Процесс прохождения электрического тока через газ называется газовым разрядом. Если электропроводность газа создается внешними ионизаторами, то электрический ток, возникающий в нем, называется несамостоятельным газовым разрядом. С прекращением действия внешних ионизаторов несамостоятельный разряд прекращается. Несамостоятельный газовый разряд не сопровождается свечением газа.

Ниже изображен график зависимости силы тока от напряжения при несамостоятельном разряде в газе. Для построения графика использовалась стеклянная трубка с двумя впаянными в стекло металлическими электродами.

При некотором определенном напряжении наступает такой момент, при котором все заряженные частицы, образующиеся в газе ионизатором за секунду, достигают за это же время электродов. Дальнейшее увеличение напряжения уже не может привести к увеличению числа переносимых ионов. Ток достигает насыщения.

Самостоятельный газовый разряд

Электрический разряд в газе, сохраняющийся после прекращения действия внешнего ионизатора, называется самостоятельным газовым разрядом . Для его осуществления необходимо, чтобы в результате самого разряда в газе непрерывно образовывались свободные заряды. Основным источником их возникновения является ударная ионизация молекул газа.

Если после достижения насыщения продолжать увеличивать разность потенциалов между электродами, то сила тока при достаточно большом напряжении станет резко возрастать (график 2).

Это означает, что в газе появляются дополнительные ионы, которые образуются за счет действия ионизатора. Сила тока может возрасти в сотни и тысячи раз, а число заряженных частиц, возникающих в процессе разряда, может стать таким большим, что внешний ионизатор будет уже не нужен для поддержания разряда. Поэтому ионизатор теперь можно убрать.

Каковы же причины резкого увеличения силы тока при больших напряжениях? Рассмотрим какую либо пару заряженных частиц (положительный ион и электрон), образовавшуюся благодаря действию внешнего ионизатора. Появившийся таким образом свободный электрон начинает двигаться к положительному электроду - аноду, а положительный ион - к катоду. На своем пути электрон встречает ионы и нейтральные атомы. В промежутках между двумя последовательными столкновениями энергия электрона увеличивается за счет работы сил электрического поля.

Чем больше разность потенциалов между электродами, тем больше напряженность электрического поля. Кинетическая энергия электрона перед очередным столкновением пропорциональна напряженности поля и длине свободного пробега электрона: MV 2 /2=eEl. Если кинетическая энергия электрона превосходит работу A i , которую нужно совершить, чтобы ионизировать нейтральный атом (или молекулу), т.е. MV 2 >A i , то при столкновении электрона с атомом (или молекулой) происходит его ионизация. В результате вместо одного электрона возникают два (налетающий на атом и вырванный из атома). Они, в свою очередь, получают энергию в поле и ионизуют встречные атомы и т.д.. Вследствие этого число заряженных частиц быстро нарастает, возникает электронная лавина. Описанный процесс называют ионизацией электронным ударом.

Но одна ионизация электронным ударом не может обеспечить поддержания самостоятельного заряда. Действительно, ведь все возникающие таким образом электроны движутся по направлению к аноду и по достижении анода «выбывают из игры». Для поддержания разряда необходима эмиссия электронов с катода («эмиссия» означает «испускание»). Эмиссия электрона может быть обусловлена несколькими причинами.

Положительные ионы, образовавшиеся при столкновении электронов с нейтральными атомами, при своем движении к катоду приобретают под действием поля большую кинетическую энергию. При ударах таких быстрых ионов о катод с поверхности катода выбиваются электроны.

Кроме того, катод может испускать электроны при нагревании до большой температуры. Этот процесс называется термоэлектронной эмиссией. Его можно рассматривать как испарение электронов из металла. Во многих твердых веществах термоэлектронная эмиссия происходит при температурах, при которых испарение самого вещества еще мало. Такие вещества и используются для изготовления катодов.

При самостоятельном разряде нагрев катода может происходить за счет бомбардировки его положительными ионами. Если энергия ионов не слишком велика, то выбивания электронов с катода не происходит и электроны испускаются вследствие термоэлектронной эмиссии.

