Вакуум и электричество
Что произойдет, если электрический ток пропускать через газ? Этот вопрос занимал ученых еще в прошлом столетии.
Прохождение электрического тока через пространство, заполненное газом различной степенью разрежения, оказалось весьма сложным явлением, имеющим большое практическое значение. В результате изучения этого процесса возникла новая отрасль науки — электроника — и новая отрасль техники — электронные устройства.
Как известно, все тела состоят из атомов. Атом имеет центральное «ядро», обладающее положительным электрическим зарядом, вокруг которого движутся отрицательно заряженные частицы — электроны. Таким образом, каждое тело имеет «электрическое» строение и содержит огромное количество положительно и отрицательно заряженных частиц. В телах и веществах, которые нас окружают, чаще всего ядро каждого атома прочно удерживает свои электроны. Такие тела обычно называют изоляторами.
Особыми свойствами обладают металлы. В них каждый атом теряет по одному или по два электрона. Эти электроны не связаны с атомами, могут свободно двигаться в металле и по своему поведению напоминают газ. Поэтому принято говорить, что металл насыщен «электронным газом». Если воздействовать на металл даже слабым электрическим полем, то свободные электроны под его влиянием начнут двигаться в одном направлении — возникнет электрический ток.
Если нагревать металл, то свободные электроны, подобно молекулам газа, будут усиливать свое беспорядочное (тепловое) движение. При достаточно высокой температуре некоторые электроны могут совсем вылететь из металла. Это явление называется «термоэлектронной эмиссией». Оно очень широко используется в радиотехнике.
Электроны могут вылететь с поверхности некоторых металлов и под действием света; это явление называется фотоэлектронной эмиссией.
Достаточно сильный поток электронов в газе возможен только в вакууме. При обычном же давлении электроны, вылетающие с поверхности металла, сталкиваются с молекулами газа, взаимодействуют с ними и не могут пробиться даже через слой газа небольшой толщины. Изоляционные свойства газа мы можем наблюдать на примере высоковольтных линий, по неизолированным проводам которых течет ток высокого напряжения.
Сложные процессы, возникающие в газах при прохождении электрического тока, вызваны тем, что электроны, сталкиваясь с молекулами газа, могут образовать ионы (этот процесс называется «ионизацией»). Если энергия электрона недостаточна для осуществления «ионизации», то он может нарушить в молекуле равновесие внутренних сил, сместив расположенные в ней электроны. Этот процесс называется «возбуждением» молекул. «Возбужденные» молекулы теряют избыточную энергию — «энергию возбуждения» — в виде излучения — в газе появляется свечение.
Прежде чем рассмотреть, что же произойдет, если электрический ток пропускать через пространство, содержащее воздух или другой газ при различной степени разрежения, обратимся к истории изучения этого явления.
Свечение в разреженном пространстве наблюдалось и ранее. Так, вскоре после изобретения барометра, в 1675 году, Пикар наблюдал странное явление: при встряхивании барометрической трубки, наполненной ртутью, начинало светиться «пустое» пространство над ртутью. Такое же свечение позднее наблюдал Ломоносов при натирании поверхности стеклянного шара шерстяной тканью в том случае, если внутри шара было создано разрежение. И в опыте Пикара, и в опыте Ломоносова за счет трения происходила электризация газов, содержавшихся в разреженном пространстве. Кулон в 1785 г. обнаружил уменьшение электрических зарядов у заряженных медных шаров, это могло быть объяснено только «утечкой» электрического заряда через воздух.
Известный физик Крукс обнаружил, что при прохождении электрического тока через разреженный газ возникает свечение последнего. Такое же свечение наблюдал в 1853 г. французский физик Массон.
Большого совершенства в изготовлении трубок, из которых откачивался воздух, достиг стеклодув Генрих Гейслер. Его трубки настолько прославились, что даже современные вакуумированные трубки называются «гейслеровыми».
Известный русский физик В. В. Петров впервые подробно описал разнообразные виды свечения разреженного воздуха (вплоть до остаточного давления 6 мм рт. ст.) при прохождении через него электрического тока. Вот как описывает он один из своих опытов. «И так, когда стал я опять вытягивать воздух из колокола, то после пяти движений поршня и начали оказываться явления фосфорического света в различных местах полости колокола, так же как и на многих самой машинки частях, на которые сверху натекло масло; сей фосфорический свет, увеличивался в содержании степеней изрежения воздуха до разности 2Yz линий высоты ртути обыкновенного барометра и показателя, потом сей свет начинал ослабевать, и напоследок сделался он вовсе неприметным» («Новые электрические опыты профессора физики Василия Петрова», 1804 г., стр. 114). Это интересное явление привлекало внимание большинства крупнейших физиков XIX века.
Правильное объяснение причины свечения газов в разреженном пространстве дал Дж. Дж. Томсон. Он установил, что между электродами, впаянными в трубку и подключенными к источнику тока, образуется поток электронов. Электроны, сталкиваясь с молекулами газа, передают им энергию, «возбуждают» молекулы. Возбужденные молекулы излучают энергию, светятся.
В 1883 г. Эдисон обнаружил интересное явление. В обычную вакуумную лампу накаливания, в которой проволочная спираль 1 нагревалась электрическим током от источника тока 5, была впаяна металлическая пластинка — дополнительный электрод 2. При соединении одного из проводов, подводящих ток к проволочной спирали, с электродом (рис. 26) в боковой цепи возникал электрический ток, который обнаруживался по отклонению стрелки прибора 4, несмотря на то, что эта цепь внутри лампы разорвана вакуумированным пространством.
