Електричний струм у газах

Електричний струм  у газах

План 

1 Іонізація, газів 

2. Самостійний розряд.

3. Типи самостійних газових  розрядів.

3.1. Іскровий розряд.

3.2. Дуговий розряд.

3.3. Тліючий розряд.

3.4. Коронний розряд.

Іонізація газів

За звичайних умов (не занадто високі температури; тиски, близькі до атмосферного) гази складаються  з нейтральних атомів і молекул  і не містять вільних зарядів (електронів та іонів). Тому струм вони не проводять, іншими словами, є ізоляторами. Наприклад, якщо в сухе атмосферне повітря  помістити заряджений електрометр  із доброю ізоляцією, то його заряд  довго залишається незмінним.

Щоб газ почав проводити  електричний струм, потрібно створити в ньому вільні носії заряду, тобто  заряджені частинки. Цей процес називається  іонізацією газу. При цьому в газі відбувається розщеплення нейтральних  атомів і молекул на іони і вільні електрони.

Іонізувати газ можна  двома шляхами:

1) заряджені частинки  вносяться в газ ззовні або  створюються дією якого-небудь  зовнішнього фактора; 

2) заряджені частинки  створюються в газі дією електричного  поля.

У залежності від способу  іонізації електропровідність газів (розряд у газах) називається несамостійною (1) і самостійною (2).

Під дією іонізатора з електронної  оболонки атома або молекули виривається  один або кілька електронів. Атом (або  молекула) перетворюється на позитивний іон (катіон), і утворюються вільні електрони. Вони, у свою чергу, приєднуються до нейтральних молекул і атомів, перетворюючи їх на негативні іони (аніони). Таким чином, в іонізованому газі Містяться катіони, аніони і  вільні електрони.

Часто катіони та аніони являють собою не з'єднані іонізовані молекули, а групи молекул, що «прилипли» до негативного або позитивного  іона. Тому їхня маса набагато більша, ніж маса окремого атома або молекули.

Для опису іонної провідності  не можна використовувати ані  закони Фарадея, ані закон Ома.

Закони Фарадея для  газів утрачають зміст у силу того, що в розчинах електролітів частинки являють собою або певні атоми, або певні групи атомів, а в  газах конгломерати частинок можуть бути якими завгодно.

Закон Ома для газів  виконується тільки при малих  напругах. Тоді, як і у випадку  провідників, що підкоряються законові Ома, залежність сили струму від напруги (тобто вольтамперна характеристика) для них матиме вигляд:

Зі збільшенням напруги  вольтамперна характеристика для газів набуває складнішого вигляду:

Проаналізуємо цю криву.

На ділянці ОА (малі напруги) графік показує, що сила струму пропорційна  напрузі. На цьому проміжку відбувається збільшення кількості іонів, що проходять  за одиницю часу через перетин  розряду, а отже, збільшується і сила струму, оскільки швидкість заряджених частинок зростає з посиленням поля. Але незалежно від швидкості  руху, кількість частинок, що проходить  через розряд за одиницю часу, не може бути більшою за кількість частинок, що утвориться в газі під впливом  іонізатора. Ця величина і визначає значення струму насичення. Наведемо приклад  розрахунку струму насичення (Iнас). Нехай іонізатор створює за 1 секунду 2 мільйони пар іонів, кожен із яких має заряд 1,5·10-19 Кл. Тоді величина струму насичення дорівнюватиме найбільшому зарядові, що проходить через газ за 1 секунду:

Як бачимо, величина струму насичення залежить від іонізуючої здатності іонізатора, а не від  напруги.

Трапляються випадки, коли струму насичення немає. Це відбувається, якщо іонізуюча здатність іонізатора настільки велика, що навіть при  великих напругах електричне поле не встигає відводити всі утворені іони. Подібну картину ми можемо спостерігати в розчинах електролітів, коли швидкість утворення іонів  у результаті електричної дисоціації дуже велика.

Іонізаторами газів можуть виступати різні зовнішні впливи. Наприклад, у результаті сильного нагрівання швидкість молекул зростає, і  їхні зіткнення стають настільки  сильними, що вони розбиваються на іони. Таким чином, іонізатором виступає сильне нагрівання. Крім того, іонізувати газ може короткохвильове електромагнітне  випромінювання (УФ, рентгенівське, у-випромінювання), корпускулярне випромінювання (потоки електронів, протонів, а-частинок) тощо.

Для того щоб вибити з  молекули або атома один електрон, треба витратити певну енергію, необхідну для здійснення роботи іонізації — роботи проти сил  взаємодії між електроном, що виривається, та іншими частинками атома або молекули. Вона називається енергією іонізації. Зазвичай її значення коливається для  різних атомів у межах від 4 до 25 еВ. Величина роботи іонізації залежить від хімічної природи газу й енергетичного  стану електрона, що виривається, в  атомі або молекулі.

