7.5 Vedení proudu v plynech

Vedení proudu v plynech, které se také často nazývá elektrickým výbojem, může mít velmi rozmanité vlastnosti závislé nejen na teplotě, tlaku, na druhu plynu, na velikosti přiloženého napětí, ale také na vlastnostech elektrod toto napětí přivádějících. Při průchodu proudu dostatečné hustoty může dojít téměř k úplné ionizaci molekul plynu, čímž vzniká prostředí zcela nových vlastností nazývané plazma, které se někdy považuje za čtvrté skupenství látek. Studium elektrické vodivosti plynů může být tedy považováno za součást fyziky plazmatu, která dnes představuje značně rozsáhlý obor fyziky. V této učebnici můžeme uvést několik nejzákladnějších poznatků o uvedené problematice.

Při malých napětích nastává v plynu tzv. nesamostatný výboj, který je charakterizován velmi nízkou hustotou proudu a při zvyšování napětí přechází v některou formu tzv. samostatného výboje. Tomuto typu výboje odpovídají podstatně vyšší proudové hustoty a je zpravidla doprovázen (světelným) zářením plynu. Může mít velmi rozmanitý charakter v závislosti na konkrétních podmínkách. V následujících dvou článcích budou postupně probrána nejzákladnější experimentální fakta o nesamostatném výboji a o výboji doutnavém a obloukovém, což jsou nejznámější typy výboje samostatného. V článku 7.6.7 pak budou vyloženy vlastnosti nesamostatného výboje z mikroskopického hlediska a budou specifikovány podmínky pro nasazení výboje samostatného.

7.5.1 Nesamostatná vodivost

Nesamostatnou vodivost plynu je možné studovat v jednoduchém uspořádání sestávajícím z dvojice elektrod umístěných ve vzájemné vzdálenosti d v pro-storu vyplněném vyšetřovaným plynem. Přivedeme-li na elektrody napětí U z vnějšího zdroje a měříme-li proud I procházející obvodem v závislosti na napětí, můžeme změřit voltampérovou charakteristiku. Známe-li geometrii elektrod, můžeme určit i napěťovou závislost proudové hustoty j v daném místě.

Kdybychom v uvedeném uspořádání měřili voltampérovou charakteristiku při zvyšování napětí U z nulové hodnoty, dostali bychom závislost, která je kvalitativně vystižena křivkou (1) na obr. 7.41. Při velmi malých napětích (oblast (a)) by proud lineárně vzrůstal se vzrůstajícím napětím, takže by byl splněn Ohmův zákon. Při dalším vzrůstu napětí (oblast (b)) by se však postupně projevovaly odchylky od Ohmova zákona, až nakonec v oblasti (c) by proud na napětí vůbec nezávisel. Teprve při dalším zvyšování napětí by se v oblasti (d) objevil nový vzrůst proudu.

Další charakteristickou vlastností nesamostatného výboje je značná závislost proudové hustoty na různých vnějších vlivech. Například při ozáření plynu ultrafialovým, rentgenovým či radioaktivním zářením bychom pro danou hodnotu napětí naměřili výrazný vzrůst proudu. Kdybychom za působení konstantního záření měřili znovu závislost proudové hustoty na napětí U, naměřili bychom křivku stejného charakteru (viz čárkovanou křivku (2) na obr. 7.41).

Jak bylo již poznamenáno, je pro nesamostatný výboj charakteristická velmi nízká proudová hustota. Hustota nasyceného proudu v oblasti (c) charakteristiky se obvykle pohybuje v mezích 10^-3 - 10^-12A.m^-2.

