прибором для моделирования газового разряда является запаянная стеклянная трубка, в торцы которой впаяны электроды. Трубка имеет отвод, присоединенный к вакуумному насосу. Электроды подключены к источнику постоянного тока с напряжением несколько тысяч вольт. После включения источника напряжения и пуска вакуумного насоса происходят следующие явления:

1. При атмосферном давлении газ внутри трубки остаётся тёмным, так как приложенного напряжения в несколько тысяч вольт недостаточно для того, чтобы пробить длинный газовый промежуток.

2. Когда давление газа достаточно понизится, в трубке вспыхивает светящийся дуговой разряд. Он имеет вид тонкого шнура (в воздухе — малинового цвета, в других газах — других цветов), соединяющего оба электрода. В этом состоянии газовый столб хорошо проводит ток.

3. При дальнейшей откачке газа светящийся шнур размывается и расширяется, и свечение заполняет почти всю трубку. Это тлеющий разряд. При давлении газа в несколько десятых миллиметра ртутного столба (сотни паскалей) разряд заполняет почти весь объём трубки. Свечение разряда распределено неравномерно. Возле катода находится темное катодное пространство, у анода — светящийся положительный столб, длина которого зависит от давления.

Структура

Различают следующие две главные части разряда: 1) несветящуюся часть, прилегающую к катоду, получившую название тёмного катодного пространства; 2) светящийся столб газа, заполняющий всю остальную часть трубки, вплоть до самого анода. Эта часть разряда носит название положительного столба. При определённом давлении положительный столб может распадаться на отдельные слои, разделённые тёмными промежутками, так называемые страты.

Механизм

При тлеющем разряде газ хорошо проводит электричество благодаря его сильной ионизации. Причинами ионизации газа в тлеющем разряде являются электронная эмиссия с катода под действием высокой температуры или сильного электрического поля, последующая ионизация молекул газа электронным ударом свободными электронами, испущенными катодом и летящими по направлению к аноду, а также вторичная электронная эмиссия электронов с катода, вызванная бомбардировкой катода положительно заряженными ионами газа. Таким образом, разряд может самоподдерживаться при напряжении значительно ниже напряжения диэлектрического пробоя газа.

Применение

Трубки с тлеющим разрядом находят практическое применение как источник света — газоразрядные лампы. Для освещения часто применяются люминесцентные лампы, в которых разряд происходит в парах ртути, причём невидимое ультрафиолетовое излучение поглощается слоем флюоресцирующего вещества — люминофора, покрывающего изнутри стенки лампы и стеклом колбы. Под действием ультрафиолетового излучения люминофор светится видимым светом, давая в результате свет, близкий по спектральным характеристикам к дневному свету (люминесцентные лампы дневного света). Такие лампы дают близкое к «естественному» освещение (но не сплошной спектр, как у ламп накаливания). Спектр испускаемого люминесцентными лампами света содержит ряд спектральных линий — в красной, зелёной и синей частях спектра с некоторой интенсивностью, и некоторые спектральные линии излучающих в тлеющем разряде газов. Энергия видимого излучения распределяется по этим узким полосам спектра.

Люминесцентные лампы значительно (в 3—4 раза) экономичнее ламп накаливания (у последних до 95 % энергии излучается в инфракрасной области спектра, невидимой человеческим глазом).

Люминесцентные лампы в быту приходят на смену лампам накаливания, а на производстве и в служебных помещениях почти полностью их вытеснили. Однако люминесцентные лампы не лишены недостатков. Так, например, на производстве использование люминесцентных ламп сопряжено с вредным стробоскопическим эффектом, заключающемся в том, что частота мерцания ламп с удвоенной частотой питающего переменного напряжения может совпасть с частотой вращения валов механизмов, при этом вращающиеся части механизмов в свете такой лампы для человека будет казаться неподвижным, «выключенным», что может привести к травме. Поэтому применяют дополнительную подсветку операционной зоны простой лампой накаливания, лишённой такого недостатка в силу инерции световой отдачи нити накаливания. На производстве, при наличии трёхфазной электрической сети, эта проблема решается включением ламп в разные фазы (напр. каждая 1-я лампа питается от фазы А, каждая 2-я от фазы B и т.д), что компенсирует мерцание ламп. У ламп, использующих вместо традиционной схемы включения (стартер + дроссель) ВЧ-генератор (такая схема использована в т. н. «экономичных» лампах, предназначенных для замены ламп накаливания), проблема стробоскопического эффекта отсутствует.

Газоразрядные лампы применяются также для декоративных целей. В этих случаях им придают очертания букв, различных фигур и т. д. и наполняют газом с разным цветом свечения (неоном, дающим оранжево-красное свечение, или аргоном с синевато-зелёным свечением).

Тлеющий разряд также применяется для накачки различных газовых лазеров, для плазменного напыления металлов и в других сферах.