ВАКУУМ

ВАКУУМ И ЭЛЕКТРИЧЕСТВО

То произойдет, если электрический ток пропускать че­рез газ? Этот вопрос занимал ученых еще в прошлом сто­летии.

Прохождение электрического тока через пространство, заполненное газом различной степенью разрежения, оказа­лось весьма сложным явлением, имеющим большое практи­ческое значение. В результате изучения этого процесса воз­никла новая отрасль науки — электроника — и новая отрасль техники — электронные устройства.

Как известно, все тела состоят из атомов. Атом имеет центральное «ядро», обладающее положительным электри­ческим зарядом, вокруг которого движутся отрицательно заряженные частицы — электроны. Таким образом, каждое тело имеет «электрическое» строение и содержит огромное ко­личество положительно и отрицательно заряженных частиц. В телах и веществах, которые нас окружают, чаще всего яд­ро каждого атома прочно удерживает свои электроны. Та­кие тела обычно называют изоляторами.

Особыми свойствами обладают металлы. В них каждый атом теряет по одному или по два электрона. Эти электроны не связаны с атомами, могут свободно двигаться в металле и по своему поведению напоминают газ. Поэтому принято говорить, что металл насыщен «электронным газом». Если воздействовать на металл даже слабым электрическим полем, то свободные электроны под его влиянием начнут двигаться в одном направлении — возникнет электрический ток.

Если нагревать металл, то свободные электроны, подоб­но молекулам газа, будут усиливать свое беспорядочное (тепловое) движение. При достаточно высокой температуре некоторые электроны могут совсем вылететь из металла.

Это явление называется «термоэлектронной эмиссией». Оно очень широко используется в радиотехнике.

Электроны могут вылететь с поверхности некоторых ме­таллов и под действием света; это явление называется фото­электронной эмиссией.

Достаточно сильный поток электронов в газе возможен только в вакууме. При обычном же давлении электроны, вы­летающие с поверхности металла, сталкиваются с молеку­лами газа, взаимодействуют с ними и не могут пробиться да­же через слой газа небольшой толщины. Изоляционные свой­ства газа мы можем наблюдать на примере высоковольтных линий, по неизолированным проводам которых течет ток высокого напряжения.

Сложные процессы, возникающие в газах при прохожде­нии электрического тока, вызваны тем, что электроны, стал­киваясь с молекулами газа, могут образовать ионы (этот процесс называется «ионизацией»). Если энергия электрона недостаточна для осуществления «ионизации», то он может нарушить в молекуле равновесие внутренних сил, сместив расположенные в ней электроны. Этот процесс называется «возбуждением» молекул. «Возбужденные» молекулы теряют избыточную энергию — «энергию возбуждения» — в виде излучения — в газе появляется свечение.

Прежде чем рассмотреть, что же произойдет, если элек­трический ток пропускать через пространство, содержащее воздух или другой газ при различной степени разрежения, обратимся к истории изучения этого явления.

Свечение в разреженном пространстве наблюдалось и ранее. Так, вскоре после изобретения барометра, в 1675 году, Пикар наблюдал странное явление: при встряхивании барометрической трубки, наполненной ртутью, начинало светиться «пустое» пространство над ртутью. Такое же све­чение позднее наблюдал Ломоносов при натирании поверх­ности стеклянного шара шерстяной тканью в том случае, если внутри шара было создано разрежение. И в опыте Пи­кара, и в опыте Ломоносова за счет трения происходила электризация газов, содержавшихся в разреженном про­странстве. Кулон в 1785 г. обнаружил уменьшение электри­ческих зарядов у заряженных медных шаров, это могло быть объяснено только «утечкой» электрического заряда через воздух.

Известный физик Крукс обнаружил, что при прохожде­нии электрического тока через разреженный газ возникает свечение последнего. Такое же свечение наблюдал в 1853 г. французский физик Массон.

