Электронная эмиссия, ионизация воздуха и электрическая искра

Электрон обладает самым малым отрицательным электрическим зарядом. Протон имеет положительный электрический заряд, равный по абсолютной величине заряду электрона. Отрицательный заряд обозначается знаком минус, а положительный — знаком плюс.

Взаимодействие электрических зарядов осуществляется через электрическое поле, в котором проявляют себя электрические силы, связанные с этими зарядами. Электрическим полем называется пространство вокруг электрического заряда (заряженного тела).

Автоэлектронная эмиссия в вакууме

Итак, известно, что в металлах существуют электроны проводимости . И хотя они непрерывно участвуют в тепловом движении, тем не менее постоянно удерживаются внутри металла благодаря действию сил, направленных от поверхности металла — внутрь него, и не дающих электронам произвольно покинуть данный металл. Эти силы — силы притяжения, действующие на электроны со стороны положительно заряженных ионов кристаллической решетки металла.

В результате вблизи поверхности внутри металла имеется электрическое поле E, обуславливающее разность потенциалов φ на переходе из пространства снаружи металла — внутрь него. То есть потенциальная энергия электрона , чтобы он смог проникнуть снаружи вовнутрь металла, должна уменьшиться на величину eφ.

Рассмотрим энергетическую диаграмму. Здесь изображены: W0 — энергия покоящегося электрона вне металла; Ec – минимальная энергия электрона проводимости.

Налицо потенциальная яма, глубина которой как раз и равна eφ = W0 – Ec. Данная величина называется электронным сродством и характеризует конкретное вещество. Соответственно, если некий электрон внутри металла обладает энергией W1, которая меньше W0, то у такого электрона просто не хватит энергии чтобы покинуть металл.

Но электронам внутри металла можно каким-нибудь способом сообщить дополнительную кинетическую энергию, так что часть электронов сможет покинуть металл, и мы будем наблюдать явление электронной эмиссии , то есть испускание электронов с поверхности данного металла.

Одним из частных случаев электронной эмиссии является автоэлектронная эмиссия — испускание электронов поверхностью металла под действием достаточно сильного электрического поля.

Рассмотрим для примера вакуумированную трубку , внутри которой с двух ее сторон впаяны два электрода, один из которых (а именно — катод) имеет заостренную форму, а другой — отличается сравнительно большой площадью поверхности.

Катод, как следует из его названия, подключается к отрицательному полюсу источника напряжения, а анод — к положительному. В этой ситуации линии напряженности электрического поля E возле катода окажутся сгущены сильнее по сравнению с пространством возле анода.

Разберем ситуацию более подробно. Допустим, у нас есть анод в форме сферы радиуса b, а катод представляет собой маленький шарик радиуса a, причем b>>a, при этом катод установлен точно в центре сферы. В этом случае в точке на расстоянии r от центра сферы напряженность электрического поля будет равна:

А если принять r = a, то найдем напряженность поля E у самой поверхности катода. Она будет приблизительно равна:

Значит уже при напряжении между катодом и анодом в 1000 вольт и радиусе катода в 0,01 мм, напряженность электрического поля на его поверхности будет равна 100 МВ/м! В таких условиях в вакуумированной трубке возникнет слабый электрический ток (измеряемый микроамперами), поскольку электроны начнут покидать острие катода и станут носителями данного тока. И чем выше мы поднимем напряжение между катодом и анодом — тем большим окажется этот ток.

Катод при этом может быть холодным, поэтому данный вид эмиссии называют холодной эмиссией или автоэлектронной эмиссией . Если напряжение продолжить повышать дальше, то катод начнет разогреваться вплоть до испарения металла и возникновения газового разряда в данной трубке.

Нетрудно понять, что автоэлектронная эмиссия возникает просто в силу того, что сильное электрическое поле возле катода изменяет потенциальный барьер на поверхности металла — высота барьера уменьшается, поэтому и необходимая работа выхода для электронов становится меньше. Барьер к тому же становится тоньше, а это значит, что в целом повышается вероятность того, что электрон проникнет сквозь него и покинет таки поверхность металла.

При высокой напряженности электрического поля у катода автоэлектронная эмиссия способна проявить себя даже при достаточно низкой его температуре, в этих условиях вовсе не обязательно подогревать катод или освещать его ультрафиолетом или рентгеновскими лучами, чтобы добиться эмиссии. Напомним, что здесь мы рассмотрели процессе эмиссии в вакууме.

Самостоятельный разряд в газе на примере воздуха

В своем обычном состоянии газы электрический ток не проводят. Но если подвергнуть газ определенному внешнему воздействию, его можно сделать электропроводным.

Например в атмосферном воздухе под действием ультрафиолетовых лучей появляются заряженные частицы. Это происходит потому, что от атомов газа отщепляются электроны, и вместо нейтральных атомов в воздухе будут присутствовать также положительные ионы и электроны. Часть электронов будет вскоре захвачена нейтральными атомами, тогда в данном объеме появятся еще и отрицательные ионы.

