Билет №19 Электрический ток в газах. Самостоятельный и несамостоятельный разряды. Типы самостоятельного разряда и их техническое применение.

Электрическим током называется направленное движение заряженных частиц в электрическом поле .

Газы в естественном состоянии не проводят электричества (являются диэлектриками), так как состоят из электрически нейтральных атомов и молекул. Проводниками могут быть толь­ко ионизированные газы, в которых содержатся электроны, положительные и отрицательные ионы.

Разность потенциалов, которую должен пройти электрон для приобретения энергии ионизации, называется по­тенциалом ионизации атома или молекулы.

Виды ионизаций:

- ионизация, возникающая под действием высоких темпера­тур, называется термоионизацией;

- ионизация, возникающая под действием различных излуче­ний (ультрафиолетового, рентгеновского,

радиоактивного) и кос­мических лучей, называется фотоионизацией ;

- ионизация, возникающая вследствие столк­новения частиц между собой называется ударной ионизацией.

Образовавшиеся вследствие ионизации электроны и ионы делают газ проводником электричества.

Процесс взаимной нейтрализации заряженных частиц называется ре­комбинацией. При рекомбинации выделяется энергия, равная энергии, затраченной на ионизацию. Это может вызвать, напри­мер, свечение газа.

Явление прохождения электрического тока через газ называ­ется газовым разрядом. Различают несамостоятельные и само­стоятельные газовые разряды.

Газовые разряды, происходящие под действием внешнего ионизатора, называются несамостоятельными.

Если для образования свободных электронов используется нагревание катода, то говорят о явлении термоэлектронной эмиссии.

При ударной ионизации число образовавшихся электронов и ионов с течением времени возрастает в геометрической про­грессии, образуя так называемые электронную и ионную лавины. С возникновением лавин характер газового разряда меня­ется с несамостоятельного на самостоятельный, поскольку сво­бодные заряды в газе образуются самопроизвольно, без дей­ствия внешнего ионизатора.

Газовый разряд, который продолжается после прекращения действия внешнего ионизатора, называется самостоятельным разрядом.

Процесс перехода несамостоятельного газового разряда в са­мостоятельный называется электрическим пробоем, а соответст­вующее ему напряжение U_n — напряжением пробоя.

Характер самостоятельного разряда определяется свойства­ми и состоянием газа, величиной и распределением приложенно­го напряжения, формой и расположением электродов.

В зависимости от условий, при которых происходит образова­ние носителей заряда различают несколько типов самостоятельных разрядов: тлеющий, искровой, коронный, дуговой.

• Тлеющим называется газовый разряд в разреженных газах, Находящихся при низких давлениях 0,1 —0,01 мм рт. ст.). Для его осуществления напряжение подается на электроды, впа­янные в торцы длинной цилиндрической трубки с газом. Заполняя трубку различными газами, можно полу­чать различную окраску свечения: так для неона характерно красное свечение, для аргона — синевато-зеленое.

Тлеющий разряд широко применяется как источник света в рекламных газосветных трубках , в газовых лазерах, а также для катодного распыления металлов при изготовлении высококачественных металлических зеркал.

• Искровой разряд возникает при давлениях порядка атмо­сферного при увеличении напряжения между электродами в газе до напряжения пробоя. Он сопровождается ярким свечением газа при проскакивании искры, характерным звуком и выделе­нием некоторого количества теплоты. При искровом разряде из электронных лавин, возникающих под действием сильного электрического поля, образуются стри­меры — тонкие разветвленные каналы, заполненные ионизиро­ванным газом. Искровые разряды могут возникнуть вследствие электриза­ции при расчесывании сухих волос или снятии шерстяного свитера, при разрядке конденсатора через воздух. Молния во время грозы также является гигантским искровым разрядом в атмосфере. Искровой разряд применяется для воспламенения горючей смеси в двигателях внутреннего сго­рания.

• В сильном неоднородном электрическом поле при атмо­сферном давлении возни­кает коронный разряд. В естественных условиях коронный разряд возникает под влиянием атмосферного электричества на верхушках деревьев, корабельных мачт (огни Святого Эльма), а также при больших напряжениях на проводах линий электропередач. Ко­ронный разряд применяется в электрофильтрах для очистки промышленных газов от примесей.

• В пространстве между сильно нагретыми электродами возни­кает дуговой электрический разряд. Он характеризуется боль­шой силой тока (десятки и сотни ампер) и малым напряжением (десятки вольт). Дуговой разряд поддерживается за счет мощ­ной термоэлектронной эмиссии с поверхности катода.

Дуговой разряд широко применяется в электропечах для плавки, сварки и резания металлов, особенно тугоплавких, в ка­честве мощных источников света (прожекторы, проекционные киноаппараты).

Таким образом, для протекания всех газовых разрядов газ предварительно необходимо ионизировать.

• Ионизированное со­стояние газа в силу специфики своих свойств получило название плазмы — нового агрегатного состояния вещества.

Плазма — четвертое агрегатное состояние вещества, харак­теризующееся высокой степенью ионизации его частиц при ра­венстве концентраций положительно и отрицательно заряжен­ных частиц.

Подчеркнем, что в масштабах Вселенной плазма — наиболее распространенное агрегатное состояние вещества. Из нее состо­ят Солнце, звезды, верхние слои атмосферы и радиационное пояса Земли.

Плазма находит широкое применение на производстве при резке и шлифовке металлов, травлении различных поверхностей, введении добавок в полупроводники, нанесении защитных и упрочняющих покрытий. Важнейшие из применений плазмы ученые связывают с новыми перспектив­ными способами производства энергии: магнитогидродинамическое (МГД) пре­образование внутренней энергии в электрическую и управляемые термоядерные реакции синтеза