과학 진공방전관

[황병준]

네이버 백과사전 진공방전 바로가기

진공방전

기체는 전기를 잘 전달하지 않는 부도체(不導體)이지만, 그 기체의 압력에 따른 강한 전기장이 주어지면, 기체의 입자(분자 또는 원자)가 양(陽)이온과 전자(電子)로 이온화[電離]하여 전류가 흐르게 된다.

공기 중에서는 1cm 정도 떨어진 두 전극 사이에 수만 볼트(V) 이상의 높은 전압을 걸어주면 두 전극 사이에 불꽃 방전이 일어나면서 전류가 흐른다.

이런 성질을 이용하여 기체를 알루미늄 유리관의 양 끝에 전극을 넣어 밀봉하고 두 전극 사이에 전압을 걸고 유리관 속의 기체를 진공 펌프로 뽑아내어 관 속의 압력을 낮게하면, 음극에서 전자가 튀어나와 전자의 흐름이 생긴다. 이들 전자는 기체 분자와 충돌하게 되고, 기체는 전자의 에너지를 흡수한 후 이 에너지를 방출하여 발광한다.

압력이 낮으면 이온의 이동이 쉬워지기 때문에 더욱 빠른 속도로 다른 기체에 충돌할 수 있다. 이 충돌로 새로운 이온이 증가하여 전류가 흐르기 쉬워지기 때문에 이온과 충돌하는 기체 분자는 발광하게 된다. 그러나 압력을 더욱 낮추면 이온과 충돌할 수 있는 기체 분자의 수가 줄어들기 때문에 발광하는 기체 분자가 적어져 어두워진다.

이 현상을 진공방전이라고 한다.

진공방전에는 기체의 압력에 따라 불꽃 방전, 아크방전(arc discharge)과 글로방전(glow discharge)으로 구분할 수 있다.

불꽃 방전은 1기압(1013hPa)에서는 전류가 흐르지 않고, 두 전극 사이에 수만 V의 고전압을 걸어주었을 때 나타난다.

아크방전은 고온의 음극에서 열전자가 방출되어 유지되는 방전이다.

50~20hPa 정도의 낮은 압력의 기체에서의 전기전도 현상으로 양 극에 일정량 이상의 높은 전압을 걸어주면 발생한다. 끈 모양의 붉은 보라색으로 발광하지만, 발열이나 전극의 증발이 없다.

아크방전은 글로방전에 비해 음극에서 전압강하가 적으며 음극의 온도는 고온이다.
글로방전의 음극전압강하는 50V~수백V에 이르지만, 아크방전은 20V 이하이다. 음극의 온도는 일반적으로 1000℃~3500℃에 이른다. 고압기체의 경우 수만℃가 되기도 한다.

아크방전은 조명등, 탐조등, 영화영사등의 조명기기에 활용되며, 고열을 이용하여 금속의 용융, 용접, 절단, 가공에도 이용된다.

글로방전은 10~1hPa 정도의 아크방전보다 더 낮은 압력에서 유리관 전체가 발광하면서 방전을 한다. 발광하는 부분이 양극(+)에서부터 시작되므로 양광주라고도 한다. 온도가 낮고, 전류의 크기는 외부 회로의 저항값에 의해 제한된다. 글로방전에 사용되는 음극선관은 가이슬러관이다. 전극(電極) 사이의 전압은 방전전류의 크기에 별로 관계가 없으며, 또 봉입(封入)된 저압가스의 종류에 따라 발광하는 색이 다르다. 글로방전에는 정전압방전관(定電壓放電管)이나 네온사인 ·형광방전등의 방전 등이 있다.

[출처] 진공방전 [眞空放電, vacuum discharge ] | 네이버 백과사전