Что такое газоразрядные источники света?

В нормальном состоянии газы являются хорошими изоляторами, т. е. они не проводят электрический ток. Однако при определенных условиях можно нарушить их изолирующие свойства и заставить газ проводить элек­трический ток.

Схема ртутной газоразрядной лампы.

Совокупность явлений, связанных с про­хождением электрического тока через газ, носит название газового или электрического разряда.

Возьмем сосуд, например стеклянную трубку с впаянными по ее концам металлическими электродами. Предварительно удалим из трубки атмосферный воздух и напол­ним ее каким-либоинертным газом или создадим условия для образования паров металла. Если к электродам трубки приложить напряжение, то под действием этого напряжения в трубке создается электрическое поле, которое, воздействуя на имеющееся всегда в газовой среде некоторое количество свободных электрических зарядов, при известных условиях заставит пе­ремещаться свободные и вновь образо­ванные электрические заряды в опре­деленном 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.

Схема процесса газофазного осаждения.

Это напряжение бу­дет называться напряжением горения разряда. В зависимости от рода наполняющего трубку газа, его давления, расстояния между электродами, материа­лов, из которых они изготовлены, их геометрических размеров и ряда других факторов будет меняться вели­чина напряжения зажигания. Рассмотрим те физические процессы, которые обус­ловливают свечение газов или паров металлов при газо­вом разряде.

Электрический ток между электродами разрядной трубки создается в результате перемещения под дейст­вием электрического поля электронов и ионов, образую­щихся из нейтральных атомов газа или паров, находя­щихся в межэлектродном пространстве. 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 двигаются хао­тически между атомами и молекулами металлического проводника.

Однако покинуть поверхность металличе­ского проводника электроны в обычных условиях не мо­гут, так как этому противодействуют силы, действую­щие у его поверхности. Чтобы вырвать электрон с по­верхности металла, ему нужно сообщить дополнитель­ную энергию, обеспечивающую преодоление удерживаю­щих его сил. Энергию, которую необходимо затратить на преодоление электроном удерживающих его на поверх­ности металла сил, называют работой выхода электрона.

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 питания, либо холодный катод бомбардируется положительными ионами, образовавши­мися в газе, что также приводит к его нагреву.

Схема распределения параметров в тлеющем разряде.

С увели­чением температуры катода хаотическое движение сво­бодных электронов в теле катода усиливается, и те из них, которые получили достаточную энергию для пре­одоления противодействующих сил, вылетают с поверх­ности металла. Автоэлектронная эмиссия, когда вблизи холодного катода создается сильное электрическое поле, за счет которого электроны вырываются с поверхности металла.

В зависимости от запаса кинетической энергии, кото­рой обладает электрон, оказавшийся в межэлектродном пространстве, в результате его ускорения электрическим полем, действующим между электродами трубки, в мо­мент столкновения с нейтральным атомом может иметь место упругое или неупругое соударение. В пер­вом случае электрон обладает недостаточным запасом энергии, поэтому в результате соударения нейтральный атом увеличивает свою кинетическую энергию, однако структура атома не меняется.

При достаточном запасе кинетической энергии элек­трона происходит неупругое соударение элементарных частиц. В момент столкновения электрона с нейтраль­ным атомом он передает 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 совсем оторваться от атома, и атом превратится в положительный ион.

Процесс перехода внешнего электрона нейтрального атома на орбиту с повышенным энергетическим уровнем называется возбуждением атома. Каждый атом имеет несколько таких энергетических уровней, называе­мых резонансными. В зависимости от энергии, сообщен­ной атому при соударении, внешний электрон может пе­рейти на тот или иной резонансный уровень. Атом не мо­жет долго оставаться в возбужденном состоянии, и че­рез очень 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 определенной порции света, или, как говорят, кванта света— фотона.

График видов разрядов в газе.

Излучение, полученное в результате описанного процесса, называют резонансным излу­чением. Каждому газу или пару металлов присуща определенная закономерность такого перехода. Получен­ное излучение в зависимости от рода газа или пара ме­таллов и его давления имеет определенную длину вол­ны, которая в свою очередь обусловливает цвет этого излучения.

С увеличением тока в газоразрядном промежутке воз­можны соударения уже возбужденных атомов со свобод­ными электронами и ионами. При этом таким возбуж­денным атомам сообщается еще дополнительная энергия, что приводит к переходам электронов с одних резонанс­ных уровней на другие — повышенные. Этот процесс на­зывают ступенчатым возбуждением. Обратный переход электронов с повышенных энергетических уров­ней в нейтральное положение происходит не мгновенно, а путем последовательного перехода с уровней с повы­шенной энергией на ближайший уровень с меньшей энергией, а затем в нейтральное положение.