7.5.2 Doutnavý a obloukový výboj

Doutnavý a obloukový výboj jsou dvě nejběžnější formy stacionárního samo-statného výboje.[68]

Doutnavý výboj nastává za sníženého tlaku (1-10³) Pa za předpokladu, že napětí mezi elektrodami dosáhne určitou kritickou hodnotu U_z, nazývanou zápalné napětí. Je charakterizován stacionární proudovou hustotou hodnot (10^- ¹-10) A.m^-2 a je doprovázen světelným zářením plynu ve značné části výbojové dráhy, jehož spektrální složení je charakteristické pro daný plyn. Rozložení potenciálu podél výbojové dráhy je vždy nerovnoměrné. Jeho největší spád, činící téměř celou hodnotu přiloženého napětí, je zpravidla soustředěn do bezprostřední blízkosti záporné elektrody (katodový spád). Pozoruhodné je také, že rozložení potenciálu závisí nejen na druhu plynu, ale také na materiálu záporné elektrody. Na obrázku 7.42a je uvedena (pro doutnavý výboj typická) závislost proudové hustoty j na napětí U mezi elektrodami. Jak je z obrázku vidět, zaujímá podstatnou část této závislosti oblast (b), v níž zůstává na elektrodách téměř konstantní napětí; nepatrné změně napětí odpovídá značná změna proudové hustoty. Situace je zde obdobná jako v případě polovodičové diody v oblasti Zenerova proudu (srov. čl. 7.3.4). Uvedená vlastnost doutnavého výboje nachází uplatnění v elektronice. Je ji možné, podobně jako Zenerův jev, použít ke stabilizaci napětí stejnosměrných zdrojů. Světelné záření vznikající při doutnavém výboji se užívá též k osvětlovacím účelům, a to buď přímo, nebo po transformaci ultrafialových složek spektra do viditelného oboru pomocí luminoforů nanesených na stěnách výbojky. Klasickým představitelem světelných zdrojů toto typu jsou známé zářivky, které využívají běžné napětí rozvodné sítě o frekvenci 50 Hz; po jejich zapnutí se uvádí v činnost startovací obvod, který umožní krátkodobé žhavení elektrod tak, aby emitované elektrony vytvořili podmínky pro zapálení doutnavého výboje. Modernějším typem jsou tzv. kompaktní výbojky, v jejichž "patici" je umístěn elektronický měnič napájecího napětí - samotné výbojky pracují na mnohem vyšší frekvenci, řádu desítek kHz.

Podmínky pro zapálení doutnavého výboje jsou - obecně řečeno - určeny mnoha faktory. Vyloučíme-li speciální situace (například osvětlovací zářivky, kdy se elektrody před zapálením výboje zahřívají na dostatečně vysokou teplotu a k zapálení výboje se používají emitované elektrony), můžeme soudit, že zápalné napětí U_z je určeno jen vlastnostmi a tlakem daného plynu a dále geometrií elektrod. Experiment ukázal, že zápalné napětí U_z je pro daný plyn za dané teploty funkcí součinu tlaku plynu p a vzdálenosti elektrod d. Tento poznatek se z historických důvodů nazývá Paschenův zákon. Obrázek 7.42b, ve kterém jsou uvedeny výsledky měření zápalného napětí dusíku v závislosti na součinu pd pro několik různých hodnot vzdálenosti d [9], demonstruje přesnost platnosti Pa-schenova zákona.

Obloukový výboj je jiný typ samostatného výboje, který může vzniknout ve velmi širokém oboru tlaků. Nejznámější je jeho realizace v obloukových lampách, kde tento výboj vzniká ve vzduchu za atmosférického tlaku mezi dvojicí uhlíkových elektrod. K jeho vzniku je zapotřebí, aby se elektrody nejdříve dotkly a zahřály se jouleovým teplem na dostatečně vysokou teplotu. Po jejich oddálení pak již výboj trvale "hoří" při relativně nízkém napětí na elektrodách (20-50 V). Je charakterizován stacionární proudovou hustotou, která může dosahovat značných hodnot (10⁵ A.m^-2 a více). Jeho další charakteristikou je, že se vzrůstající proudovou hustotou klesá napětí na elektrodách. (Pro udržení konstantního proudu je tedy nutné, aby byl v obvodu zařazen vhodný odpor.) Obě uhlíkové elektrody se při hoření obloukového výboje silně zahřívají. Větší teplotu má elektroda kladná (3000-4000 °C) a při hoření výboje se v ní vytvoří prohlubeň (kráter). Experimenty však ukazují, že pro udržení trvalého výboje není teplota této elektrody podstatná. Naopak, výboj nemůže trvale hořet, nemá-li záporná elektroda dostatečné vysokou teplotu.