Газы при не слишком высоких температурах и при давлениях, близких к атмосферному, являются хорошими изоляторами. Это объясняется тем, что газы при обычных условиях состоят из нейтральных атомов и молекул и не содержат свободных зарядов (электронов и ионов). Газ становится проводником электричества, когда некоторая часть его молекул ионизуется, Для этого газ надо подвергнуть действию какого-либо ионизатора (например, использовать пламя свечи, ультрафиолетовое и рентгеновское излучения, g-кванты, потоки электронов, протонов, a-частиц и т. д). Энергия ионизации, атомов различных газов лежит в пределах 4 - 25 эВ. В ионизованном газе появляются заряженные частицы, способные двигаться под действием электрического поля - положительные и отрицательные ионы и свободные электроны.

Прохождение электрического тока через газы называется газовым разрядом .

Одновременно с процессом ионизации газа всегда идет и обратный процесс - процесс рекомбинации : положительные и отрицательные ионы, положительные ионы и электроны, встречаясь, соединяются между собой с образованием нейтральных атомов и молекул. Баланс их скоростей определяет концентрацию заряженных частиц в газе. Процессы рекомбинации ионов, также как и возбуждение ионов, не приводящее к ионизации, приводят к свечению газа, цвет которого определяется свойствами газа.

Характер газового разряда определяется составом газа, его температурой и давлением, размерами, конфигурацией и материалом электродов, приложенным напряжением, плотностью тока и т. д.

Рассмотрим цепь, содержащую газовый промежуток, подвергающийся непрерывному, постоянному по интенсивности воздействию внешнего ионизатора.

В результате ионизации газа и в цепи потечет ток, зависимость которого от приложенного напряжения дана на рис.

На участке кривой ОА ток возрастает пропорционально напряжению, т. е. выполняется закон Ома. При дальнейшем увеличении напряжения закон Ома нарушается: рост силы тока замедляется (участок АВ) и, наконец, прекращается совсем (участок ВС). Т.е. получаем ток насыщения, величина которого определяется мощностью ионизатора Это достигается тогда, когда все ионы и электроны, создаваемые внешним ионизатором за единицу времени, за это же время достигают электродов. Если в режиме ОС прекратить действие ионизатора, то прекращается и разряд. Разряды, существующие только под действием внешних ионизаторов, называются несамостоятельными . При дальнейшем увеличении напряжения между электродами сила тока вначале медленно (участок CD), а затем резко (участок DE) возрастает и разряд становиться самостоятельным . Разряд в газе, сохраняющийся после прекращения действия внешнего ионизатора, называется самостоятельным .

Механизм возникновения самостоятельного разряда следующий. При больших напряжениях возникающие под действием внешнего ионизатора электроны, сильно ускоренные электрическим полем сталкиваясь с молекулами газа, ионизируют их, в результате чего образуются вторичные электроны и положительные ионы. Положительные ионы двигаются к катоду, а электроны - к аноду. Вторичные электроны вновь ионизируют молекулы газа, и, следовательно, общее количество электронов и ионов будет возрастать по мере продвижения электронов к аноду лавинообразно. Это является причиной увеличения электрического тока на участке CD . Описанный процесс называется ударной ионизацией . Ударная ионизация под действием одних лишь электронов недостаточна для поддержания разряда при удалении внешнего ионизатора. Для поддержания разряда необходимо, чтобы электронные лавины «воспроизводились», т. е. чтобы в газе под действием каких-то процессов возникали новые электроны. Это наступает при значительных напряжениях между электродами газового промежутка, когда к катоду устремляются лавины положительных ионов, которые выбивают из него электроны. В этот момент, когда кроме электронных лавин возникают еще и ионные, сила тока растет уже практически без увеличения напряжения (участок DE на рис.), т.е. возникает самостоятельный разряд. Напряжение, при котором возникает самостоятельный разряд, называется напряжением пробоя .

