13 Электрический ток в газах. Несамостоятельный и самостоятельный разряд.

Газы, в отличие от металлов и электролитов, состоят из электрически нейтральных атомов и молекул и в нормальных условиях не содержат свободных носителей тока (электронов и ионов). Поэтому газы в нормальных условиях являются диэлектриками.

Носители электрического тока в газах могут возникнуть только в процессе ионизации газов, т.е. в процессе образования ионов в газе.

Процесс ионизации газов происходит под влиянием внешних воздействий (внешних ионизаторов): сильного нагревания, ультра-фиолетовых и рентгеновских лучей.

Процесс ионизации газов заключается в том, что под действием ионизаторов от атомов отрывается один или несколько электронов. В результате этого вместо нейтрального атома возникают положительный ион и электрон. Часть образовавшихся электронов может быть при этом захвачена другими нейтральными атомами, и тогда появляются отрицательно заряженные ионы. Отрыв электрона от атома требует затрат определенной энергии — энергии ионизации Wi, которая измеряется работой против силы притяжения электрона ядром атома: Wi = eUi, где е — заряд электрона, Ui — потенциал ионизации для данного вещества.

Энергия ионизации зависит от химической природы газа и энергетического состояния электрона в атоме

Электроны и положительные ионы, возникшие во время действия ионизатора, не могут долго существовать раздельно и при столкновениях вновь образуют нейтральные атомы или молекулы. Это явление называется рекомбинацией (противоположный ионизации). Поэтому после прекращения действия ионизатора электрический ток в газе исчезает.

Если при ионизации для отрыва электрона от атома необходима энергия, то при рекомбинации эта энергия выделяется большей частью в виде светового излучения. При достаточной интенсивности рекомбинации электрический ток в газах сопровождается заметным свечением.

При непрерывном действии ионизатора и отсутствии электрического поля в газе устанавливается подвижное равновесие между ионизацией молекул и рекомбинацией ионов, характеризующееся определенной концентрацией ионов.

Механизм электропроводности газов.

При помещении ионизированного газа в электрическое поле на свободные заряды действуют электрические силы и они дрейфуют параллельно линиям напряженности: электроны и отрицательные ионы — к аноду, положительные ионы — к катоду. На электродах ионы превращаются в нейтральные атомы, отдавая или принимая электроны, тем самым замыкая цепь. В газе возникает электрический ток. Электрический ток в газах называется газовым разрядом. Таким образом, проводимость газов имеет ионно-электронный характер.

Газовый разряд бывает двух видов:

1. Самостоятельный газовый разряд.

2. Несамостоятельный газовый разряд.

Газовый разряд (проводимость газа) называют несамостоятельным, если он создаётся под влиянием каких – либо внешних факторов.

Газовый разряд (проводимость газа) называют самостоятельным, если он создаётся в газе под действием самого электрического поля, существующего между электродами (анодом и катодом).

Несамостоятельный газовый разряд

Если электропроводность газа создается внешними ионизаторами, то электрический ток, возникающий в нем, называется несамостоятельным газовым разрядом. С прекращением действия внешних ионизаторов несамостоятельный разряд прекращается. Несамостоятельный газовый разряд не сопровождается свечением газа.

На рис. изображен график зависимости силы тока от напряжения при несамостоятельном разряде в газе. Для построения графика использовалась стеклянная трубка с двумя впаянными в стекло металлическими электродами. Цепь собрана как показано на рисунке.

1. При подаче разности потенциалов в трубке возникает электрический ток.

2. При небольшой разности потенциалов не все образующиеся ионы достигают электродов.

3. По мере увеличение разности потенциалов (напряжения) между электродами трубки доля заряженных частиц, достигающих электродов, увеличивается. При этом увеличивается и сила тока в цепи.

4. При некотором определенном напряжении наступает такой момент, при котором все заряженные частицы, образующиеся в газе ионизатором за секунду, достигают за это же время электродов. При этом дальнейшего роста тока не происходит. Данное максимальное значение силы тока называют током насыщения .

