Електричний струм у газах

При тисках, близьких до атмосферного, і не занадто високих температурах гази є гарними ізоляторами, оскільки складаються із електрично нейтральних молекул. Наприклад, з'єднаний із пластинами зарядженого повітряного конденсатора гальванометр, показує відсутність електричного струму у колі. Проте газ стає провідником електрики, якщо деяка частина його молекул іонізується – тобто, відбудеться розщеплення нейтральних молекул газу на іони та вільні електрони. Для цього потрібно піддати газ дії іонізатора. Наприклад, якщо до повітряного проміжку між пластинами зарядженого конденсатора піднести полум'я газового пальника або опромінювати його рентгенівськими променями, то в обох випадках гальванометр зареєструє струм розрядки. Іонізацією газів називається процес розщеплення нейтральних молекул газу на іони та вільні електрони. Можливими іонізаторами є:

1. Сильне нагрівання – зіткнення швидких молекул стають настільки сильними, що відбувається їхнє розщеплення на іони.

2. Короткохвильове електромагнітне випромінювання – ультрафіолетове, рентгенівське або g -випромінювання.

3. Опромінення потоками заряджених частинок – електронів, протонів, a- частинок і таке інше.

Енергію, яку потрібно витратити, щоб із молекули (атома) вибити електрон, називають енергією іонізації. Для різних речовин ця величина лежить у межах 4¸25 еВ. Процес, зворотний до іонізації, називають рекомбінацією: позитивні і негативні іони, або позитивні іони та електрони, зустрічаючись, об'єднуються між собою, утворюючи нейтральні атоми і молекули.

Проходження електричного струму через гази називається газовим розрядом. Характер газового розряду визначається такими параметрами: хімічним складом газу, його густиною, тиском і температурою, розмірами, конфігурацією і матеріалом електродів, а також прикладеною напругою. Струм у газі, що існує ті-

льки під впливом зовнішнього іонізатора, називають несамостійним газовим розрядом (Рис.8.3, ділянка ОС).При іонізації газу в зазорі конденсатора виникають протилежно заряджені частинки, спрямований рух яких утворює струм розряду. При збільшенні напруги між обкладками конденсатора, сила струму зростає, досягаючи струму насичення (ділянка ВС), величина якого визначається потужністю іонізатора. Якщо дію іонізатора припинити,то припиниться і струм, оскільки

Рис.8.3.

ки інші джерела іонів відсутні. Тому розряд і називається несамостійним.

При подальшому ж підвищенні напруги, сила струму знову різко зросте (ділянка СЕ). Якщо тепер видалити зовнішній іонізатор, розряд буде продовжуватись, тому що необхідні для підтримки провідності газу іони тепер уворюються самим розрядом. Газовий розряд, який зберігається після припинення дії зовнішнього іонізатора, називають самостійним газовим розрядом. Напругу, при якій він виникає, називають напругою запалювання газового розряду або напругою пробою. Самостійний розряд підтримується за рахунок ударної іонізації електро-нами, які прискорюються електричним полем (ділянка СD). Виникаючі під дією зовнішнього іонізатора електрони, сильно прискорені полем, зіштовхуються із нейтральними молекулами газу та іонізують їх. В результаті утворяться вторинні електрони і позитивні іони, які рухаються відповідно до аноду і катоду. Вторинні електрони знову іонізують молекули газу, тому загальна кількість електронів та іонів буде лавиноподібно зростати, що і є причиною різкого збільшення електричного струму розряду. Проте для підтримки самостійного розряду тільки ударної іонізації недостатньо. Необхідно також, щоб при виключеному зовнішньому іонізаторі в газі відбувався процес відтворення нових електронів замість досягнувших аноду. Ці електрони з'являються із катоду при бомбардуванні його позитивними іонами, прискореними електричним полем. Явище вибивання електронів із поверхні катоду одержало назву вторинної електронної емісії. Тільки одночасне протікання цих двох процесів (утворення електронних та іонних лавин і вторинна електронна емісія) приводить до пробою газового проміжку і запалювання самостійного газового розряду.