Процес іонізації має  кількісну характеристику — інтенсивність  іонізації. Вона вимірюється числом пар іонів, протилежних за знаком, що виникають в одиниці об'єму  газу за одиницю часу.

У газах одночасно з  процесом іонізації протікає конкурентний процес — рекомбінація. Він полягає  в тому, що позитивні і негативні  іони (або позитивні іони й електрони) при зіткненні з'єднуються між  собою. При цьому утворюються  нейтральні атоми або молекули. Процес рекомбінації відбувається тим інтенсивніше, чим більше іонів виникає в  процесі іонізації. Якщо припинити  дію іонізатора, то незабаром кількість  іонів у газі зменшуватиметься і  зрештою іони зникнуть практично  повністю.

При рекомбінації частинок вивільняється певна енергія, що дорівнює енергії, витраченій на іонізацію. Частково вона випромінюється у вигляді  світла, тому рекомбінація іонів супроводжується  свіченням (свічення рекомбінації).

Електропровідність газів  ніколи не дорівнює нулю, тобто вільні заряди в газі є завжди. Іонізаторами в цьому випадку є випромінювання радіоактивних речовин, що є на поверхні Землі, і космічне випромінювання. Інтенсивність  іонізації під впливом цих  факторів невелика. Але навіть така незначна електропровідність призводить до серйозних наслідків, наприклад  витоку зарядів наелектризованих тіл  навіть при добрій їх ізоляції.

Самостійний розряд

Самостійним розрядом у газі називають такий розряд, що зберігається після припинення дії зовнішнього  іонізуючого фактора.

Самостійний розряд виникає  в газі за певних умов. Якщо напругу  між електродами постійно підвищувати, то у певний момент сила струму різко  зросте.

Такий стрибок кривої пояснюється  таким фактом: число іонів у  газі різко зростає, тому що зі збільшенням  напруги поле передає іонам настільки  велику енергію, що при зіткненні  таких іонів із нейтральними молекулами останні 

розбиваються на іони та електрони. При цьому загальна кількість  іонів буде визначатися дією самого поля. Цей процес називається ударною  іонізацією.

Але однієї тільки ударної  іонізації для підтримки розряду  буде недостатньо, якщо усунути зовнішній  іонізатор. Необхідно, щоб у газі постійно протікали процеси, що призводять до виникнення нових електронів.

Як правило, під дією електричного поля катіони прискорюються до такого ступеня, що здатні вибити електрони  з катода при зіткненні з ним. Це один зі шляхів утворення вільних  електронів. Інший шлях включає кілька етапів. Спочатку катіони зіштовхуються  з нейтральними молекулами газу, після  чого останні переходять у збуджений  стан. Повертаючись до стаціонарного  стану, збуджена молекула випускає фотон. Фотони, що виникають у такий спосіб, здатні іонізувати молекули газу (фотонна  іонізація молекул). Крім того, можливим є вибивання електронів із катода під дією фотонів.

Типи самостійних  газових розрядів

Тип самостійного газового розряду насамперед залежить від  властивостей і стану газу, а також  від конфігурації електродів і прикладеної  до них напруги. Усього існує 4 типи самостійного розряду: іскровий, дуговий, тліючий і коронний.

Іскровий розряд

Іскровий розряд виникає, якщо через газовий проміжок за короткий час протікає обмежена кількість електрики. Цей процес відбувається при великих напругах електричного поля (≈3·106 В/м) у газі, тиск якого близький до атмосферного.

Іскровий розряд розвивається поступово. Для його пояснення  користуються стримерною теорією. Відповідно до неї, виникненню каналу іскри (яскраво сяючого, розгалуженого і вигнутого) передує утворення стримера — сильно іонізованого провідного каналу, що виникає з окремих потоків електронів.

Це відбувається в такий спосіб. При досить високій  напруженості електричного поля вільний  електрон встигає прискоритися до енергії, достатньої для іонізації атомів, якщо вони зустрічаються електронові  на шляху, меншому за довжину його вільного пробігу. У результаті з'являються  лавини електронів та іонізованих атомів. Ці лавини, наздоганяючи одна одну, утворюють  провідні містки зі стримерів, уздовж яких і проходять великі кількості електронів, що утворюють канали іскрового розряду.

Свічення газу при  іскровому розряді відбувається за рахунок виділення великої  кількості енергії й нагрівання газу в іскровому проміжку до дуже високої температури (близько 104 К). Нагрівання газу відбувається швидко, тому різко зростає і тиск газу, що призводить до виникнення ударних  хвиль. Це є причиною появи різних звукових ефектів при іскровому  розряді: від неголосного потріскування  в слабких розрядах до гуркотів грому  при спалахах блискавки. Слід зауважити, що блискавка — це також іскровий розряд, що виникає або між двома  грозовими хмарами, або між хмарою та землею.