Большого совершенства в изготовлении трубок, из кото­рых откачивался воздух, достиг стеклодув Генрих Гейслер. Его трубки настолько прославились, что даже современные вакуумированные трубки называются «гейслеровыми».

Известный русский физик В. В. Петров впервые подроб­но описал разнообразные виды свечения разреженного воз­духа (вплоть до остаточного давления 6 мм рт. ст.) при про­хождении через него электрического тока. Вот как описыва­ет он один из своих опытов. «И так, когда стал я опять вытя­гивать воздух из колокола, то после пяти движений порш­ня и начали оказываться явления фосфорического света в различных местах полости колокола, так же как и на многих самой машинки частях, на которые сверху натекло масло; сей фосфорический свет, увеличивался в содержании степе­ней изрежения воздуха до разности 2% линий высоты рту­ти обыкновенного барометра и показателя, потом сей свет начинал ослабевать, и напоследок сделался он вовсе непри­метным» («Новые электрические опыты профессора физики Василия Петрова», 1804 г., стр. 114). Это интересное явление привлекало внимание большинства крупнейших физиков XIX века.

Правильное объяснение причины свечения газов в раз­реженном пространстве дал Дж. Дж. Томсон. Он установил, что между электродами, впаянными в трубку и подключен­ными к источнику тока, образуется поток электронов. Электроны, сталкиваясь с молекулами газа, передают им энергию, «возбуждают» молекулы. Возбужденные молеку­лы излучают энергию, светятся.

В 1883 г. Эдисон обнаружил интересное явление. В обычную вакуумную лампу накаливания, в которой прово­лочная спираль 1 нагревалась электрическим током от ис­точника тока Зу была впаяна металлическая пластинка — дополнительный электрод 2. При соединении одного из проводов, подводящих ток к проволочной спирали, с элект­родом (рис. 26) в боковой цепи возникал электрический ток, который обнаруживался по отклонению стрелки прибора 4, несмотря на то, что эта цепь внутри лампы разорвана ваку - умированным пространством.

Следовательно, в вакуумированном пространстве воз­никает электрический ток между нагретой проволокой и металлической пластинкой.

Что же будет происходить, если пропускать электриче­ский ток через газ различной плотности? В зависимости от напряжения и силы тока, природы и давления газа, формы, размеров и материала электродов, расстояния между элект­родами и других факторов электрический разряд в газе будет различен. Это очень сложные и до сих пор еще плохо изучен­ные явления. Посмотрим поэтому на по­ведение электронов в вакууме только на одном конкретном примере.

Возьмем запаянную с обоих концов стеклянную трубку, в которую введены две металлические пластинки — элек­троды. Присоединим электроды к источ­нику тока и проследим, что будет проис­ходить при различных давлениях возду­ха в трубке.

При обычном давлении и небольшом напряжении электроны, вылетающие из одного из электродов (катода), не могут далеко пробиться через слой молекул воздуха, разряда не будет. Если посте­пенно повышать напряжение и довести его до нескольких десятков тысяч вольт, произойдет внезапный разряд — между электродами проскочит искра.

Уменьшим давление — уменьшится количество молекул между электродами.

Путь электронов, без столкновения с мо­лекулами увеличится, через трубку нач­нет проходить ток. При остаточном дав­лении около 50 мм ртутного столба между электродами по­является тонкая фиолетовая светящаяся полоска, начи­нается свечение, вызванное «возбуждением» и ионизацией молекул.

С дальнейшим увеличением разрежения свечение рас­пространяется по всей трубке и при вакууме меньше одно­го мм ртутного столба появляется так называемый «слоис­тый» разряд — области светящегося пространства сменяются темными полосами. При этом электроны взаимодействуют с молекулами, образуя «возбужденные» молекулы и заря­женные частицы — ионы. Это — сложное явление, подроб­ное объяснение которого читатель найдет в специальных кни­гах. При вакууме порядка сотых долей миллиметра свече­
ние исчезает почти полностью, остается только свечение у стенок и у электродов. В это время электроны, вылетающие из катода, почти не сталкиваясь с молекулами газа, пролета­ют все расстояние между электродами, такой поток электро­нов в высоком вакууме называется катодными лучами, он играет огромную роль в современной технике. Явление прохождения электронов через разреженное пространство используется в так называемых электронных лампах.

