§30. Электрический ток в газах. Несамостоятельный разряд. Самостоятельный газовый разряд. Виды разрядов.

В отличие от растворов электролита газ при нормальных условиях состоит из нейтральных молекул (или атомов) и потому является изолятором. Проводником электрического тока газ становится только в том случае, когда хотя бы часть его молекул ионизируется (превращается в ионы) под влиянием внешнего воздействия (ионизатора). При ионизации из молекулы газа вырывается обычно один электрон, в результате чего молекула становится положительным ионом. Вырвавшийся электрон либо остается некоторое время свободным, либо сразу же присоединяется к одной из нейтральных молекул газа, превращая ее в отрицательный ион. Таким образом, в ионизированном газе имеются положительные и отрицательные ионы и свободные электроны.

Для того чтобы выбить из молекулы (атома) один электрон, ионизатор должен совершить определенную работу, называемую работой ионизации; для большинства газов она имеет значения, лежащие в пределах от 5 до 25 эВ. Ионизаторами газа могут служить рентгеновские лучи , радиоактивные излучения, космические лучи, интенсивное нагревание, ультрафиолетовые лучи и некоторые другие факторы.

Наряду с ионизацией в газе идет процесс рекомбинации ионов. В результате устанавливается равновесное состояние, характеризующееся определенной концентрацией ионов, величина которой зависит от мощности ионизатора.

При наличии внешнего электрического поля в ионизированном газе возникает ток, обусловленный движением разноименных ионов во взаимно противоположных направлениях и движением электронов. Благодаря малой вязкости газа подвижность газовых ионов в тысячи раз больше, чем ионов электролита.

При прекращении действия ионизатора концентрация ионов в газе быстро падает до нуля (в связи с рекомбинацией и выносом ионов к электродам источника тока) и ток прекращается. Ток, для существования которого необходим внешний ионизатор, называется несамостоятельным газовым разрядом.

При достаточно сильном электрическом поле в газе начинаются процессы самоионизации, благодаря которым ток может существовать и в отсутствие внешнего ионизатора. Такого рода ток называется самостоятельным газовым разрядом.

Процессы самоионизации в общих чертах заключаются в следующем. В естественных условиях в газе всегда имеется небольшое количество свободных электронов и ионов, создаваемых такими естественными ионизаторами, как космические лучи и излучения радиоактивных веществ, содержащихся в атмосфере, почве и воде. Достаточно сильное электрическое поле может разогнать эти частицы до таких скоростей, при которых их кинетическая энергия превысит работу ионизации. Тогда электроны и ионы, сталкиваясь (по пути к электродам) с нейтральными молекулами, будут ионизировать их. Образующиеся при соударениях новые (вторичные) электроны и ионы также разгоняются полем и в свою очередь ионизируют новые нейтральные молекулы и т. д. Описанная самоионизация газа называется ударной ионизацией.

Свободные электроны вызывают ударную ионизацию уже при напряженности поля порядка 10³ В/м. Что касается ионов, то они могут вызвать ударную ионизацию только при напряженности поля порядка 10⁵ В/м. Это различие обусловлено рядом причин, в частности тем, что для электронов длина свободного пробега в газе значительно больше, чем для ионов. Поэтому электроны приобретают необходимую для ударной ионизации кинетическую энергию при меньших напряженностях поля, чем ионы. Однако и при не слишком сильных полях положительные ионы играют весьма важную роль в самоионизации газа. Дело в том, что энергия этих ионов оказывается достаточной для выбивания электронов из металла. Поэтому разогнанные полем положительные ионы, ударяясь о металлический катод источника поля, выбивают из него электроны, которые в свою очередь разгоняются полем и производят ударную ионизацию нейтральных молекул.

