10.9. Електропровідність газів

Класична модель електропровідності газів виходить із того, що його нейтральні атоми чи молекули в певних процесах іонізуються. Ці процеси можуть передувати або відбуватися рівночасно із створенням в об'ємі газу електричного поля. Іонізація передбачає виконання деяким джерелом роботи А на виривання електронів із зовнішніх (валентних) орбіталей атомів, що входять до складу газу. Для характеристики здатності частинок газу іонізуватися, вводиться поняття потенціалу іонізації , де езаряд електрона.

Таблиця. Потенціали іонізації деяких речовин.

Атоми	H	He	O	N	Ne	Cl	Na	Hg	K	Ar
і,еВ	13.6	24.6	13.6	14.5	21.6	13.0	5.14	10.4	4.34	15.8
молекули	H2	O2	H2O	N2	NO2	Cl2	CO2	CO	HCl	NO
і,еВ	15.4	12.2	12.6	15.6	12.3	11.3	13.8	14.0	12.6	9.2

Кількісною характеристикою процесу іонізації є інтенсивність іонізації, яка визначається числом новоутворених пар різнойменних зарядів за одиницю часу. Найуживанішим процесом іонізації є ударна іонізація. В електричному полі деяка заряджена частинка, наприклад, електрон, розганяється до певних енергій і співударяється з частинкою газу. При іонізації це зіткнення носить характер не пружного удару. Запишемо закон збереження імпульсу для не пружного удару

mV = (m + M)u, (1)

де М  маса атома, m  маса ударної частинки, а V  її швидкість, u  швидкість частинки та атома після не пружного удару. Кінетична енергія частинки витрачається на роботу іонізації A_і та створення кінетичної енергії атома й частинки Mu²/2

. (2)

Підстановка значення u із (1) у (2) дає

. (3)

Звідси видно, що енергія частинки не може бути менша за роботу іонізації та вона буде тим ближча до А_і, чим менша її маса m, порівнюючи з масою атома М. Таким чином ударна іонізація можлива при виконанні умови

. (4)

Рівночасно з процесом іонізації відбувається зворотній процес  процес рекомбінації іонів та електронів  перетворення іонів у нейтральні атоми чи молекули.

10.10. Плазма

При високих температурах речовина переходить у стан, який називається плазмою. Плазма  іонізований газ, у якому об'ємні густини додатних ₊ та від'ємних _- зарядів однакові за величиною, його об'єм значно більший характерного об'єму D³, у якому спостерігається порушення рівноваги числа додатних та від'ємних зарядів. Величина D називається Дебаєвським радіусом екранування і залежить від температури плазми .Фізичним змістом Дебаєвського радіуса екранування є те, що на відстанях більших за D від іона чи електрона їх електростатичне поле екранується повністю.

Плазма називається ідеальною або газовою, якщо енергія електростатичної взаємодії двох заряджених частинок плазми на середній відстані < r > значно менша теплової енергії Е=кТ. Така плазма має властивості ідеального газу і добре описується рівнянням

p = nkT.

Відношення числа іонізованих атомів до їх загального числа у плазмі називається ступенем іонізації плазми.

Утворення плазми відбувається за рахунок термічних процесів (), ударної іонізації, фотоіонізації. За рахунок великої електропровідності, плазма сильно взаємодіє із зовнішніми електричними та магнітними полями. Взаємодія між частинками усередині плазми відбувається за рахунок далекодії кулонівських сил і носить колективний, а не парний характер. В цьому відношенні плазма має властивості пружного середовища, в якому збуджуються й розповсюджуються коливання в тому числі й коливання об'ємного заряду, так звані ленгмюлерівські коливання плазми.

Плазма  найбільш розповсюджений стан речовини у Всесвіті. Він утворюється за рахунок термоядерних реакцій синтезу усередині зірок, фотоіонізації у холодних туманностях та міжзоряному просторі. Радіаційні пояси Землі є також плазмою. Низькотемпературна плазма має широке застосування в прикладних областях: джерелах денного світла, реактивних двигунах, для зварювання та різання металів. Найбільші надії пов'язуються із створенням керованих термоядерних реакторів, де основним робочим середовищем є плазма з високою температурою та густиною.