Покоренная плазма

Тлеющая плазма

Может сложиться мнение, что там, где возникает плазма, обязательно выделяется много тепла, непременно имеет место высокая температура. Действительно, не говоря о Солнце, звездах, ядерных взрывах, рождающих целые моря раскаленной плазмы, даже внутри обыкновенной электрической искры температура на мгновение подпрыгивает до десятка тысяч градусов. Но ведь и жизнь плазмы в искре измеряется ничтожными долями секунды. А сейчас я расскажу о таком электрическом разряде, который рождает плазму, но температура ее чуть-чуть выше температуры человеческого тела.

Разряд этот называется тлеющим. Это название говорит само за себя. Ведь и тлеющие головни нельзя считать жарко горящим костром. Но, как в тлеющем костре идет процесс горения, так и в плазме тлеющего разряда совершаются такие физические процессы, которые дают нам право считать ее вполне «равноправной».

Тлеющий разряд — один из наиболее интересных и своеобразных видов газового разряда. Получается он, как правило, при давлениях газа, значительно меньших атмосферного. Значит, для того чтобы он возник, нужна разрядная трубка и откачивающий насос. Помните опыт, в котором плазма преподнесла сюрприз с законом Ома? Сделал это тлеющий разряд, который мы зажгли в остатках воздуха. Другие виды разрядов тоже, как правило, не подчиняются закону Ома, но в тлеющем разряде эта закономерность обнаруживается наиболее легко.

Если дуга представляет собой жгут плазмы, различные участки которого мало отличаются друг от друга, то тлеющий разряд не таков: в нем легко найти катодные и анодные участки разряда. Приглядимся внимательно к светящейся трубке с тлеющим разрядом. Мы заметим, что анод и катод покрыты тонкой светящейся пленкой. Пленку светящейся плазмы у анода ученые назвали анодным свечением, а пленку у катода — первым катодным свечением.

Почему первым? Разве еще есть катодное свечение? Есть. Оно начинается после темного катодного пространства и называется отрицательным тлеющим свечением.

Если продвигаться от катода к аноду дальше, то за отрицательным тлеющим свечением снова будет несветящийся участок трубки. Это — так называемое фарадеево темное пространство. Оно как бы отделяет катодные части разряда от анодных: слева — катодные, справа — анодные.

Бóльшую часть длины трубки занимает положительный столб разряда. Он тянется от фарадеева темного пространства почти до самого анода. Если каким-либо способом измерить напряжение на отдельных участках разряда, то окажется, что напряжение вдоль разряда падает неравномерно. Самый больший перепад напряжения — несколько сот вольт — имеется между катодом и отрицательным тлеющим свечением, хотя расстояние между ними невелико.

Это говорит о том, что электрические силы в разрядном промежутке распределены неравномерно: вблизи катода они сильнее действуют на заряженные частицы, чем, например, в положительном столбе.

В тлеющем разряде, как и во всяком другом, есть два встречных потока зарядов: электроны движутся к аноду, а положительные ионы — к катоду. Последние вблизи катода сильно разгоняются и, ударяясь о катод, выбивают из него электроны. Эти электроны подхватываются электрическим полем, на своем пути ионизируют газ и заставляют его светиться.

Ученые потратили немало усилий, прежде чем выяснили, почему так неравномерно электрическое поле в пространстве катод — анод, почему движение зарядов напоминает движение воды в порожистой горной реке. Причиной оказалось то, что во время разряда в трубке возникают так называемые пространственные заряды. Например, в темном катодном пространстве оказывается больше положительных зарядов — ионов, потому что электроны значительно легче ионов и электрические силы «выметают» их быстрее, чем ионы. В результате число ионов преобладает над числом электронов и в данном месте возникает положительный пространственный заряд.

Возникают пространственные заряды и в других частях разряда.

Сказанного достаточно для того, чтобы понять сложность поведения зарядов в тлеющем разряде.

Тлеющий разряд привлекает внимание многих ученых. Он давно поставлен на службу человеку. Поэтому, когда вы слышите слова «тлеющий разряд», не думайте, что плазма этого разряда способна только «тлеть», не принося никакой пользы. Нет, она способна «работать» ничуть не меньше и не хуже, чем плазма других, более мощных разрядов.