Полученная энергия фотона при ступенчатом переходе электронов уменьшается, а длина волны излучения увеличивается. При низких давлениях газа и малых плотностях тока в создании излучения главным образом играют роль процессы возбуждения атомов. Свет разряда будет со­стоять из отдельных резонансных излучений с разными длинами волн, поэтому спектр излучения разряда имеет линейчатый характер. По мере увеличения давления газа и повышения плотности тока наибольшую роль приобретают ступен­чатые процессы возбуждения атомов. Спектр излучения такого разряда представляет сплошные широкие полосы. Общая интенсивность излучения возрастает, а в связи с тем, что при последовательном переходе электронов с одного резонансного уровня на другой энергия фото­нов уменьшается, соответственно увеличивается длина волны излучаемого света.

Подбирая род газа или пара металла, их давление и плотность тока, можно получить излучение разряда с необходимыми световыми характеристиками. Если к трубке приложить переменное напряжение, которое периодически меняется по величине и направлению, то газовый разряд имеет некоторые особенности, на которых необходимо остановиться.

Схема подключения газоразрядного источника света.

Когда в положительный полупериод напряжение пи­тающей сети, возрастая, достигнет величины напряже­ния зажигания, в трубке зажжется разряд. После зажи­гания разряда напряжение на трубке снизится до вели­чины напряжения горения и в течение всего времени го­рения разряда остается примерно на одном уровне.

Далее напряжение в питающей сети уменьшится на­столько, что станет меньше, чем требуется для поддер­жания разряда в трубке, и разряд прекратится. Разряд зажжется вновь в следующий отрицательный полупериод,­ после достижения напряжением сети величины на­пряжения зажигания и прекратится при его снижении ниже напряжения горения. Однако мы практически не замечаем процесса перезажигания разряда в трубке, так как этот процесс протекает очень быстро! Следовательно, за время одного полного цикла из­менения приложенного к трубке напряжения в ней дважды повторяется процесс зажигания и прекращения разряда, и через трубку при этом проходит переменный ток.

Рассмотрим теперь особенности, которые необходимо учитывать при включении разрядной трубки в питаю­щую сеть. Если изменять величину тока, проходящего через разрядную трубку, и одновременно изменять напряже­ние на ее электродах, то можно установить зависимость между этим напряжением и током. Эта зависимость но­сит название Вольтамперная характеристи­ки газового разряда.

http://fazaa.ru/www.youtube.com/watch?v=P1xfMr5siFE

Чем больший ток проходит через разрядную трубку, например, при дуговом разряде, тем интенсивней проте­кает процесс ионизации нейтрального газа в межэлек­тродном пространстве и напряжение на электродах трубки уменьшается. Вольтамперная характеристика дугового разряда имеет падающий характер. При такой характеристике дугового разряда нельзя без применения искусственных мер добиться устойчивости или стабилизации разряда.

Действительно, если, например, напряжение на разряд­ной трубке по каким-либо причинам уменьшается на не­которую величину, то ток в цепи возрастает. Увеличение тока, в свою очередь, вызовет снижение напряжения на разрядной трубке и дальнейшее увеличение тока в цепи. Если ничем не ограничивать величину тока, то он будет возрастать до тех пор, пока не разрушится какой-либо из элементов цепи. Из этого положения следует сделать два вывода. Во-первых, газовый разряд не имеет опре­деленного электрического сопротивления: оно изменяет­ся вместе с изменением тока в цепи.

http://fazaa.ru/www.youtube.com/watch?v=OhfBLZwPU8k

Во-вторых, для ограничения величины тока последовательно с разрядной трубкой необходимо включить токоограничивающее со­противление, которое и будет обусловливать величину тока, устанавливающегося в цепи. Это токоограничиваю­щее сопротивление называют балластным сопротивле­нием или балластом. Его включение в цепь разряд­ной трубки стабилизирует разряд. Поэтому почти все газоразрядные источники света для своего включения в электрическую сеть требуют последовательного включения с ними токоограничи вающего сопротивления.

Выбор типа балласта определяется родом тока, про­ходящего через разрядную трубку, и рядом других при­чин. При работе разрядной трубки на постоянном токе в качестве балласта обычно применяют омическое сопро­тивление (реостат). На переменном токе можно исполь­зовать омическое сопротивление, индуктивность или ем­кость. Часто балластное сопротивление при работе труб­ки на переменном токе представляет собой комбинацию этих трех или двух каких-либо элементов.