Для ионов газа справедливо утверждение, что скорость упорядоченного движения ионов пропорциональна напряженности электрического поля E, в котором они находятся, а также подвижности ионов b:

Подвижность ионов определяется как средняя скорость, которую приобретают ионы газа в электрическом поле напряженностью равной 1 В/м. Причем подвижности отрицательных и положительных ионов различны:

Приведенное выше утверждение справедливо тогда, когда число соударений достаточно велико, и средняя длина свободного пути ионов газа значительно меньше чем расстояние между катодом и анодом. В обычных условиях это положение выполняется практически всегда, поскольку давления в газе около десятых мм рт.ст уже достаточно, иначе можно было бы считать что процесс происходит в вакууме. В результате подвижность ионов обратно пропорциональна давлению в газе в широком интервале давлений.

Стоит отметить, что характер движения ионов в газах сильно сложнее чем характер движения электронов в металлах. Дело в том, что ионы в газе зачастую распределены неравномерно между электродами, поэтому имеется определенный градиент концентрации ионов между электронами, вызывающий поток диффузии ионов.

Поскольку токи положительных и отрицательных ионов не равны друг другу, в газе формируются объемные заряды, усложняющие картину распределения напряженности электрического поля между электродами. Кроме того носители заряда здесь могут возникать также по причине ударной ионизации электронами , и концентрация ионов может поэтому зависеть от напряженности электрического поля. Все это ведет к тому, что в газе закон Ома обычно не выполняется.

В условиях ионизации в газе возможно возникновение самостоятельного разряда по принципу лавины . Допустим, из катода вылетел электрон. На длине свободного пробега он движется ускоренно под действием электрического поля, и приобретает кинетическую энергию.

Если данная энергия больше или равна энергии ионизации атомов газа, то при столкновении с атомом, атом будет ионизирован, он станет положительным ионом, в результате уже имеются движущийся положительный ион и новый электрон. Электроны станут двигаться к аноду, а положительные ионы — к катоду.

После соударений электроны будут набирать энергию, и при следующих соударениях появятся четыре электрона. Затем восемь, потом шестнадцать и т. д. Так образуется лавина электронов по мере их движения к аноду (и соответствующее число положительных ионов, движущихся к катоду).

Число пар ионов и электронов, образовавшихся на единице пути от одного электрона называется коэффициентом объемной ионизации α . А поскольку энергия электронов тем больше, чем больше напряженность электрического поля Е, то и коэффициент объемной ионизации α зависит от напряженности Е.

Коэффициент α также пропорционален давлению в газе. Чтобы разряд при этом стал самостоятельным, необходимо, чтобы электронная лавина поддерживалась процессом поставки новых электронов взамен тех, которые уходят на анод.

Одним из таких процессов может выступать вторичная электронная эмиссия , при которой некоторые особо быстрые положительные ионы выбивают из катода некоторое число электронов.

В определенных гипотетических условиях (при определенной напряженности), оба процесса в совокупности приведут к возникновению самостоятельного разряда .

Но в реальности бесконечного возрастания лавин электронов не возникнет, так как цепь разряда имеет сопротивление, при значительном возрастании тока напряжение на промежутке уменьшится, а значит уменьшится и электрическое поле. Поэтому значение тока конечно, и зависит как от ЭДС источника , так и от сопротивления цепи.

Искра в воздухе

Вернемся к атмосферному воздуху. Будем постепенно наращивать напряжение между катодом и анодом, имеющими форму больших шаров. Электрическое поле между ними будет почти однородным.

В определенный момент, в процессе увеличения напряженности электрического поля, между шарами возникнет электрическая искра — тонкий изогнутый светящийся канал, соединяющий электроды.

Это произойдет в момент, когда электрическая напряженность Е достигнет определенного критического значения Eк. Для воздуха в нормальных условиях это 3 МВ/м. При действии на воздух внешнего ионизатора напряжение пробоя, конечно уменьшится.

Казалось бы, процесс образования искры можно было бы объяснить электронной лавиной, по приведенной выше схеме. Но нет! Если бы существенную роль в искре играла только ударная ионизация электронами, то время развития искры составляло бы порядка 10 — 100 мкс, но практически оно составляет не более 100 нс — в сотни раз меньше!

На самом деле процесс образования искры хорошо объясняет стримерная теория . Согласно стримерной теории, в первый момент появляется скопление ионизированных частиц, имеющих слабое свечение. Эти частицы пронизывают промежуток между катодом и анодом, образуя многочисленные проводящие каналы, по которым устремляются более мощные потоки электронов. Здесь участвуют не только электронные лавины ударной ионизации, но и фактор ионизации газа излучением самого искрового разряда.

Так, кроме первой электронной лавины, возникающей непосредственно возле катода, в точках расположенных далеко впереди «головы» первоначальной лавины зарождаются новые лавины, являющиеся следствием появления затравочных электронов в результате фотоионизации от излучения предыдущей лавины.

Отдельные лавины достигая друг друга сливаются и формируют канал стримера высокой проводимости . Поэтому общий путь стримера «искры» в несколько раз превышает путь проходимый самой первой лавиной. Параллельно стримерам распространяющимся от катода к аноду (отрицательным стримерам), существуют и положительные стримеры, движущиеся от анода к катоду.