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.
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.
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.
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.
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.
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.