5. Если действие ионизатора прекратить, то прекратиться и ток в цепи, т.е. газовый разряд, так как других источников ионов нет. Если убрать внешний ионизатор, то новых ионов не образуется, а те, что есть, достигнут электрода или рекомбинируют.

Самостоятельный газовый разряд

Электрический разряд в газе, сохраняющийся после прекращения действия внешнего ионизатора, называется самостоятельным газовым разрядом. Для его осуществления необходимо, чтобы в результате самого разряда в газе непрерывно образовывались свободные заряды. Основным источником их возникновения является ударная ионизация молекул газа.

Если после достижения насыщения продолжать увеличивать разность потенциалов между электродами, то сила тока при достаточно большом напряжении станет резко возрастать ( см. рис. и график 2).

 Следовательно, в газе появляется дополнительный источник образования ионов. Сила тока может возрасти в сотни и тысячи раз, а число заряженных частиц, возникающих в процессе разряда, может стать таким большим, что внешний ионизатор будет уже не нужен для поддержания разряда. Поэтому ионизатор теперь можно убрать.

Преобладающую роль начинает играть разность потенциалов между катодом и анодом. Чем больше разность потенциалов между электродами, тем больше напряженность электрического поля. Кинетическая энергия электрона перед очередным столкновением пропорциональна напряженности поля и длине свободного пробега электрона: meV2/2=eEl. Если кинетическая энергия электрона превосходит работу Ai, которую нужно совершить, чтобы ионизировать нейтральный атом (или молекулу), т.е. meV2/2>Ai, то при столкновении электрона с атомом (или молекулой) происходит его ионизация (ударная ионизация). В результате вместо одного электрона возникают два (налетающий на атом и вырванный из атома). Электроны, оторвавшиеся в результате ионизации от молекул, в свою очередь могут под действием поля получить энергию, достаточную для ионизации. Вследствие этого концентрация ионов, а вместе с ней и электропроводность газа, сильно возрастает. Если убрать внешний ионизатор, то разряд не прекратится. Так как такой разряд не нуждается для своего поддержания во внешнем ионизаторе, его называют самостоятельным газовым разрядом.

Но наличие только ионизации электронным ударом еще не приводит к самостоятельному разряду. Для существования самостоятельного разряда необходимо, чтобы в газе происходили и другие процессы, производящие новые электроны взамен ушедших на анод. Такими процессами могут быть вторичная эмиссия электронов с катода (выбивание электронов из катода разогнанными в электрическом поле положительными ионами), катод может испускать электроны при нагревании до большой температуры. Этот процесс называется термоэлектронной эмиссией и др.

Виды самостоятельного разряда:

1. Искровой разряд

Примеры искрового разряда – искры, возникающие при расчёсывании волос, при разрядке конденсатора.

Искровой разряд, часто наблюдаемый в природе, — молния. Молния — это разряд между двумя заряженными облаками или между облаком и землей. Носителями зарядов в облаках являются заряженные капельки воды или снежинки.

Искровой разряд сопровождается выделением большого количества теплоты, ярким свечением газа, треском или громом.

1. Дуговой разряд.

Дуговой разряд можно наблюдать при следующих условиях: если после зажигания искрового разряда постепенно уменьшать сопротивление цепи, то сила тока в искре будет увеличиваться. Когда сопротивление цепи станет достаточно малым, возникнет новая форма газового разряда, называемого дуговым. При этом сила тока резко увеличивается, достигая десятков и сотен ампер, а напряжение на разрядном промежутке уменьшается до нескольких десятков вольт. Это показывает, что в разряде возникают новые процессы, сообщающие газу очень большую электропроводность.

Электрическая дуга является мощным источником света и широко применяется в проекционных, прожекторных и других осветительных установках. Вследствие высокой температуры дуга широко применяется для сварки и резки металлов. Высокую температуру дуги используют также при устройстве дуговых электрических печей, играющих важную роль в современной электрометаллургии.

