8.11 Струм у газах

Процес протікання струму в газах називається газовим розрядом. Його існування можливе при наявності вільних носіїв заряду, тобто необхідна їх генерація. В газах носіями струму є електрони і іони, як позитивні, так і негативні. Створити (генерувати) вільні заряди можна: а) дією зовнішнього іонізатора: рентгенівські промені, α,β,γ-випромінювання, космічні промені, нагрівання і т. д. Під дією зовнішнього генератора молекули розпадаються на іони і електрони, якщо для цього виконані енергетичні умови.

б) за рахунок процесу ударної іонізації. Наявні заряди під дією прикладеного електричного поля на довжині свого вільного пробігу набирають енергію, достатню для іонізації нейтральних молекул газу при зіткненні (ударі) з ними.

Наряду з генерацією іде і зворотній процес рекомбінації іонів.

Розряд, який відбувається під дією зовнішнього генератора називається несамостійним, а без нього – самостійним. Типова вольт-амперна характеристика газового розряду, досліджена по схемі рис.8.19, представлена на рис.8 20. В області несамостійного розряду характерні дві дільниці: початкова, майже лінійна, коли виконується закон Ома, і горизонтальна, насичення, коли всі генеровані іони досягають електродів. При вимиканні генератора розряд припиняється після рекомбінації всіх зарядів. При деякій напрузі U_c несамостійний розряд переходить у самостійний. Тепер носії струму генеруються за рахунок процесу ударної іонізації і за рахунок термоелектронної емісії із катода при його нагріванні за рахунок бомбардування позитивними іонами. Розряд підтримується без зовнішнього генератора.

Розрізняють чотири типи самостійних газових розрядів: тліючий, коронний, іскровий і дуговий.

Тліючий розряд виникає у газі за зниженого тиску ( 15–1500 Па) і не дуже високої напруги (200–500 В). Вільні заряди генеруються за рахунок бомбардування катода позитивними іонами і фотонами, які утворюються в газі, а також за рахунок ударної іонізації. Структура цього розряду показана на рис. 8.21.

Безпосередньо до катоду примикає 1- астоновий темний простір (Астон вперше звернув на нього увагу), де електрони, випущені із катоду, ще не встигли набрати швидкості достатньої для збудження атомів і молекул. Ширина цього простору декілька десятих міліметра. Далі іде катодний шар 2, де відбувається збудження атомів і молекул, але ще не іонізація. Повертаючись у нормальний стан, молекули і атоми випромінюють кванти світла. За катодним шаром іде темній катодний простір 3, де починається ударна іонізація і зростання електронних лавин. Саме тут виникають позитивні іони, які і бомбардують катод. Потім формується негативне тліюче свічення 4 зумовлене виділенням енергії рекомбінації електронів з позитивними іонами. Область 5 називається темний простір Фарадея, куди уже електрони не долітають. Потім формується світний стовп 6 – це сукупність іонів протилежних знаків, або холодна плазма. Тут ідуть в основному процеси рекомбінації. Прикладена до електродів напруга в основному падає на перших трьох областях.

Іскровий розряд виникає при атмосферному тиску при високій напруженості електричного поля (для повітря за нормальних умов Е = 3∙10⁶ В/м). Він характеризується перервною структурою навіть при використанні джерела постійного струму. В природі – це блискавка. Зовнішній вид цього розряду (рис.8.22) уявляє собою сніп яскравих зигзагоподібних тонких каналів, які швидко заповнюють розрядний простір, змінюючи один одного. За рахунок ударної іонізації утворюються електропровідні канали іонізованого газу, які називаються стримерами. Стримери виникають, зливаються, розгалужуються, продовжують один одного і таким чином відбувається досить швидке перенесення заряду між електродами (10^-7 ÷ 10^-8с).

Дуговий розряд виникає при великих потужностях джерела живлення, коли стримери зливаються в один електропровідний канал. Дуговий розряд підтримується в основному за рахунок термоелектронної емісії з поверхні катода, який нагрівається до 3000^оС ÷ 4000^оС за рахунок бомбардування його позитивними іонами. Наряду з цим іде і іонізація газу в розрядному проміжку.

Коронний розряд виникає при відносно високому тискові газу, як правило при атмосферному, в сильно неоднорідному електричному полі поблизу великої кривизни поверхні електродів. Напруженість поля сягає 3∙10⁶ В/м. Корона може виникати як на негативному, так і на позитивному електродах.

У випадку негативної корони електрони прискорюються електричним полем поблизу катода і іонізують молекули газу. Позитивні іони бомбардують катод і вибивають з нього електрони. Це явище вторинної електронної емісії. По мірі віддалення від катода напруженість поля падає і електронні лавини обриваються.

В позитивній короні електронні лавини, які іонізують молекули, зароджуються в результаті об’ємної іонізації газу фотонами, які випромінюються короною. Прискорюючись до аноду, електрони іонізують газ.