Ионы и электроны, энергия которых недостаточна для ударной ионизации, могут, тем не менее, при столкновении с молекулами приводить их в возбужденное состояние, т. е. вызывать некоторые энергетические изменения в их электронных оболочках. Возбужденная молекула (или атом) переходит затем в нормальное состояние, испуская при этом порцию электромагнитной энергии — фотон. Испускание фотонов проявляется в свечении газа. Кроме того, фотон, поглощаемый какой-нибудь из молекул газа, может ионизировать ее; такого рода ионизация называется фотонной. Наконец фотон, попадающий на катод, может выбивать из него электрон (внешний фотоэффект), который затем вызовет ударную ионизацию нейтральной молекулы.

В результате ударной и фотонной ионизации и выбивания электронов из катода положительными ионами и фотонами количество ионов и электронов во всем объеме газа резко (лавинообразно) возрастает. Для существования тока в газе теперь уже не нужен внешний ионизатор. Газовый разряд становится самостоятельным. Описанный процесс самоионизации газа схематически показан на рис. 30.1, где нейтральные молекулы изображены белыми кружками, положительные ионы — кружками со знаком плюс, электроны — черными кружками, фотоны — волнистыми линиями.

рис. 30.1

рис. 30.2

Для исследования зависимости силы тока I при несамостоятельном газовом разряде от напряжения U между электродами воспользуемся установкой, схема которой изображена на рис. 30.2. Напряжение, приложенное к электродам А и К, регулируется при помощи потенциометра Р, и измеряется вольтметром V. Для измерения силы тока служит чувствительный гальванометр G. Газ ионизируется рентгеновскими лучами, испускаемыми трубкой R. Интенсивность ионизации во время опыта остается неизменной. Результаты измерений представлены в виде кривой на рис. 30.3.

рис. 30.3

Рассмотрим эту кривую. При небольших напряжениях сила тока пропорциональна напряжению (1-я область напряжений). Так как концентрация носителей заряда остается постоянной и все большее число ионов способно долететь до анода с увеличением напряжения.

При дальнейшем увеличении напряжения U между электродами линейная зависимость силы тока I от U нарушается (2-я область напряжения). Это явление связано с убылью ионов, участвующих в проводимости и нейтрализующихся у электродов. В несамостоятельном разряде пополнение ионов целиком зависит от мощности внешнего источника ионизации, поэтому лишь при малых плотностях тока (т.е. при малых Е и U) можно считать, что и пропорционально Е. При дальнейшем увеличении напряженности Е поля концентрация ионов убывает и линейная зависимость силы тока от напряжения нарушается: с возрастанием напряжения U сила тока растет все медленнее.

Начиная с некоторого значения напряжения сила тока при несамостоятельном разряде остается неизменной, несмотря на дальнейшее увеличение напряжения (3-я область напряжений). Это явление объясняется тем, что в сильных электрических полях скорость ионов достигает больших значений и все ионы, возникающие в газе, на пути к электродам не успевают воссоединиться в нейтральные молекулы. Поэтому при неизменной интенсивности ионизации не происходит дальнейшего возрастания тока. Максимальная сила тока , возможная при данной интенсивности ионизации, называется током насыщения. При токе насыщения к электродам ежесекундно прибывает электрический заряд , где — число пар одновалентных ионов, образующихся в объеме газа под действием ионизатора за одну секунду. Очевидно, что ток насыщения

. (30.1)

Из уравнения (30.1) видно, что если увеличить в несколько раз интенсивность ионизации, т.е. число пар ионов, образующихся за одну секунду, то во столько же раз увеличится и ток насыщения . Существование тока насыщения подтверждает ионную природу проводимости газов.

При дальнейшем увеличении напряжения между электродами сила тока снова начинает резко возрастать (4-я область напряжений). Это явление, обусловленное возникновением ударной ионизации и резким возрастанием числа носителей заряда в газе.

В зависимости от давления газа, конфигурации электродов, параметров внешней цепи можно говорить о четырех типах самостоятельного разряда: тлеющем, искровом, дуговом и коронном.