Изобретение электронной лампы совершило переворот в ряде отраслей техники. Современная автоматика и теле­управление, радио и телевидение, звуковое кино и быст­родействующие счетные машины, контроль работы мощных энергосистем и управление атомными реакторами основаны на применении электронных ламп. Мощные электронные лампы используются для превращения переменного тока в постоянный, для получения токов высокой частоты и мно­гих других целей.

Для успешной работы электронной лампы в ней создает­ся глубокий вакуум. Этот вакуум должен быть достаточ­ным для того, чтобы электроны не испытывали большого чис­ла соударений с молекулами газа при движении от катода к аноду. В настоящее время разработано и выпускается большое количество самых разнообразных по конструкции электронных ламп — от электронно-лучевых трубок для те­левизоров до микроскопических по размеру ламп для сна­ряжения телепередатчиками радиозондов или управляемых снарядов.

В конце XIX столетия развитие вакуумной техники было обусловлено потребностями производства электрических ламп накаливания. Совершенствование техники получения вакуума приводило к увеличению эффективности и эконо­мичности источников света. В настоящее время, хотя лампы накаливания выпускаются с заполнением объема инертным газом, в их производстве вакуумирование играет не малую роль. Прежде чем наполнять лампы газом, из них откачива­ют воздух.

Потребности производства электронных ламп вызвали еще более быстрое развитие вакуумной техники. Для массо­вого производства этих ламп необходимо было построить мощные насосы, создающие высокое разрежение при боль­шой скорости откачки.

Изготовление электронных ламп в России было начато в 1914 году благодаря трудам Н. Д. Папалекси. Впервые та­
кие лампы были изготовлены под руководством М. А. Бонч - Бруевича.

В. И. Ленин придавал большое значение развитию радио­техники. Уже в 1918 году он дал указание об организации Нижегородской радиолаборато­рии. В 1919 году была начата подготовка к массовому изготов­лению электронных ламп в Петро­граде под руководством А. А. Чер­нышева. В дальнейшем завод «Светлана» стал центром произ-

Водства электронных ламп. Его коллектив создал все современные типы электровакуумных приборов. Много в этой области было сделано в лаборатории завода под ру­ководством С. А. Векшинского.

Электронные лампы, или, как их правильнее назы­вают, электровакуумные приборы, изготовляются разного назначения, устройства и самых различных размеров. На рис. 27 показан один тип электровакуумной лампы.

Наряду с миниатюрными приборами изготовляются и настоящие гиганты. Весь ток, который потребляется трам­ваем, троллейбусом, электропоездами, прежде чем попасть в их двигатели, проходит через огромные выпрямители (рис. 28). Наиболее распространены ртутные выпрямители. Они представляют собой большой стеклянный или метал­
лический баллон, из которого откачан воздух. В баллон впаяно несколько электродов и залита ртуть. На аноды 3 подается переменное напряжение. Когда анод имеет поло­жительный потенциал, вылетающие из поверхности ртут­ного катода 1 электроны направляются к аноду. На своем пути они ионизируют газ и пары ртути, что приводит к появлению тока большой силы. При перемене знака заряда, т. е. когда анодом становится поверхность ртути, а като­дом холодные поверхности электродов, условий для дви­жения электронов не создается, ионизации газа не проис­ходит и ток не идет. Таким образом, вакуум помогает про­пускать ток через выпрямитель только в одном направлении. Мощность ртутных выпрямителей может достигать несколь­ких тысяч киловатт.

Об электровакуумной технике можно было бы написать очень многое. Эта передовая отрасль техники бурно разви­вается и совершенствуется, в свою очередь предъявляя все более жесткие требования к вакуумной технике.