1.4 Электрический ток в газах

Обычно вещество в газообразном состоянии является хорошим диэлектриком (не проводит электрический ток), так как атомы и молекулы из которых оно состоит, являются нейтральными, т. е. в газе нет свободных заряженных частиц. Электрический ток в газе может существовать только при появлении в нем заряженных частиц (носителей тока).

Газовый разряд – прохождение электрического тока через газ.

Возникновение носителей тока в газе может происходить при отрыве электронов от атомов, т. е. при ионизации атомов. Свободные электроны могут присоединяться к нейтральным атомам, образуя отрицательные ионы. Таким образом, носителями тока в газе могут быть электроны, а также положительные и отрицательные ионы.

Термическая ионизация. Повы­шение температуры газа делает его проводником электрического то­ка, потому что часть нейтральных атомов или молекул газа превраща­ется в ионы. Для отрыва электро­на от атома необходимо совершить работу против сил кулоновского при­тяжения между положительно заря­женным ядром и отрицательно за­ряженным электроном. Процесс от­рыва электрона от атома назы­вается ионизацией атома. Минималь­ная энергия, которую необходимо за­тратить для отрыва электрона от атома, называется энергией иониза­ции.

Электрон может быть оторван от атома при соударениях с другими атомами, если кинетическая энергия превысит энергию ионизации. Кине­тическая энергия теплового движе­ния атомов или молекул прямо пропорциональна абсолютной темпера­туре, поэтому с повышением темпе­ратуры газа увеличивается число соударений атомов или молекул, сопровождающихся ионизацией.

Процесс возникновения свобод­ных электронов и положительных ионов в результате столкновений ато­мов и молекул газа при высокой тем­пературе называется термической ионизацией.

Частично или полностью ионизи­рованный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы, на­зывается плазмой.

При низких температурах лю­бой газ является изолятором; при высоких температурах он превраща­ется в плазму и становится провод­ником электрического тока.

Фотоионизация. Энергия, необхо­димая для отрыва электрона от ато­ма или молекулы, может быть пе­редана светом или невидимым излу­чением — ультрафиолетовым, рент­геновским. Ионизация атомов или молекул под действием света назы­вается фотоионизацией.

Фотоионизация может превра­щать газ в плазму и делать его проводником электрического тока.

Ионизация электронным ударом. Ионизация электронным ударом ста­новится возможной тогда, когда электрон на длине свободного про­бега λ, приобретает кинетическую энергию W_k, достаточную для совер­шения работы отрыва электрона от атома (A_и): W_k ≥ A_и, или

eEλ ≥ А_и

где Е — напряженность электриче­ского поля, λ — длина свободного пробега электрона.

Энергия связи электронов в ато­мах и молекулах (энергия иониза­ции) обычно выражается в электронвольтах (эВ). Один электронвольт равен работе, которую со­вершает электрическое поле при пе­ремещении электрона или другой частицы, обладающей элементарным зарядом, между точками поля, на­пряжение между которыми рав­но 1 В:

1 эВ = 1,6 ^. 10^-19 Кл ^. 1 В = 1,6 ^. 10^-19 Дж.

Энергия ионизации атома водо­рода, например, равна 13,6 эВ, мо­лекулы кислорода — 12 эВ, азота — 16 эВ и т. д.

Вольт-амперная характеристика несамостоятельного разряда.

Основной характеристикой газового разряда служит зависимость силы тока в межэлектродном пространстве от напряжения, приложенного к электродам.

Наряду с ионизацией молекул газа происходит процесс рекомбинации — объединение ионов в нейтральные молекулы. При небольшом напряжении лишь незначительная часть образовавшихся ионов достигает электродов и, следова­тельно,принимает участие в образовании тока. Остальные ионы рекомбинируют, не успев достигнуть электродов. Чем вы­ше напряжение, тем большее число ионов успевает достигнуть электродов, тем больший ток течет через газ — сила тока растет с напряжением. При малых на­пряжениях вольтамперная характеристика имеет вид прямой линии (начало кривой на рис.); это означает, что выполняется закон Ома (сила тока пропорциональна напряжению). С ростом U характеристика все больше искривляется. Наконец, при некотором напря­жении все образовавшиеся под действием ионизатора ионы успевают достигнуть электродов, не претерпев рекомбина­ции (точка В на рис.). Дальнейшее увеличение U не мо­жет вызвать роста силы тока I — наступает насыщение (горизонтальный участок ВС на рисунке). Соответствующее значение силы тока называется током насыщения (I_н).

При достижении напряжения, отвечающего точке С на вольтамперной характеристике, ток начинает резко расти. Это объясняется тем, что разгоняемые столь сильным полем ионы приобретают энергию, достаточную для того, чтобы при соударении с молекулами ионизовать их. Число ионов лавинообразно растет — происходит элект­рический пробой газа.