1. Искровой разряд. При больших напряженностях электрического поля (около 3 10⁶ В/м) в газе, находящемся при нормальном или повышенном давлении, возникает искровой разряд (пробой газа). Он имеет вид ярко светящегося извилистого разветвленного канала (стримера), мгновенно возникающего между электродами. Разряд носит прерывистый во времени характер (канал то вспыхивает, то гаснет) и сопровождается сильным треском.

Искровой разряд обусловлен ионными и электронными лавинами, вызванными ударной и фотонной ионизацией и выбиванием электронов из катода положительными ионами. При этих процессах выделяется большое количество энергии. Поэтому газ в канале разряда нагревается до очень высокой температуры (порядка 10⁴К), чем и вызвано его свечение. Треск искрового разряда обусловлен звуковыми волнами, возникающими при резком расширении нагревающегося в канале газа.

Примером грандиозного искрового разряда в естественных условиях является молния. Она представляет собой электрическую искру, проскакивающую между грозовым облаком и Землей или между двумя грозовыми облаками (обычно верхняя часть грозового облака бывает заряжена положительно, нижняя — отрицательно, при сближении разноименно заряженных частей облаков между ними проскакивает молния). Длина молнии может достигать нескольких километров, диаметр канала молнии 25см, сила тока в канале 10⁵А. Продолжительность молнии имеет порядок 10^-6с. Грозовые явления, в частности молния, были экспериментально исследованы впервыев середине XVIIIв. М.В. Ломоносовым и Г.В. Рихманом и независимо от них американским ученым Франклином.

В лабораторных условиях с помощью искрового разряда получают плазму (газ в состоянии полной ионизации). Искровой разряд используется для предохранения электрических линий передач от перенапряжения (искровой разрядник), а также для воспламенения горючей смеси в двигателе внутреннего сгорания. При малой длине газоразрядного промежутка искровой разряд вызывает разрушение (эрозию) поверхности металла. На этом основана электроискровая обработка металлов (резание, сверление и т. п.).

2. Коронный разряд. При нормальном и повышенном давлениях газа, находящегося в неоднородном электрическом поле, вблизи заостренных частей электродов наблюдается коронный разряд, представляющий собой слабое фиолетовое свечение газа, сопровождающееся легким шипением. Разряд обусловлен ударной ионизацией газовых молекул электронами и ионами, разогнанными до больших скоростей сильными электрическими полями, которые, как известно, создаются вблизи заостренных частей электродов. Свет испускается возбужденными молекулами газа при их переходе в нормальное состояние.

Коронный разряд возникает, например, около проводов высокого напряжения, у вершин мачт и других остроконечных предметов. На коронном разряде основано действие молниеотвода. Сильное электрическое поле, возникающее в атмосфере во время грозы, вызывает коронный разряд у вершины молниеотвода. Этот разряд непрерывно отводит в землю атмосферные электрические заряды, не позволяя им накапливаться вблизи здания, и тем самым предохраняет здание от удара молнии (или принимает удар на себя).

3. Дуговой разряд. Дуговой разряд возникает при сравнительно небольших напряжениях (около 60В) между двумя близко расположенными друг от друга электродами (угольными или металлическими). При атмосферном давлении он имеет высокую температуру 5000—6000К и сопровождается ослепительно ярким свечением. Плотность тока в дуговом разряде достигает нескольких тысяч ампер на 1мм².

Дуговой разряд обусловлен в основном термоэлектронной эмиссией раскаленного катода. Первоначальный нагрев катода происходит за счет теплоты, выделяемой током в месте соприкосновения электродов, имеющем большое сопротивление. Затем электроды раздвигаются и эмиттируемые электроны вызывают ударную ионизацию газа. После этого катод поддерживается в накаленном состоянии за счет бомбардировки положительными ионами.

Дуговой разряд был открыт в 1802 г. В. В. Петровым. В настоящее время этот вид разряда используется для сварки металлов.

4. Тлеющий разряд наблюдается в газе при низком давлении (около 13Па) и большой напряженности электрического поля (около 8000 В/м).