Необходимо отметить, что при разряде в газах реализуется особое состояние вещества, называемое плазмой. Плазмой называется сильно ионизованный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы. Различают высокотемпературную плазму, возникающую при сверхвысоких температурах, и газоразрядную плазму, возникающую при газовом разряде. Плазма характеризуется степенью ионизации a - отношением числа ионизованных частиц к полному их числу в единице объема плазмы. В зависимости от величины a говорят о слабо (а составляет доли процента), умеренно (несколько процентов) и полностью (близко к 100%) ионизованной плазме.

Различают четыре типа самостоятельного разряда: тлеющий, искровой, дуговой и коронный .

1. Тлеющий разряд возникает при низких давлениях. Если к электродам, впаянным в стеклянную трубку длиной 30 - 50 см, приложить постоянное напряжение в несколько сотен вольт, постепенно откачивая из трубки воздух, то при давлении ~ 5,3 - 6,7 кПа (несколько мм рт ст) возникает разряд в виде светящегося извилистого шнура красноватого цвета, идущего от катода к аноду. При дальнейшем понижении давления (~13 Па) разряд имеет следующую структуру.

Непосредственно к катоду прилегает темный тонкий слой 1 – астоново темное пространство , далее следует тонкий светящийся слой 2 - первое катодное свечение или катодная пленка , затем следует темный слой 3 - катодное (круксовое) темное пространство , переходящее в дальнейшем в светящийся слой 4 - тлеющее свечение , имеющее резкую границу со стороны катода, постепенно исчезающую со стороны анода. Оно возникает из-за рекомбинации электронов с положительными ионами. С тлеющим свечением граничит темный промежуток 5-фарадеево темное пространство , за которым следует столб ионизованного светящегося газа 6 - положительный столб . Положительный столб существенной роли в поддержании разряда не имеет. Приложенное напряжение распределяется вдоль разряда неравномерно. Практически почти все падение потенциала приходится на три первых слоя и называется катодным падением потенциала .

Механизм образования слоев следующий. Положительные ионы вблизи катода, ускоренные катодным падением потенциала, бомбардируют катод и выбивают из него электроны. В темном астоновом пространстве электроны разгоняются и возбуждают молекулы, которые начинают испускать свет, образуя катодную пленку 2. Электроны пролетевшие без столкновений пленку 2 ионизируют молекулы газа за этой пленкой. Образуется много положительных и отрицательных зарядов. При этом интенсивность свечения уменьшается. Эта область представляет собой катодное (круксовое) темное пространство 3. Электроны, возникшие в катодном темном пространстве, проникают в область 4 тлеющего свечения, которое обусловлено их рекомбинацией с положительными ионами. Далее оставшиеся электроны и ионы (их мало) проникают путем диффузии в область 5 – фарадеево темное пространство. Оно кажется темным потому, что концентрация рекомбинирующих зарядов мала. В области 5 существует электрическое поле, которое разгоняет электроны и в области положительного столба 6 они производят ионизацию, в результате чего образуется плазма. Свечение положительного столба в основном связано с переходами возбужденных молекул в основное состояние. Оно имеет характерный для каждого газа цвет. В тлеющем разряде особое значение для его поддержания имеют только три его части - до тлеющего свечения. В катодном темном пространстве происходит сильное ускорение электронов и положительных ионов, выбивающих электроны с катода (вторичная эмиссия). В области тлеющего свечения же происходит ударная ионизация электронами молекул газа. Образующиеся при ударной ионизации положительные ионы устремляются к катоду и выбивают из него новые электроны, которые, в свою очередь, опять ионизируют газ и т. д. Таким образом непрерывно поддерживается тлеющий разряд.

Применение в технике. Свечение положительного столба, имеющее характерный для каждого газа цвет, используется в газоразрядных трубках для создания реклам (неоновые газоразрядные трубки дают красное свечение, аргоновые - синевато-зеленое) и в лампах дневного света.

