Электрический ток в газах. Самостоятельный и несамостоятельный разряды. Типы самостоятельного разряда и их техническое применение.

Электрический ток в газах. Самостоятельный и несамостоятельный разряды. Типы самостоятельного разряда и их техническое применение.

Электрическим током называется направленное движение заряженных частиц в электрическом поле .

Газы в естественном состоянии не проводят электричества (являются диэлектриками), так как состоят из электрически нейтральных атомов и молекул. Проводниками могут быть толь­ко ионизированные газы, в которых содержатся электроны, положительные и отрицательные ионы.

Разность потенциалов, которую должен пройти электрон для приобретения энергии ионизации, называется по­тенциалом ионизации атома или молекулы.

Виды ионизаций:

- ионизация, возникающая под действием высоких темпера­тур, называется термоионизацией;

- ионизация, возникающая под действием различных излуче­ний (ультрафиолетового, рентгеновского, радиоактивного) и кос­мических лучей, называется фотоионизацией ;

- ионизация, возникающая вследствие столк­новения частиц между собой называется ударной ионизацией.

Образовавшиеся вследствие ионизации электроны и ионы делают газ проводником электричества.

Процесс взаимной нейтрализации заряженных частиц называется ре­комбинацией. При рекомбинации выделяется энергия, равная энергии, затраченной на ионизацию. Это может вызвать, напри­мер, свечение газа.

Явление прохождения электрического тока через газ называ­ется газовым разрядом. Различают несамостоятельные и само­стоятельные газовые разряды.

Газовые разряды, происходящие под действием внешнего ионизатора, называются несамостоятельными.

Если для образования свободных электронов используется нагревание катода, то говорят о явлении термоэлектронной эмиссии.

При ударной ионизации число образовавшихся электронов и ионов с течением времени возрастает в геометрической про­грессии, образуя так называемые электронную и ионную лавины. С возникновением лавин характер газового разряда меня­ется с несамостоятельного на самостоятельный, поскольку сво­бодные заряды в газе образуются самопроизвольно, без дей­ствия внешнего ионизатора.

Газовый разряд, который продолжается после прекращения действия внешнего ионизатора, называется самостоятельным разрядом.

Процесс перехода несамостоятельного газового разряда в са­мостоятельный называется электрическим пробоем, а соответст­вующее ему напряжение U_n — напряжением пробоя.

Характер самостоятельного разряда определяется свойства­ми и состоянием газа, величиной и распределением приложенно­го напряжения, формой и расположением электродов.

В зависимости от условий, при которых происходит образова­ние носителей заряда различают несколько типов самостоятельных разрядов: тлеющий, искровой, коронный, дуговой.

• Тлеющим называется газовый разряд в разреженных газах, Находящихся при низких давлениях 0,1 —0,01 мм рт. ст.). Для его осуществления напряжение подается на электроды, впа­янные в торцы длинной цилиндрической трубки с газом. Заполняя трубку различными газами, можно полу­чать различную окраску свечения: так для неона характерно красное свечение, для аргона — синевато-зеленое.

Тлеющий разряд широко применяется как источник света в рекламных газосветных трубках , в газовых лазерах, а также для катодного распыления металлов при изготовлении высококачественных металлических зеркал.

• Искровой разряд возникает при давлениях порядка атмо­сферного при увеличении напряжения между электродами в газе до напряжения пробоя. Он сопровождается ярким свечением газа при проскакивании искры, характерным звуком и выделе­нием некоторого количества теплоты. При искровом разряде из электронных лавин, возникающих под действием сильного электрического поля, образуются стри­меры — тонкие разветвленные каналы, заполненные ионизиро­ванным газом. Искровые разряды могут возникнуть вследствие электриза­ции при расчесывании сухих волос или снятии шерстяного свитера, при разрядке конденсатора через воздух. Молния во время грозы также является гигантским искровым разрядом в атмосфере. Искровой разряд применяется для воспламенения горючей смеси в двигателях внутреннего сго­рания.

• В сильном неоднородном электрическом поле при атмо­сферном давлении возни­кает коронный разряд. В естественных условиях коронный разряд возникает под влиянием атмосферного электричества на верхушках деревьев, корабельных мачт (огни Святого Эльма), а также при больших напряжениях на проводах линий электропередач. Ко­ронный разряд применяется в электрофильтрах для очистки промышленных газов от примесей.

