Электрический ток в газах

Газы в нормальном состоянии, в том числе и пары металлов, состоят из электрически нейтральных атомов и молекул и потому не проводят электрический ток. Электричество проводят только ионизованные газы. Ионы в газах возникают под действием высоких температур, рентгеновских, ультрафиолетовых и космических лучей, и других радиоактивных излучений. Во всех этих случаях происходит вырывание из электронной оболочки атома или молекулы одного или нескольких электронов. Этот процесс называется ионизацией.

Ионизация газов приводит к появлению электронов и образованию положительных ионов.

После прекращения действия ионизатора положительные ионы и электроны, соединяясь между собой, образуют нейтральные молекулы и атомы. Процесс соединения положительных и отрицательных ионов газа называется рекомбинацией. В результате рекомбинации проводимость газов возвращается к своему исходному значению.

Чтобы из нейтрального атома или молекулы удалить электроны, необходимо затратить некоторую энергию. Минимальное значение такой энергии называется энергией или потенциалом ионизации атома или молекулы.

Токи, возникающие в газах под действием внешнего ионизатора, обычно малы, порядка 10^-6  10^-12 А, и могут быть измерены с помощью чувствительных зеркальных гальванометров.

Рассмотрим цепь, содержащую источник тока, переменное сопротивление и приборы для измерения тока и напряжения между плоскими электродами, прос транство между которыми заполнено газом. Если на газовый промежуток действует какой-либо ионизатор, например ультрафиолетовые лучи, падающие на отрицательный электрод (катод), то из катода будут вырываться фотоэлектроны. В результате газ приобретает некоторую проводимость и в цепи появиться ток. Если увеличивать напряжение между электродами, например изменяя R, то сила тока будет увеличиваться. При достижении некоторого напряжения на электродах все образующиеся ионы достигают положительного электрода. Величина этого тока при дальнейшем увеличении напряжения изменяться не будет. Этот ток называют током насыщения I_s. Величина тока насыщения зависит от м ощности ионизатора. Зависимость электрического тока от напряжения на электродах (вольтамперная характеристика) для заданной интенсивности ионизатора представлена на рисунке. Если в одном из режимов, изображенных ветвью 0а, прекратить действие ионизатора, то ток в газовом промежутке прекратится. Проводимость газов, существующая только при действии внешнего ионизатора, получила название несамостоятельной проводимости.

При малых значениях E, на линейном участке характеристики, для ионизованного газа выполняется закон Ома.

При дальнейшем даже незначительном увеличении напряжения между электродами ток через газовый промежуток начинает резко возрастать, Это соответствует участку кривой ab. Возрастание тока сопровождается ярко выраженными световыми и тепловыми эффектами.

Резкое возрастание тока на участке ab вольтамперной характеристики указывает на то, что в газовом промежутке появляется большое количество новых ионов. В этом случае даже при прекращении действия ионизатора проводимость газа не исчезает. Это означает, что ионы, необходимые для поддержания электропроводности газа, создаются самим током, в результате процессов, происходящих в газе. Такая проводимость газов называется самостоятельной проводимостью.

Напряжение, при котором возникает самостоятельная проводимость газов, называется напряжением пробоя газового промежутка или напряжением зажигания газового разряда.

В зависимости от того, какие процессы образования ионов в газе играют главную роль, наблюдаются различные формы или типы самостоятельных разрядов в газах: тлеющий, искровой, дуговой, коронный и другие разряды. Эти типы разрядов отличаются друг от друга, как по свойствам, так и по внешнему виду.

Рассмотрим некоторые из них.

Тлеющий разряд возникает при низких давлениях, когда к электродам, впаянным в стеклянную трубку длиной 30-50 см, приложено постоянное напряжение в несколько сотен вольт. Разряд в виде светящегося извилистого шнура красноватого цвета возникает при давлении 6 кПа. При дальнейшем понижении давления шнур утолщается и при давлении 13 Па (0,1 мм Hg) разряд имеет вид, представленный на рисунке. Непосредственно к катоду примыкает светящийся слой 1 - катодная пленка, затем следует темный слой 2 - кат одное темное пространство, переходящееся в дальнейшем в светящийся слой 3 - тлеющее свечение, имеющее резкую границу со стороны катода, постепенно исчезающую со стороны анода. Далее находится темный промежуток 4 - темное фарадеево пространство, за которым следует столб ионизированного светящегося газа 5 – положительный столб. Положительный столб существенной роли в поддержании разряда не имеет. При уменьшении расстояния между электродами его длина сокращается, в то время как катодные части разряда по величине и форме остаются неизменными. Особое значение для поддержания тлеющего разряда имеют две его части – катодное темное пространство и тлеющее свечение. В катодном темном пространстве происходит сильное ускорение электронов и положительных ионов, выбивающие электроны с катода. В области тлеющего свечения происходит ударная ионизация электронами молекул газа. Образующиеся при этом положительные ионы устремляются к катоду и выбивают из него новые электроны, которые в свою очередь снова ионизируют газ и т.д. таким образом, непрерывно поддерживается тлеющий разряд. Тлеющий разряд широко используется в технике. Так как свечение положительного столба имеет характерный для каждого газа цвет, то его используют в газосветных трубках для светящихся реклам. (неон – красное, аргон – сине-зеленое) В лампах дневного света тлеющий разряд происходит в парах ртути. Его излучение поглощается нанесенным на внутреннюю поверхность трубки люминофором, который в результате начинает светиться. Спектр свечения при соответствующем подборе люминофора близок к спектру солнечного излучения. Тлеющий разряд используется также для катодного напыления металлов. Вещество катода в тлеющем разряде вследствие бомбардировки положительными ионами сильно нагревается и переходит в газообразное состояние. Помещая вблизи катода различные предметы, можно покрыть их равномерным тонким слоем нужного металла.

Искровой разряд возникает при больших напряженностях электрического поля 3 10⁶В/м в газе, находящемся под атмосферным давлением. Искра имеет вид ярко светящегося канала, имеющего сложную изогнутую форму. Ярким примером искрового разряда может служить молния, представляющая собой искровой разряд между облаками, облаками и Землей. Искровой разряд используется для воспламенения горючей смеси в двигателях внутреннего сгорания.

Если при возникновении искрового разряда от мощного источника уменьшать расстояние между электродами, то разряд становится непрерывным и называется дуговым разрядом. При этом сила тока резко возрастает, достигая сотен ампер, за счет чего температура возрастает до 3500^оС. Дуговой разряд широко используется для сварки и резки металлов.

Коронный разряд возникает при высоком напряжении в резко неоднородном поле вблизи электродов с большой кривизной поверхности (вблизи острия). Коронный разряд, возникающий вблизи проводов высоковольтных линий передач, приводит к вредным утечкам тока.

Коронный разряд нашел также и полезное применение в электрофильтрах для очистки газов от примесей.

Сильно ионизованный газ называют плазмой. Полностью ионизованная плазма обладает высокой проводимостью, превосходящей проводимость металлов. Основными носителями тока в плазме являются электроны. Вклад положительных ионов в электрический ток из-за их большой массы и малой подвижности невелик. Изучение физических свойств плазмы позволяет решить многие проблемы астрофизики и открывает перспективы осуществления управляемого термоядерного синтеза.