СВЕТЯЩИЕСЯ ТРУБКИ

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК ТЕЧЁТ ЧЕРЕЗ ГАЗ

Сякий газ в обычных условиях является очень хорошим изолятором, т. е. тока практически совсем не прово­дит. Нужны какие-то особые условия, которые делают газ проводником. Чтобы понять эти условия, необходимо по­лучить хотя бы краткие сведения о строении атома.

В настоящее время всем известно, что все окружаю­щие нас тела состоят из мельчайших частиц — молекул, которые в свою очередь построены из атомов. Слово «атом» по-гречески значит «неделимый», и ещё лет 60 назад люди полагали, что атомы действительно не­делимы.

Однако дальнейшие открытия и исследования пока­зали сложность строения атома. Теперь мы уже знаем, что каждый атом представляет собой сложную систему. Она состоит из тяжёлого ядра, имеющего положительный электрический заряд, и движущихся вокруг него во много тысяч раз более лёгких частиц — электронов, заряженных отрицательно. Количество положительного электричества, сосредоточенное в ядре, равно суммарному отрицатель­ному заряду всех электронов, окружающих ядро. Это зна­чит, что общий электрический заряд атома равен нулю.

Электроны, двигаясь вокруг ядра, могут находиться от него на разных расстояниях. Так как отрицательное и по­ложительное электричество взаимно притягиваются, то для удаления любого электрона от ядра следует затра­тить энергию, т. е. совершить работу, подобно тому как приходится совершать работу для удаления любого тела от поверхности земли, преодолевая силу земного тяго­тения.

Тело, поднятое высоко над землёй, обладает большей энергией, чем лежащее ближе к поверхности земли. Точно так же электрон, более удалённый от ядра, обладает боль­шей энергией, чем менее удалённый. Но тело, поднятое над землёй, может иметь значения энергии, которые от­личаются друг от друга на сколь угодно малую величину, а в атоме энергия электрона может изменяться только определёнными ступенями, как будто в нём существуют для электронов определённые «энергетические этажи». Значения энергии, которыми могут обладать в атоме вхо­дящие в него электроны, называются энергетическими уровнями.

Приближаясь к ядру или удаляясь от него, электроны могут только переходить с одного энергетического уровня на другой, переселяться из более низкого «этажа» в бо­лее высокий и наоборот. Для того чтобы электрон мог подняться на более высокий энергетический уровень, он должен откуда-то приобрести энергию, необходимую для этого перехода. При обратном переходе электрон сам спо­собен отдавать избыток энергии.

Обычно все электроны в атоме занимают возможно бо­лее низкие энергетические уровни. В этом случае говорят, что атом находится в нормальном состоянии.

Но не следует думать, что при этом все электроны имеют одинаковую энергию. Напротив того, на одном уровне может находиться не более двух электронов. Если атом содержит несколько электронов, то в нормальном состоянии первые два электрона займут самый низкий уровень, следующие два — ближайший к нему, более высокий и так далее. Если в атоме один или несколько электронов подняты на более высокие свободные уров­ни, то такой атом называется возбуждённым (рис. 5).

Если сообщить электрону достаточно большую энер­гию, то его можно совсем оторвать от атома. Тогда атом уже не будет электрически нейтральным, а в целом окажется заряженным положительно. Такой положительно заряженный атом называется ионом. Для того чтобы атом превратить в ион, или, как говорят, ионизовать, необхо­димо, конечно, затратить энергию большую, чем для воз­буждения.

Каковы же значения энергии, необходимые для воз­буждения или ионизации атома? Можно ли их измерить?

Методы современной физики позволяют производить такие измерения с большой точностью.

Читатель, вероятно, догадывается, что обычные меры энергии слишком велики, а потому и неудобны для изме­рения энергии электронов. Более удобной является спе­циальная единица энергии, которой пользуются в совре­менной атомной физике и которая называется «элек - трон-вольт». Поскольку с этой единицей нам в даль­нейшем придётся часто встречаться, мы остановимся на ней несколько подробнее и расскажем о её происхож­дении.

Напомним, что энергия падающего тела может быть измерена произведением высоты падения на вес тела.