Следовательно, в вакуумированном пространстве возникает электрический ток между нагретой проволокой и металлической пластинкой.
Что же будет происходить, если пропускать электрический ток через газ различной плотности? В зависимости от напряжения и силы тока, природы и давления газа, формы, размеров и материала электродов, расстояния между электродами и других факторов электрический разряд в газе будет различен. Это очень сложные и до сих пор еще плохо изученные явления. Посмотрим поэтому на поведение электронов в вакууме только на одном конкретном примере.
Возьмем запаянную с обоих концов стеклянную трубку, в которую введены две металлические пластинки — электроды. Присоединим электроды к источнику тока и проследим, что будет происходить при различных давлениях воздуха в трубке.
При обычном давлении и небольшом напряжении электроны, вылетающие из одного из электродов (катода), не могут далеко пробиться через слой молекул воздуха, разряда не будет. Если постепенно повышать напряжение и довести его до нескольких десятков тысяч вольт, произойдет внезапный разряд — между электродами проскочит искра.
Уменьшим давление — уменьшится количество молекул между электродами. Путь электронов, без столкновения с молекулами увеличится, через трубку начнет проходить ток. При остаточном давлении около 50 мм ртутного столба между электродами появляется тонкая фиолетовая светящаяся полоска, начинается свечение, вызванное «возбуждением» и ионизацией молекул.
С дальнейшим увеличением разрежения свечение распространяется по всей трубке и при вакууме меньше одного мм ртутного столба появляется так называемый «слоистый» разряд — области светящегося пространства сменяются темными полосами. При этом электроны взаимодействуют с молекулами, образуя «возбужденные» молекулы и заряженные частицы — ионы. Это — сложное явление, подробное объяснение которого читатель найдет в специальных книгах. При вакууме порядка сотых долей миллиметра свечение исчезает почти полностью, остается только свечение у стенок и у электродов. В это время электроны, вылетающие из катода, почти не сталкиваясь с молекулами газа, пролетают все расстояние между электродами, такой поток электронов в высоком вакууме называется катодными лучами, он играет огромную роль в современной технике. Явление прохождения электронов через разреженное пространство используется в так называемых электронных лампах.
Изобретение электронной лампы совершило переворот в ряде отраслей техники. Современная автоматика и телеуправление, радио и телевидение, звуковое кино и быстродействующие счетные машины, контроль работы мощных энергосистем и управление атомными реакторами основаны на применении электронных ламп. Мощные электронные лампы используются для превращения переменного тока в постоянный, для получения токов высокой частоты и многих других целей.
Для успешной работы электронной лампы в ней создается глубокий вакуум. Этот вакуум должен быть достаточным для того, чтобы электроны не испытывали большого числа соударений с молекулами газа при движении от катода к аноду. В настоящее время разработано и выпускается большое количество самых разнообразных по конструкции электронных ламп — от электронно-лучевых трубок для телевизоров до микроскопических по размеру ламп для снаряжения телепередатчиками радиозондов или управляемых снарядов.
В конце XIX столетия развитие вакуумной техники было обусловлено потребностями производства электрических ламп накаливания. Совершенствование техники получения вакуума приводило к увеличению эффективности и экономичности источников света. В настоящее время, хотя лампы накаливания выпускаются с заполнением объема инертным газом, в их производстве вакуумирование играет не малую роль. Прежде чем наполнять лампы газом, из них откачивают воздух.
Потребности производства электронных ламп вызвали еще более быстрое развитие вакуумной техники. Для массового производства этих ламп необходимо было построить мощные насосы, создающие высокое разрежение при большой скорости откачки.
В 1919 году была начата подготовка к массовому изготовлению электронных ламп в Петрограде под руководством А. А. Чернышева. В дальнейшем завод «Светлана» стал центром произ
Изготовление электронных ламп в России было начато в 1914 году благодаря трудам Н. Д. Папалекси. Впервые таводства электронных ламп. Его коллектив создал все современные типы электровакуумных приборов. Много в этой области было сделано в лаборатории завода под руководством С. А. Векшинского.
Электронные лампы, или, как их правильнее называют, электровакуумные приборы, изготовляются разного назначения, устройства и самых различных размеров. На рис. 27 показан один тип электровакуумной лампы.
Наряду с миниатюрными приборами изготовляются и настоящие гиганты. Весь ток, который потребляется трамваем, троллейбусом, электропоездами, прежде чем попасть в их двигатели, проходит через огромные выпрямители (рис. 28). Наиболее распространены ртутные выпрямители. Они представляют собой большой стеклянный или металлический баллон, из которого откачан воздух. В баллон впаяно несколько электродов и залита ртуть. На аноды 3 подается переменное напряжение. Когда анод имеет положительный потенциал, вылетающие из поверхности ртутного катода 1 электроны направляются к аноду. На своем пути они ионизируют газ и пары ртути, что приводит к появлению тока большой силы. При перемене знака заряда, т. е. когда анодом становится поверхность ртути, а катодом холодные поверхности электродов, условий для движения электронов не создается, ионизации газа не происходит и ток не идет. Таким образом, вакуум помогает пропускать ток через выпрямитель только в одном направлении. Мощность ртутных выпрямителей может достигать нескольких тысяч киловатт.
Об электровакуумной технике можно было бы написать очень многое. Эта передовая отрасль техники бурно развивается и совершенствуется, в свою очередь предъявляя все более жесткие требования к вакуумной технике.