Билет №15

1.Электрический ток в газах. Самостоятельный и несамостоятельный разряды. Плазма.

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.

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

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

В зависимости от условий, при которых происходит образование носителей заряда (давление газа, напряжение, приложенное к электродам, форма и температура электродов), 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.).

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.

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.

Молния — атмосферная электрическая искра, проскакивающая между облаком и поверхностью Земли во время грозы. Сила тока в молнии, как правило, составляет от 10 до 40 кА, напряжение между «электродами» — 10⁸ — 10⁹ В. Ее длительность — десятки, сотни миллисекунд, длина светящегося канала может достигать 10 км, а диаметр — 4 м. При ударе молнии протекает заряд

В сильном неоднородном электрическом поле при атмосферном давлении возникает коронный разряд. Для получения такого поля, один из электродов должен быть заостренным (игла, спица, тонкая проволока), тогда в малой области пространства вокруг острия возникает электрическое поле, способное ионизировать среду. Ионизированный газ, «стекая» с острия, светится, образуя «корону» вокруг электрода.

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. Напомним, что действие молниеотвода также основано на возникновении коронного разряда вблизи его острого конца, что приводит к разрядке атмосферного электричества без удара молнии. Можно сказать, что молниеотвод служит для «замены» опасного вида газового разряда (искрового) на безопасный (коронный).

Коронные разряды являются источниками радиопомех, а также вызывают потери (токи утечки) на высоковольтных линиях передач.

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. Так при атмосферном давлении температура катода около 4000 К, а при давлении 20 атм — около 7000 К, что больше температуры внешней поверхности Солнца (6000 К). При таких температурах с поверхности катода вылетает большое число электронов, что значительно повышает концентрацию свободных носителей заряда, т. е. проводимость газа. При увеличении проводимости газа падает сопротивление электрической дуги, вот почему для получения большой силы тока достаточно весьма низкого напряжения.

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

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

Плазма — частично или полностью ионизированный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы. Не всякую систему заряженных частиц можно назвать плазмой. Плазма обладает следующими свойствами:

Плазма обычно разделяется на идеальную и неидеальную, низкотемпературную и высокотемпературную, равновесную и неравновесную, при этом довольно часто холодная плазма бывает неравновесной, а горячая равновесной.