По отношению к электронам такой способ измерения энергии неудобен, и не только потому, что вес электронов очень мал, а потому, что главная сила, с которой прихо­дится считаться при опытах с электронами, это не сила тяжести, а электрическая сила. Что же в этом случае иг­рает роль веса и что роль высоты падения?

С некоторой оговоркой можно сказать, что роль веса играет электрический заряд электрона, а роль высоты — особая электрическая величина, называемая разностью по­тенциалов [34]) и измеряемая в вольтах. Создать разность потенциалов, или, как часто говорят, напряжение, может любой источник тока, от батарейки карманного фонарика и до мощных электрических машин. Только в первом слу­чае напряжение невелико и составляет всего 2—3 вольта, а во втором оно может достигать сотен тысяч вольт.

В нашей осветительной сети разность потенциалов между проводами всё время меняется. Начиная с нуля, она возрастает, достигает максимального значения, затем снова падает до нуля, меняет направление, вновь дости­гает максимального значения (в противоположном на­правлении), опять убывает и т. д., повторяя эти измене­ния 50 раз в секунду. При этих изменениях наибольшие значения, которых достигает разность потенциалов в од­них сетях (обычно в больших городах), составляют около 180 вольт, а в других (в сёлах, загородных посёлках) около 310 вольт.

Если присоединить к полюсам источника тока две пла­стинки, то между ними возникнет разность потенциалов такой величины, какую способен создать данный источ­ник. При этом одна пластинка, называемая анодом, бу­дет заряжена положительным электричеством, а другая, называемая катодом,— отрицательным.

Если около катода окажется электрон, он будет от­талкиваться от катода и притягиваться к аноду, так как заряд электрона отрицательный (рис. 6). Чем больше разность потенциалов между катодом и анодом, тем силь­нее разгонится электрон и тем с большей энергией уда­рится об анод.

Поскольку заряд электрона неизменен, то при прохож­дении той или иной разности потенциалов он приобретает энергию, которая определяется только величиной этой разности потенциалов. Энергия, приобретаемая электро­ном при прохождении им разности потенциалов, равной одному. вольту, и называется «электрон-вольт». Исследо­вания показали, что электрон, обладающий энергией в один электрон-вольт, движется с внушительной скоростью около шестисот километров в секунду.

Так как другие частицы (атомы, молекулы) часто по­лучают энергию за счёт энергии электронов, то и их энер­гию очень удобно измерять в электрон-вольтах.

Опыты показали, что один электрон-вольт приблизи­тельно в шестьсот миллиардов раз мецьше, чем энергия, которую надо затратить, чтобы поднять один миллиграмм на один сантиметр.

Впрочем, это число мало говорит нашему воображе­нию. Лучше сравнить электрон-вольт (далее мы сокра­щённо будем писать э-в) с энергиями других частиц — атомов и молекул.

У молекул газа при комнатной температуре средняя энергия движения составляет около четырёх сотых э-в. Атомы вольфрама, образующие нить лампочки накалива­ния, при нормальном накале имеют энергию около трёх десятых э-в. При процессах, сопровождающих получение атомной энергии, отдельные частицы приобретают энер­гию, достигающую сотен миллионов э-в. В Советском Союзе построена специальная установка, в которой ис­кусственным путём можно сообщать заряженным части­цам энергию в десять миллиардов э-в.

Энергия ионизации атомов имеет значения примерно от 4 до 25 э-в. Для атома водорода энергия ионизации около 13,5 э-в, для атома ртути — 10,4 э-в, для атома аргона 15,7 э-в. Такого же порядка, но соответственно меньше энергии возбуждения атомов. Для примера на рис. 7 схематически показаны энергетические уровни атома водорода.

Когда из отдельных атомов строятся молекулы, а из молекул — окружающие нас тела, энергетические уровни изменяются благодаря действию атомов друг на друга. Появляются новые уровни и соответственно становится возможным значительно большее число различных воз­буждённых состояний. Энергетические уровни электронов оказываются гораздо ближе друг к другу, причём они на­столько сближаются, что переход электрона с одного уровня на другой требует ничтожной затраты энергии. При этом в некоторых телах электроны как бы утрачи­вают связь со своим атомом и могут легко перемещаться по всему телу. Легко видеть, что такое тело будет яв­ляться проводником. Действительно, если к его концам

Нормальный уровень Рис. 7. Энергетические уровни атома водорода.