Если к электродам, впаянным в стеклянную трубку длиной 30—50см, приложить постоянное напряжение в несколько сотен вольт, постепенно откачивая из трубки воздух, то при давлении 5,3—6,7кПа возникает разряд в виде светящегося извилистого шнура красноватого цвета, идущего от катода к аноду. При дальнейшем понижении давления шнур утолщается, и при давлении 13Па разряд имеет вид, схематически изображенный на рис. 30.4.

рис. 30.4.

Непосредственно к катоду прилегает тонкий светящийся слой 1 — первое катодное свечение, или катодная пленка, затем следует темный слой 2 — катодное темное пространство, переходящее в дальнейшем в светящийся слой 3 — тлеющее свечение, имеющее резкую границу со стороны катода, постепенно исчезающую со стороны анода. Оно возникает из-за рекомбинации электронов с положительными ионами. С тлеющим свечением граничит темный промежуток 4 — фарадеево темное пространство, за которым следует столб ионизированного светящегося газа 5 — положительный столб. Положительный столб в поддержании разряда существенной роли не играет. Например, при уменьшении расстояния между электродами трубки его длина сокращается, в то время как катодные части разряда по форме и величине остаются неизменными.

В тлеющем разряде особое значение для его поддержания имеют только две его части: катодное темное пространство и тлеющее свечение. В дальнейшем будем рассматривать тлеющий разряд, говоря только о этих частях.

Свечение создают возбужденные молекулы; цвет свечения зависит от природы газа. Тлеющий разряд вызван ударной ионизацией, производимой электронами, выбиваемыми из катода положительными ионами. Вблизи катода эти электроны еще только начинают ускоряться полем. Поэтому в области 2 они практически не производят ни ударной ионизации, ни даже возбуждения молекул газа, чем и объясняется отсутствие свечения в этой области. Достигая положительного столба 5, электроны приобретают уже достаточную кинетическую энергию и потому ионизируют газ в этом столбе. Образующиеся при ударной ионизации положительные ионы устремляются к катоду и выбивают из него новые электроны, которые в свою очередь опять ионизируют газ в области 5, и т. п. Таким образом, непрерывно поддерживается тлеющий разряд.

Отметим, что в связи с малой ионизацией области 2 (сравнительно с областью 5) в ней сосредоточено почти все падение напряжения, создаваемого источником тока. Так как в разреженном газе мала концентрация ионов (и нейтральных молекул), то, во-первых, не происходит пробоя газа и, во-вторых, общее количество энергии, выделяющееся в газе, оказывается небольшим, в связи с чем свечение газа остается холодным.

При дальнейшем разрежении газа его свечение ослабевает и при давлении порядка 0,1Па практически прекращается. Но зато появляется зеленое свечение стекла (стенок) трубки. Свечение стекла вызвано ударами электронов, которые в условиях столь сильного разрежения редко сталкиваются с молекулами газа и потому разгоняются до скоростей, сравнимых со скоростью света. Поток этих электронов называется катодными лучами, или электронным пучком. Встречный поток положительных ионов называется каналовыми лучами, или ионным пучком.

При дальнейшем понижении давления зеленое свечение стекла ослабевает и при давлении порядка 10³Па прекращается.

Трубки с тлеющим разрядом применяются в качестве источников света (лампа дневного света). В этом случае они заполняются парами ртути с примесью аргона, а стенки трубки покрываются изнутри флуоресцирующим веществом (люминофором). Газоразрядные трубки, заполненные гелием или неоном, используются для декоративных целей и для рекламных надписей.

В лабораторных исследованиях и в некоторых электронных приборах тлеющий разряд используется в качестве источника ионных и электронных пучков.

Примером тлеющего разряда в естественных условиях является полярное сияние. Оно возбуждается в верхних (разреженных) слоях атмосферы потоками заряженных частиц, извергаемых из активных областей Солнца и собираемых магнитным полем Земли в зонах земных (магнитных) полюсов.