В залежності від умов протікання, розрізняють декілька типів самостійного газового розряду: 1) Тліючий розряд – виникає при низьких тисках газу і використовується у лампах денного світла; 2) Іскровий розряд – виникає при великих напруженостях електричного поля у газах при атмосферних тисках і використовується для запалення пальної суміші у двигунах внутрішнього згоряння, для запобігання ліній електропередач від перенапруги (іскрові розрядники), для електроіскрової точної обробки металів (різання, свердління), для реєстрації заряджених частинок у спектральному аналізі (іскрові лічильники); 3) Дуговий розряд – виникає при атмосферному тиску газу, підтримується за рахунок високої температури катоду (до 3900 К) через інтенсивну термоелектронну емісію та термічну іонізацію молекул, використовується для зварювання і різання металів, одержання високоякісних сталей (дугова піч), освітлення (прожектори, проекційна апаратура), як могутнє джерело ультрафіолетового випромінювання у медицині (кварцові лампи); 4) Коронний розряд – виникає при високих тисках газу у різко неоднорідному полі поблизу електродів із великою кривиною поверхні (наприклад, вістря) і використовується у електрофільтрах для очищення промислових газів від домішок, для нанесення порошкових та лакофарбових покрить.

Сильно іонізований газ, у якому концентрації позитивних і негативних іонів практично однакові, називається плазмою. Відношення кількості іонізованих частинок до повної їхньої кількості у одиниці об'єму називають ступенем іонізації плазми a. В залежності від величини a, говорять про слабко- (a складає частки відсотка), помірковано- (a - декілька відсотків) та повністю (a - близьке до 100%) іонізовану плазму. За методом одержання плазму розділяють на два види: високотемпературну і газорозрядну. Газорозрядна плазма виникає при газовому розряді, причому середня кінетична енергія її частинок різна. Це означає, що температури електронного газу Т_е одна, іонного газу Т_і інша, а нейтральних атомів Т_н третя, причому Т_е>Т_і>Т_н. Тому така плазма є неізотермічною, тобто нерівноважною. Зменшення кількості заряджених частинок в процесі рекомбінації у газорозрядній плазмі поповнюється ударною іонізацією прискореними електронами. Припинення дії електричного поля приводить до зникнення газорозрядної плазми.

У високотемпературній плазмі середні кінетичні енергії її частинок однакові. Тому вона називається ізотермічною або рівноважною, оскільки при визначеній температурі зменшення кількості заряджених частинок поповнюється в результаті термічної іонізації. У стані подібної плазми знаходяться зірки, у тому числі Сонце, зоряні атмосфери, галактичні туманності та міжзоряне середовище. Їхні температури можуть досягати десятків мільйонів градусів. До властивостей плазми відносяться: високий ступінь іонізації газу (у межі – повна іонізація); рівність нулю результуючого просторового заряду (концентрації частинок протилежного знаку в плазмі практично однакові); велика електропровідність, причому струм у плазмі створюється в основному більш рухливими електронами; світіння; сильна взаємодія із електричними і магнітними полями; коливання електронів плазми із великою частотою (n~ 100 МГц), які спричиняють загальний вібраційний стан плазми; одночасна «колективна» взаємодія величезної кількості частинок. Ці властивості визначають якісну своєрідність плазми, що дозволяє вважати її особливим, четвертим станом речовини.

Плазма – найбільш поширений стан речовини у Всесвіті. Із плазми складаються не тільки зірки. Наша Земля оточена плазменою оболонкою – іоносферою, за межами якої існують радіаційні пояси, у яких також є плазма. Процесами у навколоземній плазмі обумовлені магнітні бурі та полярні сяйва. Відбивання радіохвиль від іоносферної плазми забезпечує можливість далекого радіозв'язку на Землі. Фізика плазми важлива і для розуміння багатьох процесів, які протікають у Космосі. Дослідження її властивостей, законів її руху і методів одержання складає зміст нового розділу сучасної фізики – фізики плазми.

РОЗДІЛ 9

Дата добавления: 2014-11-07