Іскровий розряд широко застосовується як у техніці (запалення горючої суміші у двигунах внутрішнього згоряння, іскрові розрядники для запобігання перенапруження ліній електропередачі), так і  на виробництві (електроіскрова точна  обробка металів). Крім того, він  використовується в спектральному  аналізі для реєстрації заряджених частинок.

Дуговий розряд

Дуговий розряд виникає  між електродами, що контактують  між собою, якщо їх почати повільно віддаляти один від одного, коли вони підключені до потужного джерела  струму. Нагрітий світний газ ніби «провисає» між електродами, тому явище  й одержало назву дугового розряду.

При виникненні дугового розряду сила струму зростає до сотень амперів, а напруга на розрядному проміжку падає до декількох десятків вольтів. Завдяки потокові електронів, що випускаються нагрітим катодом, підтримується  висока провідність між електродами  дуги. Цьому також сприяє і термічна іонізація газу, коли атоми втрачають  електрони, зіштовхуючись один з  одним, і стають носіями електричного струму.

На практиці дуговий  розряд можна одержати, минаючи стадію іскри. Для цього електроди зближають  до зіткнення. При цьому вони сильно розжарюються струмом. Потім їх розводять  і одержують електричну дугу. Зазвичай температура катода сягає 4000 К (атм. тиск). Якщо розглянути цей процес на прикладі вугільних електродів, то з часом вугільний катод загострюється, а на аноді з'являється кратер — заглиблення в найгарячішому місці дуги.

Застосування дугового розряду широке й різноманітне. Так, ним користуються при зварюванні й різанні металів, при виплавці сталі високої якості (дугова піч) і для освітлення (прожектори, проекційна апаратура). Існують дугові лампи  з ртутними електродами у кварцових  балонах, де дуговий розряд виникає  в ртутній парі при викачаному повітрі. У такий спосіб влаштовані кварцові лампи. Справа в тому, що дуга, яка виникає в ртутній парі, є потужним джерелом ультрафіолетового  випромінювання. Той самий заряд, але при низьких тисках, застосовується в ртутних випрямлячах для  випрямлення змінного струму.

Тліючий розряд

Тліючий розряд спостерігається  тільки при низьких тисках (десяті й соті частки мм рт. ст.). Для збудження тліючого розряду напруга між електродами повинна складати всього лише кілька сотень вольтів, а іноді й менше.

На практиці тліючий  розряд можна одержати, якщо до електродів, впаяних у скляну трубку, прикласти  напругу. Поступово викачуючи повітря, можна спостерігати тліючий розряд у вигляді світної звивистої  нитки, що простягнулася від катода до анода. Якщо тиск знижувати і далі, то нитка ставатиме дедалі товщою, поки нарешті вся трубка, крім ділянки  біля катода, не буде заповнена однорідним свіченням, що зветься додатним стовпом.

Позитивний стовп  не впливає на підтримку розряду. Це відбувається в інших частинах трубки. На навколокатодному несвітловому проміжку (катодному темному просторі) відбувається сильне прискорення заряджених частинок (електронів і катіонів), що стають здатними вибивати електрони з катода Електрони, що вилітають, іонізують молекули газу. Услід за цим позитивні іони, що утворюються, спрямовуються до катода і вибивають із нього все нові електрони. Таким чином, знову відбувається іонізація і т. ін. Безперервність цих процесів дозволяє підтримувати тліючий розряд.

Якщо продовжувати викачувати із трубки повітря, то при  тисках приблизно 1,3 Па свічення газу слабшає, але починають світитися стінки трубки. Природа цього свічення така. При низьких тисках імовірність  того, що електрон зіштовхнеться з  молекулою газу, дуже мала. Набагато частіше відбуваються зіткнення  електронів зі стінками трубки. Вдаряючись об скло, електрони викликають свічення. Це явище називають катодолюмінесценцією.

Тліючий розряд широко використовується в багатьох областях техніки, але найактивніше — у  виготовленні світних трубок для  реклам, ламп денного світла і при  напилюванні металів.

При виготовленні світних трубок немаловажну роль відіграє той факт, що кожен газ  має специфічний колір позитивного  стовпа. Якщо трубку наповнити неоном, то свічення має червоний колір, якщо аргоном — синювато-зелений.

Катодне напилювання  металів здійснюють, поміщаючи різні  предмети поблизу катода. Речовина катода сильно нагрівається в тліючому розряді та переходить у газоподібний стан. Тоді всі предмети, що знаходяться  поблизу, вкриваються рівномірним  шаром того металу, із якого виготовлений катод.

Коронний розряд

Поблизу провідника з великою кривизною поверхні (наприклад, вістря) спостерігається  високовольтний електричний розряд. Тиск при цьому досить високий, а  поле поблизу провідника — неоднорідне. Коли напруженість поля поблизу вістря сягає 30 кВ/см, то навколо нього виникає  свічення у вигляді корони, що й  дало назву розрядові — коронний.