• В пространстве между сильно нагретыми электродами возни­кает дуговой электрический разряд. Он характеризуется боль­шой силой тока (десятки и сотни ампер) и малым напряжением (десятки вольт). Дуговой разряд поддерживается за счет мощ­ной термоэлектронной эмиссии с поверхности катода.

Дуговой разряд широко применяется в электропечах для плавки, сварки и резания металлов, особенно тугоплавких, в ка­честве мощных источников света (прожекторы, проекционные киноаппараты).

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 происходит следующим образом.

1. Под влиянием внешних факторов электроны отрываются от атомов или молекул. При этом атомы (молекулы) газов превращаются в положительные ионы.

2. Отрицательные ионы в газах могут возникнуть, если атомы (молекулы) присоединяют к себе электроны.

Мерой ионизации газов является интенсивность ионизации, измеряемая числом пар противоположно заряженных частиц, возникающих в единице объёма газа за единицу времени.

Противоположным процессу ионизации газов является процесс рекомбинации.

Процесс рекомбинации газов происходит следующим образом.

1. Положительные и отрицательные ионы могут при соударениях нейтрализовать друг друга, образуя обычные нейтральные молекулы.

2. При сближении электрона и положительного иона они могут вновь объединяться в нейтральный атом.

Электрический ток в газах называется газовым разрядом.

При нагревании газа он становится проводником. Следовательно, в газе происходит ионизация. При этом нейтральные атомы газа распадаются на положительные ионы и свободные электроны.

Несамостоятельный газовый разряд

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 между электродами трубки доля заряженных частиц, достигающих электродов, увеличивается. При этом увеличивается и сила тока в цепи.

4. Наступает момент, при котором все заряженные частицы, образующиеся в газе за единицу времени (секунду), достигают за это 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.

Рис. 1 Зависимость силы тока от напряжения при несамостоятельном газовом разряде.

Самостоятельный газовый разряд

При увеличении разности потенциалов между электродами трубки сила тока снова возрастает. Следовательно, в газе появляется дополнительный источник образования ионов. Преобладающую роль начинает играть разность потенциалов между катодом и анодом. Если постепенно увеличивать напряжение между электродами, то при некотором значении напряжения скорость электронов становится настолько велика, что при соударении электрона с молекулой происходит неупругий удар, в результате которого:

1. Молекула газа, оставаясь нейтральной, может перейти в «возбуждённое» состояние, при котором её внутренняя энергия становится больше, чем внутренняя энергия «невозбуждённой» молекулы.

2. Молекула будет ионизирована (это можно рассматривать как крайнюю степень возбуждения). Процесс ионизации газа, который возникает в результате соударения электрона с молекулой газа, называют ударной ионизацией. 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.

Рис. 2 Зависимость силы тока от напряжения при самостоятельном газовом разряде.

Виды самостоятельного разряда:

Искровой разряд.

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

Дуговой разряд.

Для резки и сварки металлических конструкций, для плавки металлов используют высокую температуру плазмы дугового разряда.

Тлеющий разряд

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

Коронный разряд

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.

Таким образом, для протекания всех газовых разрядов газ предварительно необходимо ионизировать.

• Ионизированное со­стояние газа в силу специфики своих свойств получило название плазмы — нового агрегатного состояния вещества.

Плазма — четвертое агрегатное состояние вещества, харак­теризующееся высокой степенью ионизации его частиц при ра­венстве концентраций положительно и отрицательно заряжен­ных частиц.

Подчеркнем, что в масштабах Вселенной плазма — наиболее распространенное агрегатное состояние вещества. Из нее состо­ят Солнце, звезды, верхние слои атмосферы и радиационное пояса Земли. (В состоянии плазмы находится подавляющая (около 99%) часть вещества Вселенной).

Плазма находит широкое применение на производстве при резке и шлифовке металлов, травлении различных поверхностей, введении добавок в полупроводники, нанесении защитных и упрочняющих покрытий. Важнейшие из применений плазмы ученые связывают с новыми перспектив­ными способами производства энергии: магнитогидродинамическое (МГД) пре­образование внутренней энергии в электрическую и управляемые термоядерные реакции синтеза