1. Тлеющий разряд

Тлеющий разряд наблюдается при пониженных давлениях газа (порядка 0,1 мм рт. ст.). Если к электродам, впаянным в стеклянную трубку, приложить постоянное напряжение в несколько сот вольт и затем постепенно откачивать воздух из трубки, то наблюдается следующее явление: при уменьшении давления газа в некоторый момент в трубке возникает разряд, имеющий вид светящегося шнура, соединяющего анод и катод трубки (рис. 1). При дальнейшем уменьшении давления этот шнур расширяется и заполняет все сечение трубки, а свечение вблизи катода ослабевает. Около катода образуется первое темное пространство 1, к которому прилегает ионный светящийся слой 2 (тлеющее свечение), который имеет резкую границу со стороны катода и постепенно исчезает со стороны анода. За тлеющим свечением наблюдается опять темный промежуток 3, называемый фарадеевым или вторым темным пространством. За ним лежит светящаяся область 4, простирающаяся до анода, или положительный столб.

Рис. 1

Особое значение в тлеющем разряде имеют только две его части — катодное темное пространство 1 и тлеющее свечение 2, в которых происходят основные процессы, поддерживающие разряд. Электроны, ионизирующие газ, возникают в результате фотоэмиссии с катода и столкновений положительных ионов с катодом трубки.

В настоящее время трубки с тлеющим разрядом находят практическое применение как источник света – газоразрядные лампы.

1. Коронный разряд

Коронный разряд наблюдается при сравнительно высоких давлениях газа (например, при атмосферном давлении) в резко неоднородном электрическом поле. Для получения значительной неоднородности поля электроды должны иметь резко различающиеся поверхности, т.е. один электрод — очень большую поверхность, а другой — очень малую. Так, например, коронный разряд можно легко получить, располагая тонкую проволоку внутри металлического цилиндра, радиус которого значительно больше радиуса проволоки.

Коронный разряд используется в технике для устройства электрофильтров, предназначенных для очистки промышленных газов от твердых и жидких примесей.

Коронный разряд может возникнуть на тонких проводах, находящихся под напряжением. Возникновением коронного разряда на остриях проводников объясняется действие громоотвода, защищающего здания и линии передач от ударов молнии.

Используется световое излучение ламп дневного света, газоразрядных ламп уличного освещения; электрическая дуга применяется в кинопроекционном аппарате; ртутно-кварцевая лампа нашла применение в поликлиниках и больницах.

1. Плазма.

Плазма - это частично или полностью ионизованный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы. Таким образом, плазма в целом является электрически нейтральной системой.

Количественной характеристикой плазмы является степень ионизации. Степенью ионизации плазмы называют отношение объемной концентрации заряженных частиц к общей объемной концентрации частиц. В зависимости от степени ионизации плазма подразделяется на слабо ионизованную ( составляет доли процентов), частично ионизованную ( порядка нескольких процентов) и полностью ионизованную ( близка к 100%). Слабо ионизованной плазмой в природных условиях являются верхние слои атмосферы - ионосфера. Солнце, горячие звезды и некоторые межзвездные облака - это полностью ионизованная плазма, которая образуется при высокой температуре.

Плазму нельзя охарактеризовать одним значением температуры Т; различают электронную температуру Те, ионную температуру Тi (или ионные температуры, если в плазме имеются ионы нескольких сортов) и температуру нейтральных атомов Т (нейтральной компоненты). Подобная плазма называется неизотермической, в отличие от изотермической плазмы, в которой температуры всех компонентов одинаковы.

Плазма также разделяется на высокотемпературную (Тi 106-108 К и более) и низкотемпературную (Тi<=105 К).

Проводимость плазмы увеличивается по мере роста степени ионизации. При высокой температуре полностью ионизованная плазма по своей проводимости приближается к сверхпроводникам (вещества, у которых при охлаждении ниже определённой критич. темп-ры Тс электрич. сопротивление падает до нуля).

Низкотемпературная плазма применяется в газоразрядных источниках света - в светящихся трубках рекламных надписей, в лампах дневного света. Газоразрядную лампу используют во многих приборах, например, в газовых лазерах - квантовых источниках света.

Высокотемпературная плазма применяется в магнитогидродинамических генераторах.

Недавно был создан новый прибор - плазмотрон. В плазмотроне создаются мощные струи плотной низкотемпературной плазмы, широко применяемые в различных областях техники: для резки и сварки металлов, бурения скважин в твердых породах и т.д.