Další forma obloukového výboje vzniká za nižšího než atmosférického tlaku, jestliže proudová hustota překročí určitou hodnotu (oblast (d) na obr. 7.42)). Tento výboj je opět charakterizován značnou proudovou hustotou při relativně nízkém napětí na elektrodách a přechod od doutnavého k obloukovému výboji má nespojitý charakter. Ukazuje se, že za vhodných podmínek může určitá forma obloukového výboje existovat i za relativně nízké teploty obou elektrod. Volba materiálu záporné elektrody je však pro vznik těchto podmínek vždy podstatná.

Uvedené experimentální poznatky ukazují, že v plynu existuje vždy určitá koncentrace nabitých částic (ionizovaných molekul nebo elektronů), které se po přiložení vnějšího elektrického pole mohou stát nositeli proudu. Tyto částice zřejmě realizují nesamostatnou vodivost (nesamostatný výboj). Dále je vidět, že při zvýšení teploty nebo za přítomnosti určitého záření se tato koncentrace nabitých částic zvyšuje. Pro udržení samostatného výboje není však vznik nositelů proudu účinkem těchto vnějších vlivů zřejmě podstatný. Je nutné předpokládat, že při samostatném výboji vznikají ve výbojové dráze mechanismy schopné produkovat značné množství nosičů proudu. Ze závislosti parametrů výboje na materiálu záporné elektrody je dále vidět, že na této elektrodě probíhají děje, které jsou pro vznik nosičů proudu podstatné. Podrobnější studium této otázky ukázalo, že jde o uvolňování elektronů z materiálu elektrody. Parametry určité konkrétní formy samostatného výboje jsou vždy těmito elektrony do značné míry ovlivněny.

Další faktor, který má pro vznik a udržení samostatného výboje v plynu zásadní význam, je existence tzv. nepružných srážek, při nichž atom (či molekula) může pohltit určité množství energie a může být i ionizován. Přímý experimentální důkaz existence nepružných srážek a možnost ionizace molekul při těchto srážkách byl podán experimenty J. Francka a G. Hertze. Uvedené experimenty prokázaly přímo i existenci stacionárních stavů atomů s diskrétními hodnotami energie a významně tak přispěly k formulaci výchozích postulátů kvantové mechaniky (srov. článek 7.1.1).

Princip základního uspořádání Franckova-Hertzova pokusu pro studium nepružných srážek elektronů s atomy je uveden na obr. 7.43. V baňce naplněné studovaným plynem na tlak v řádu 10² Pa jsou umístěny tři elektrody: katoda K žhavena proudem I_z na teplotu potřebnou pro emisi elektronů, mřížka M udržovaná vnějším zdrojem na kladném urychlovacím napětí U vůči katodě a konečně anoda A, která má vůči mřížce malé brzdné napětí U_b ~ 0,5 V. Měřením závislosti proudu I_A na urychlovacím napětí můžeme zaznamenat charakteristiku uvedené elektronky. Při zcela evakuované baňce by tato charakteristika byla určena podmínkami probranými v čl. 7.3.7 a měla by tvar kvalitativně vyjádřený na obr. 7.35. Při naplnění parami rtuti získali autoři experimentu závislost, kterou vidíme na obr. 7.44[69] a kterou lze snadno interpretovat. Při malých hodnotách urychlovacího napětí nastávají jen pružné srážky elektronů s atomy rtuti a charakteristika má obvyklý tvar, podobný jako u vakuových elektronek. Dosáhne-li urychlovací napětí jisté kritické hodnoty U_kr, v případě rtuti 4,9 V, srážky počnou mít nepružný charakter; elektrony při nich ztratí většinu své kinetické energie, jsou i malým brzdným napětím U_b navráceny zpět k mřížce, takže proud elektronkou silně poklesne. Při dalším zvyšování urychlovacího napětí proud I_A opět vzrůstá, avšak vždy při dosažení celistvého násobku U_kr se proces doprovázený poklesem proudu opakuje. Experimenty Franckova-Hertzova typu byly realizovány v několika různých modifikacích dovolujících měřit energie různých excitovaných stavů a rovněž i ionizační energie či potenciály atomů (srov. obr. 7.3).[70]