2. Искровой разряд возникает при больших напряженностях электрического поля (~3 10 б В/м) в газе, находящемся под давлением порядка атмосферного. Объяснение искрового разряда дается на основе стримерной теории, согласно которой возникновению ярко светящегося канала искры предшествует появление слабосветящихся скоплений ионизованного газа - стримеров . Стримеры возникают как в результате образования электронных лавин посредством ударной ионизации, так и в результате фотонной ионизации газа. Лавины, догоняя друг друга, образуют проводящие мостики из стримеров, по которым в следующие моменты времени и устремляются мощные потоки электронов, образующие каналы искрового разряда. Из-за выделения при рассмотренных процессах большого количества энергии газ в искровом промежутке нагревается до очень высокой температуры (примерно 10 4 о C), что приводит к его свечению. Быстрый нагрев газа ведет к повышению давления и возникновению ударных волн, объясняющих звуковые эффекты при искровом разряде. Например, потрескивание в слабых разрядах и мощные раскаты грома в случае молнии.

Применение в технике. Для воспламенения горючей смеси в двигателях внутреннего сгорания и предохранения электрических линий передачи от перенапряжений (искровые разрядники).

3. Дуговой разряд . Если после зажигания искрового разряда от мощного источника постепенно уменьшать расстояние между электродами, то разряд становится непрерывным, т.е. возникает дуговой разряд. При этом ток резко возрастает, достигая сотен ампер, а напряжение на разрядном промежутке падает до нескольких десятков вольт. Дуговой разряд можно получить от источника низкого напряжения, минуя стадию искры. Для этого электроды (например, угольные) сближают до соприкосновения, они сильно раскаляются электрическим током, потом их разводят и получают электрическую дугу. При атмосферном давлении дуговой разряд имеет температуру ~3500 о C. По мере горения дуги на аноде образуется углубление - кратер, являющийся наиболее горячим местом дуги. дуговой разряд поддерживается за счет а интенсивной термоэлектронной эмиссии из катода, а также термической ионизации молекул, обусловленной высокой температурой газа.

Применение - для сварки и резки металлов, получения высококачественных сталей (дуговая печь) и освещения (прожекторы, проекционная аппаратура).

4. Коронный разряд - высоковольтный электрический разряд при высоком (например, атмосферном) давлении в резко-неоднородном поле вблизи электродов с большой кривизной поверхности (например, острия). Когда напряженность поля вблизи острия достигает 30 кВ/м, то вокруг него возникает свечение, имеющее вид короны, чем и вызвано название этого вида разряда. Это явление получило в древности название огней святого Эльма. В зависимости от знака коронирующего электрода различают отрицательную или положительную короны.

Применение - в электрофильтрах, применяемых для очистки промышленных газов от примесей, при нанесении порошковых и лакокрасочных покрытий.

В обычных условиях газ - это диэлектрик, т.е. он состоит из нейтральных атомов и молекул и не содержит свободных носителей эл.тока.
Газ-проводник - это ионизированный газ. Ионизированный газ обладает электронно-ионной проводимостью.

Ионизация газа

Это распад нейтральных атомов или молекул на положительные ионы и электроны путем отрыва электронов от атомов. Ионизация происходит при нагревании газа или воздействия излучений (УФ, рентген, радиоактивное) и объясняется распадом атомов и молекул при столкновениях на высоких скоростях.

Газовый разряд - это эл.ток в ионизированных газах.
Носителями зарядов являются положительные ионы и электроны. Газовый разряд наблюдается в газоразрядных трубках (лампах) при воздействии электрического или магнитного поля.

Рекомбинация заряженных частиц

- газ перестает быть проводником, если ионизация прекращается, это происходит в следствие рекомбинации (воссоединения противоположно заряженных частиц).

Существует самостоятельный и несамостоятельный газовый разряд.

Несамостоятельный газовый разряд
- если действие ионизатора прекратить, то прекратится и разряд.

Когда разряд достигает насыщения - график становится горизонтальным. Здесь электропроводность газа вызвана лишь действием ионизатора.

Самостоятельный газовый разряд
- в этом случае газовый разряд продолжается и после прекращения действия внешнего ионизатора за счет ионов и электронов, возникших в результате ударной ионизации (= ионизации эл. удара); возникает при увеличении разности потенциалов между электродами (возникает электронная лавина).
Несамостоятельный газовый разряд может переходить в самостоятельный газовый разряд при Ua = Uзажигания.