Приложить разность потенциалов, то электроны начнут двигаться от отрицательного конца к положительному, а такое движение заряженных частиц (в данном случае электронов) и является по современным представлениям электрическим током.

Однако, в отличие от обычных проводников, в газах (в том числе и в парах металлов), где атомы находятся друг от друга на сравнительно очень больших расстоя­ниях, электроны прочно связаны со своими атомами, сво­бодные электроны почти полностью отсутствуют и ток проходить не может.

Следовательно, чтобы сделать газ проводником, необ­ходимо хотя бы у некоторых его атомов оторвать по край­ней мере по одному электрону, то есть ионизовать их.

Ионизация атомов газа, как мы уже говорили, требует затраты энергии, которую можно получить, например, на­греванием газа, но для этого потребовалась бы очень вы­сокая температура. Ионизацию можно также произвести, передав электрону атома энергию ударом какой-нибудь частицы (электрона, иона), обладающей достаточно боль­шой скоростью.

Удобнее всего производить ионизацию электронами. Но где же взять эти электроны? Очевидно, должны быть какие-то начальные электроны, которые, ударяясь об ато­мы и ионизуя их, смогли бы создать необходимое число электронов и ионов (ионы будут образовываться при иони­зации одновременно с электронами). Хотя начальные электроны могут возникать самым различным образом, мы в этой книжке будем говорить только о том случае, когда они возникают на катоде, т. е. на отрицательном элек­троде (проволоке или пластинке), введённом в газ.

Поскольку в металле имеются практически свободные электроны, можно подумать, что электроны покидают ка­тод просто под действием притяжения к положительному электроду (аноду).

Подобное явление действительно могло бы иметь место, но для этого при расстоянии между пластинами в 1 см нужно было бы приложить разность потенциалов по край­ней мере в сотни тысяч или миллионы вольт. Между тем на практике проводимость газа может обнаружиться при разностях потенциалов в сотни, иногда в десятки вольт, а в отдельных случаях и в несколько вольт.

Повидимому, есть какая-то причина, мешающая элек­тронам покидать металл, в котором они находятся. В то же время могут быть созданы такие условия, благодаря которым, несмотря на наличие этой причины, возможен выход электронов из металла.

Сущность причины, удерживающей электроны в ме­талле, заключается в том, что, как только электрон ока­жется за пределом металла, он начнёт отталкивать от себя все остальные электроны, находящиеся в металле. Поэтому металл со стороны вышедшего электрона слегка зарядится положительно, а противоположная сторона — отрицательно. Так как положительный заряд металла находится ближе к ушедшему электрону, чем отрицатель­ный, то весь кусок металла в целом будет притягивать к себе этот электрон, препятствуя его уходу. Работа, кото­рую надо совершить, чтобы преодолеть эту силу притяжег ния и полностью оторвать электрон от металла, назы­вается работой выхода электрона из ме­талла. Таким образом, для того чтобы электрон вышел из металла, ему необходимо сообщить энергию, равную работе выхода.

Исследования показали, что для большинства чистых металлов работа выхода составляет от 3 до 5 э-в. По сравнению с металлами малой работой выхода электронов обладают некоторые окислы металлов (бария, стронция, кальция). Поэтому на поверхность вольфрамовой прово­лочки электродов люминесцентной лампы и наносятся эти окислы, чтобы облегчить выход электронов.

Однако и при наличии этих окислов катод для испу­скания электронов должен откуда-то получить энергию, необходимую для совершения работы выхода. Проще всего сообщить эту энергию, если нагреть катод до доста­точно высокой температуры. Чем меньше работа выхода, тем меньший нагрев потребуется для получения нужного числа электронов. Чистый вольфрам пришлось бы на­греть почти до двух с половиной тысяч градусов, а при покрытии его соответствующими окислами достаточна температура меньше чем в 900° С. Вот почему нити лю­минесцентной лампы при её работе светятся так тускло.

