Газоразрядная лампа. Почему светится инертный газ.

В нормальном состоянии инертный газ не проводит электрический ток, но при определённых условиях можно нарушить изоляционные свойства инертного газа и заставить его проводить электрический ток. Явления, связанные с прохождением электрического тока через газ, получили название газового или электрического разряда.

Возьмём стеклянную трубку со впаянными по её концам металлическими электродами. Удалим из трубки атмосферный воздух и наполним её инертным газом или создадим условия для образования паров металла.

Рис. Разрядная трубка.

1 - разрядная стеклянная трубка;

2- разрядный промежуток;

3 - электрод;

4 - балластное сопротивление.

 

Если к электродам трубки приложить напряжение, то под действием этого напряжения в трубке создаётся электрическое поле, которое воздействует на некоторое количество свободных электрических зарядов, заставит перемещаться свободные и вновь образованные электрические заряды в определённом направлении. В трубке появится электрический ток - возникает газовый разряд. Прохождение электрического тока через трубку, наполненную газом или парами металлов, сопровождается рядом характерных световых явлений.

В зависимости от вида разряда возникает характерное свечение газов или паров металлов, которое и является основой для создания различного типа источников света. Источник света, в котором используется явление газового разряда, называется газоразрядным источником света.

Напряжение, при котором начинается процесс газового разряда называется напряжением зажигания. Это напряжение определяет то минимальное его значение, которое должно быть приложено к трубке, чтобы в ней возник разряд. После того как в трубке возник разряд, для его поддержания необходимо иметь меньшее по величине напряжение, чем напряжение первоначального зажигания разряда. Это напряжение называют напряжением горения разряда. В зависимости от рода наполняющего трубку газа, его давления, расстояния между электродами, материала из которого изготовлены электроды и других факторов будет меняться напряжение зажигания.

Какие физические процессы вызывают свечение газов или паров металлов при газовом разряде? Электрический ток между электродами разрядной трубки создаётся в результате перемещения под действием электрического поля электронов и ионов. Для того, чтобы процесс образования новых свободных электрических зарядов в межэлектродном пространстве продолжался непрерывно, необходимо обеспечить постоянное пополнение этого пространства электронами. Эту роль выполняет металлический катод трубки. Известно, что в металлах всегда имеется большое количество свободных электронов, которые хаотически двигаются , но покинуть поверхность металлического проводника в обычных условиях не могут. Чтобы вырвать электрон с поверхности металла, ему нужно сообщить дополнительную энергию. Энергию, которую необходимо затратить на преодоление электроном удерживающих его на поверхности металла сил, называют работой выхода.

Возможны два пути сообщения электрону необходимой энергии для выхода его с поверхности металла.

Термоэлектронная эмиссия, когда катод подогревается проходящим по нему электрическим током от постороннего источника питанию. Либо когда холодный катод бомбардируется положительными ионами, образовавшимися в газе, что также приводит к его нагреву.

Автоэлектронная эмиссия, когда вблизи холодного катода создаётся сильное электрическое поле, за счёт которого электроны вырываются с поверхности металла.

При достаточном запасе кинетической энергии электрона происходит неупругое соударение элементарных частиц. В момент столкновения электрона с нейтральным атомом, электрон передаёт ему часть своей энергии, и под влиянием этой энергии один из внешних электронов нейтрального атома может перейти на орбиту, характеризуемую повышенным энергетическим уровнем, либо электрон может оторваться от атома, атом превращается в положительный ион. Процесс перехода внешнего электрона нейтрального атома на орбиту с повышенным энергетическим уровнем называется возбуждением атома. Атом не может долго оставаться в возбуждённом состоянии, и через короткий промежуток времени, исчисляемый миллионными долями секунды, электрон с резонансного уровня возвращается в нейтральное положение.

При обратном переходе электрона с резонансного уровня в нейтральное положение происходит излучение энергии в виде определённой порции света, кванта света - фотона. Излучение, полученное в результате описанного процесса, называют резонансным излучением.

Каждому газу или пару металлов присуща определённая закономерность такого перехода. Полученное излучение в зависимости от рода газа или пара металлов и его давления имеет определённую длину волны, которая обусловливает цвет излучения.

Подбирая род газ или пара металла, их давление и плотность тока, можно получить излучение разряда с необходимыми световыми характеристиками.

Чем больший ток проходит через разрядную трубку, тем интенсивнее протекает процесс ионизации и напряжение на электродах трубки уменьшается, что ведёт к дальнейшему увеличению тока в цепи. Если ничем не ограничивать величину тока, то он будет возрастать до тех пор, пока не разрушится один из элементов цепи. Для ограничения тока последовательно с разрядной трубкой необходимо включить токоограничивающее сопротивление (балластное сопротивление). Выбор типа балласта определяется родом тока, проходящего через разрядную трубку. При работе газоразрядной трубки на постоянном токе, в качестве балласта применяют омическое сопротивление (реостат). На переменном токе можно использовать омическое сопротивление, индуктивность или ёмкость.

Более подробно информацию можно прочитать в книге Фугенфирова М.И. "Что нужно знать о газоразрядных лампах."