Take a fresh look at your lifestyle.

Неустойчивость — инициатор процессов

0

Неустойчивость — инициатор процессов

Обратимся к фундаментальному для физики вообще и для пробоя в частности вопросу — к неустойчивости. Пусть через вискер на катоде течет ток, который потом эмиттируется с вискера в вакуум и разогревает его. И пусть произошла «флуктуация» — температура вискера чуть-чуть увеличилась. Тут же увеличится отводимая от вискера мощность, но увеличится и выделяемая мощность — увеличение температуры увеличит эмиссию, следовательно, увеличит ток, протекающий по вискеру, и мощность Джоуля — Ленца. Если отводимая мощность окажется больше выделяемой, то вискер остынет, т. е. вернется к состоянию до флуктуации (до изменения температуры). Если же отводимая мощность оказывается меньше выделяемой, то вискер продолжает нагреваться. При этом чем сильнее вискер нагреется, тем больше будет разница между выделяемой и отводящей мощностью и, следовательно, тем быстрее он будет разогреваться дальше. Подобные процессы называются лавинными. Снежная лавина — это тоже лавинный процесс.

Процессы неустойчивости проявляются в пробое в различных формах, например, когда поле выдергивает сосульку из расплавленной зоны на электроде. Но без флуктуации это не произойдет, ибо поле во всех местах одинаково, а «выдернуть» всю поверхность сразу нельзя. Точно такая же неустойчивость возникает при выливании воды из перевернутого стакана (рис. 38).

Неустойчивость может возникать и при очень длинных цепочках процессов, в которых каждый процесс является следствием предшествующего. Вот пример такой цепочки:

а) испарение анода, нагретого автоэлектронной эмиссией с катода;

б) ионизация паров материала анода электронами, эмиттиро-ванными с катода;

в) ускорение электрическим полем ионов, летящих в сторону катода;

г) бомбардировка этими ионами катода и выбивание ионами из катода электронов;

д) ускорение этих электронов, эмиттированных в результате ион-электронной эмиссии;

е) бомбардировка ими анода и (наконец, цепочка замкнулась!) дополнительный разогрев.

Если случайное колебание в любом звене этой цепи — например, увеличение температуры анода — создает, пройдя по всей цепи, дополнительное тепловыделение, большее, чем дополнительный теплоотвод, то возникает неустойчивость. В итоге произойдет бурное выделение пара в зазор и пробой. Но это уже будет пробой в газе, который протекает по своим законам, и для него существенны другие процессы.

Неустойчивость может быть связана и не с испарением, а с десорбцией. Например, при появлении электрического поля с катода десорбируется газ, этот газ ионизируется идущими вдогонку электронами, эмиттированными посредством автоэлектронной эмиссии; при ионизации газа, находящегося над катодом, может увеличиться напряженность поля на катоде, что увеличивает десорбцию. Поскольку долго десорбироваться газ с поверхности не может (он попросту кончится), то развиться неустойчивость не успеет, но поле все же успеет в несколько раз возрасти, а это может «включить» другие виды неустойчивости.

И еще одна неустойчивость — электромеханическая. Мы уже знаем, что электрическое поле может оторвать от электрода слабо держащуюся на нем частицу. А если это кусочек напыленной на электрод пленки, то он может и не оторваться, а изогнуться (рис. 39). При этом электрическое поле на конце полоски возрастает. Если при малой деформации поле возрастает настолько, что сила, с которой оно тянет полоску, возрастает больше, чем сила сопротивления изгибу этой полоски, то возникает неустойчивость. Полоска изгибается все сильнее пока не встанет дыбом. А там уж как повезет — или увеличится автоэмиссия, или поле эту полоску разорвет. И то и другое может повлечь пробой.


Вакуумный пробой — явление принципиально нестационарное. Связано это с тем, что при прохождении тока через зазор на электродах происходят изменения, и условия, необходимые для прохождения тока, нарушаются — вискер испаряется, частица отрывается и т. д. Кроме этого, обычно электрическая схема не обеспечивает протекания через зазор большого стационарного тока — при попытке пропустить большой ток из-за наличия у источника энергии внутреннего сопротивления уменьшается напряжение на зазоре, и опять нарушаются условия, необходимые для возникновения пробоя. Но пробой может перейти в другое явление, называемое вакуумной дугой. Что такое дуга или дуговой разряд в газе, вы знаете. Процесс, называемый вакуумной дугой, происходит не в газе, а в парах материала электродов. Вакуумная дуга может поддерживаться долго, ибо ни высокие напряжения источника энергии, ни существующие до пробоя вискеры ей не нужны.

Физика вакуумной дуги очень загадочна, и наше представление о ней очень запутано. Как сказано в книге «Вакуумная дуга» (М.: Мир, 1982, с. 23): «Очень немногие физические явления породили такое огромное количество различных и даже взаимоисключающих объяснений…»

Самые общие представления о вакуумной дуге следующие. Металл испаряется с маленьких горячих участков на катоде, называемых катодными пятнами. Эмиттируемые из пятен электроны ионизируют испарение атомов металла, отрицательные ионы устремляются к катоду, бомбардируют и разогревают его. Эмиссия электронов из катода связана как с его нагревом, так и с сильными электрическими полями, возникающими около катода при приближении к нему отрицательных ионов. Катодные пятна быстро и хаотически движутся по катоду. Количество катодных пятен зависит от силы тока дуги — эксперименты показали, что каждое катодное пятно пропускает вполне определенный ток, зависящий от металла катода.


А если изменять ток? Катодные пятна делятся и возникают новые, так, чтобы их количество обеспечивало примерно постоянный ток через пятно. «Шнур плазменного огня… превратился в цепочку круглых зерен… Каждое зерно росло и преображалось, эти капельки… потеряли четкость очертаний, из них выползли отростки, породившие очередную генерацию капелек». Впрочем, это уже не из статьи по физике, а из научно-фантастического рассказа Ст. Лема «Правда».

Поведение катодных пятен весьма сложно. Например, совсем недавно было показано*), что многие свойства катодных пятен связаны с движением расплавленного металла в жидких «луночках», которые и являются катодными пятнами. Многие свойства катодных пятен связаны со свойствами поверхности металла, на которой они образуются, с ее шероховатостью и ее окислением.

Оставьте ответ