Пробой наступает в том случае, когда приобретенная электроном под действием поля кинетическая энергия W_к становится равной энергии ионизации W_и, т. е. энергии, достаточной для того, чтобы выбить при столкновении электрон из нейтральной молекулы.

Самостоятельный электрический разряд

Опыт показывает, что если постепенно повышать напряжение между двумя электродами в газе, то можно достигнуть некоторого его значения, зависящего от природы га­за и давления, при котором в газе возникает электрический ток и без воздействия внешних ионизаторов. Явление прохождения через газ электрического тока, не зависящего от внешних ионизаторов, называет­ся самостоятельным разрядом в газе.

Основной механизм ионизации га­за при самостоятельном электриче­ском разряде — ионизация атомов и молекул ударами электронов.

Р азвитие самостоятельного элект­рического разряда в газе протекает следующим образом. Как только в га­зе появляется свободный электрон, он под действием электрического по­ля ускоряется, его кинетическая энергия возрастает, и если выполня­ется условие eEλ ≥ A_и, то он при соу­дарении с молекулой ионизует ее. Первичный электрон и вторичный, возникший в результате ударной ионизации, вновь ускоряются под действием электрического поля, и каждый из них при следующих соу­дарениях освобождает еще по одно­му электрону и т. д. Число свобод­ных электронов нарастает лавино­образно до тех пор, пока они не достигнут анода.

Положительные ионы, возникаю­щие в газе, движутся под действи­ем электрического поля от анода к катоду. При ударах положительных ионов о катод, а также под дейст­вием излучения, возникающего при развитии разряда, с катода могут освобождаться новые электроны. Они разгоняются электрическим по­лем и создают новые электронно-ионные лавины, и этот процесс мо­жет продолжаться непрерывно. Самостоятельный разряд бывает разных видов. Рассмот­рим несколько видов самостоятельного разряда: искровой, тлеющий, коронный, , дуговой.

Искровой разряд. Если источник тока не способен поддерживать само­стоятельный электрический разряд в течение длительного времени, то на­блюдается форма самостоятельного разряда, называемая искровым раз­рядом. Искровой разряд прекраща­ется через короткий промежуток вре­мени после начала разряда в ре­зультате значительного уменьшения напряжения. Примеры искрового разряда — искры, возникающие при расчесывании волос, разделении лис­тов бумаги, разряде конденсатора. Самые большие «искры» — мол­нии — наблюдаются во время грозы. Исследования показали, что причи­ной возникновения гроз является разделение электрических зарядов в грозовых облаках.

Коронный разряд. В сильно неоднородных электрических полях, образующихся, например, между острием и плоскостью или между проводом линии электропередачи и поверхностью Земли, возникает особая форма самостоятельного разряда в газах, называемая коронным разрядом. |Основная особенность коронного разряда заключается в том, что процесс ионизации атомов электрон­ным ударом происходит лишь на небольших расстояниях одним из элек­тронов в области с высокими значениями напряженности электрическо­го поля. С коронным разрядом приходится считаться при передаче электроэнер­гии на большие расстояния. Наи­большая напряженность поля создается около проводов. Так как элект­роэнергия на большие расстояния пе­редается по сравнительно тонким проводам при высоком напряжении между ними, то около проводов про­исходит довольно интенсивный ко­ронный разряд. Это ведет к потере части передаваемой электроэнергии. Потери на коронный разряд в таких линиях тем больше, чем выше на­пряжение между проводами и чем больше протяженность линии.

Дуговой разряд. Известна еще одна важная форма самостоятель­ного разряда в газах, получившая название электрической дуги. Она была впервые открыта профессором физики Петербургской медико-хи­рургической академии В. В. Петро­вым в 1802 г. Слегка раздвинув на небольшое расстояние два соприка­сающихся угольных электрода, при­соединенных к источнику тока, мы увидим между концами углей яркое свечение газа, а сами угли при этом раскаляются.

Рассматривая дуговой разряд че­рез темное стекло, можно заметить, что свет исходит преимущественно от концов углей. Свечение самой дуги — яркой изогнутой полоски, образую­щейся в газовом промежутке меж­ду концами углей, значительно слабее. Для горения дуги достаточно сравнительно небольшого напряже­ния 40—50 В, но сила тока в дуге достигает десятков и даже сотен ампер. Это указывает на то, что сопротивление газа в дуговом разря­де сравнительно мало.

Какие частицы служат носителя­ми зарядов в дуге? Когда угольные электроды приводят в контакт, они соприкасаются в отдельных неболь­ших участках малого сечения. Поэ­тому сопротивление этих участков ве­лико, и они сильно разогреваются. Когда угли раздвигают, электроны, испускаемые раскаленными участка­ми катода, ионизуют воздух и обес­печивают большую концентрацию за­ряженных частиц в дуге.