Какова дальнейшая судьба электронов, покинувших катод? Увлекаясь действием электрических сил, обуслов­ленных наличием разности потенциалов между катодом и анодом, электрон, покинув катод, начнёт двигаться по направлению к аноду, постепенно ускоряя свой бег. Од­нако на своём пути он будет встречать атомы газа. Столкновение с встречными атомами носит различный характер. В одних случаях электрон может упруго отска­кивать, почти не теряя своей энергии (поскольку масса атома во много тысяч раз больше массы электрона), в других случаях, если энергия электрона достаточно ве­лика, может происходить ионизация атомов, в третьих — их возбуждение.

Частые столкновения электронов с атомами и резкие перемены направления их движения при таких столкнове­ниях приводят к тому, что движение электронов стано­

Вится в сильной мере беспорядочным, напоминающим до* некоторой степени падение снежинок. Если проследить за отдельной снежинкой, то её движение покажется нам со­всем беспорядочным. Несмотря на это, сила тяжести по­степенно приближает снежинку к земле. Таким же обра­зом электрическая сила притяжения электрона к положи­тельно заряженному аноду постепенно приближает к нему электрон.

Беспорядочность движения электрона делает его путь от катода к аноду очень длинным и запутанным (рис. 8).

Собственно говоря, электрон, выйдя из катода, может до анода и не дойти, а по дороге соединиться с одним из ионов и вновь образовать нейтральный атом. Такое со­единение особенно вероятно, если ион и электрон встре­тятся на стенке трубки. Вместо «погибшего» электрона продолжать путь к аноду будет какой-нибудь другой элек­трон из числа тех, которые образовались при ионизации атомов. В газе будет одновременно находиться очень много электронов и ионов, и поэтому очень велико будет число разнообразных столкновений электронов с атомами, в том числе и таких, при которых происходит ионизация и возбуждение атомов.

Ионы, возникающие при ионизации атомов, движутся в сторону, противоположную электронам, т. е. от анода к катоду. Таким образом, пока катод сохраняет доста­точно высокую температуру и пока между катодом и ано­дом существует разность потенциалов (минус на катоде и плюс на аноде), сквозь трубку будет проходить элек­трический ток. От катода к аноду будут идти электроны, а от анода к катоду — ионы. Но при взгляде на схему включения и работу люминесцентной лампы (см. рис. 4)

Встают два вопроса: во-первых, зачем в лампе два ка­тода, и, во-вторых, как поддерживается температура ка­тодов, если вскоре после включения лампы выключатель В2 выключается и ток через нити должен прекратиться.

Два катода установлены в лампе потому, что в нашей осветительной сети течёт не постоянный, а переменный ток, направление которого меняется сто раз в секунду. Пятьдесят раз он течёт в одну сторону и пятьдесят раз в другую. И в лампе каждый электрод пятьдесят раз в секунду является катодом и пятьдесят раз анодом. По­этому оба электрода делаются одинаковыми.

Теперь уясним себе, как электроды сохраняют свою температуру после выключения выключателя В2. В пер­вый момент включения лампы, когда включены оба вы­ключателя, ток, проходя через оба электрода лампы, нагревает их, и они становятся способными испускать электроны. Но при этом ток будет идти мимо лампы, че­рез выключатель В2, и лампа гореть не будет. Через одну - две секунды электроды достаточно нагреваются и выклю­чатель В2 выключается. Вся разность потенциалов сети окажется теперь приложенной к лампе между её электро­дами. Электроды, нагревшись, остывают не сразу, а пото­му и после выключения выключателя В2 они продолжают испускать электроны. Приложенная к трубке разность по­тенциалов разгоняет электроны, вылетающие из того элек­трода, который в данный момент является катодом, и сквозь лампу начинает проходить электрический ток.

При прохождении тока каждый электрод поочерёдно бомбардируется ионами и электронами (в зависимости от того, является ли он в данный момент катодом или ано­дом) и нагревается ими. Вследствие этого температура электродов всё время сохраняется достаточно высокой для испускания электронов.

Количество энергии, выделяющееся на электродах, оказывается при этом даже слишком велико. Поэтому к ним привариваются толстые проволочки (см. рис. 3), на которые идёт часть электронов или ионов. Это защи­щает от преждевременного разрушения слой окислов, по­крывающий вольфрамовую спираль.

Сохранение высокой температуры электродов благо­даря прохождению тока через лампу обеспечивает её не­прерывную работу до тех пор, пока включён выключа­тель В.