Тле́ющий разря́д - один из видов стационарного самостоятельногоэлектрического разряда в газах. Формируется, как правило, при низком давлении газа и малом токе. При увеличении проходящего тока превращается в дуговой разряд.

Типичным примером тлеющего разряда, знакомым большинству людей, является свечение неоновой лампы.

ХАРАКТЕРИСТИКИ

Характерной чертой тлеющего разряда является большая величина падения потенциала вблизи катода. В отличие от нестационарных (импульсных) электрических разрядов в газах, основные характеристики тлеющего разряда остаются относительно стабильными во времени.

Энергия электронов. Среднее приобретение энергии электроном в одном эффективном столкновении. Истинные изменения энергии электрона при столкновениях. Соотношение между хаотической и дрейфовой скоростями.

Один электронвольт равен энергии, необходимой для переноса элементарного заряда в электростатическом поле между точками с разницей потенциалов в 1 В.

Билет №6

Явление переноса в газах. Диффузия, вязкость, поперечное сечение. Средняя длина свободного пробега атомов (молекул). Частота столкновений. Длина свободного пробега с учетом относительного движения частиц.

Диффузия.

Для газа диффузия – это распределение молекул примеси от источника (или взаимная диффузия газа).

Диффузия происходит в направлении уменьшения концентрации вещества и ведет к его равномерному распределению по занимаемому объему

Взякость

Вя́зкость (вну́треннее тре́ние ) - одно из явлений переноса, свойство текучих тел (жидкостей и газов) оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой. В результате работа, затрачиваемая на это перемещение, рассеивается в виде тепла.

Грубо говоря – трение в газах и жидкостях.

Поперечное сечение.

Эффективное поперечное сечение - это физическая величина, характеризующая вероятность перехода системы двух взаимодействующих частиц в определённое конечное состояние.

При не слишком высоких температурах и атмосферном давлении газ – хороший изолятор.

Газ становится проводником , когда некоторая часть его молекул ионизируется . При ионизации газа под действием какого-либо ионизатора происходит вырывание электронов из электронной оболочки атомов или молекул. Некоторые электроны могут присоединиться к нейтральным атомам, образуя отрицательные ионы .

Следовательно, при ионизации газа образуются положительные и отрицательные ионы и свободные электроны . Таким образом, газ становится проводником .

Прохождение электрического тока через газ называется газовым разрядом .

Ионизация газов может происходить под действием различных ионизаторов, например:

· сильное нагревание,

· электромагнитное излучение,

· потоки высокоэнергичных заряженных частиц.

Для того, чтобы выбить электрон из электронной оболочки атома или молекулы нужно затратить определенную энергию, которая называется энергией ионизации .

Значение энергии ионизации лежит в пределах от 1 до 30 эВ. Наряду с явлением ионизации всегда идет обратный процесс. так называемый процесс рекомбинации , то есть воссоединение положительных и отрицательных ионов и электронов. в результате которого образуются нейтральные атомы. процесс рекомбинации идет в отсутствии ионизатора.

12.4. Воль-амперная характеристика газового разряда

Характер газового разряда определяется его вольт-амперной характеристикой.

На участке ОА сила тока увеличивается прямо пропорционально напряжению – выполняется закон Ома.

На участке АВ рост тока замедляется, закон Ома нарушается.

На участке ВС рост тока прекращается – явление «ток насыщения» . Это объясняется тем, что все электроны, созданные внешним ионизатором достигают соответствующих электродов.

Начиная с точки С рост тока возобновляется, это связано с тем, что при больших напряжениях электроны, возникающие под действием внешнего ионизатора, ускоряются электрическим полем настолько, что при столкновении с нейтральным атомом ионизируют их, потому, что масса электрона намного меньше массы иона, а электроны обладают большой кинетической энергией.

Если на участке ОС прекратить действие ионизатора, то газовый разряд прекратится. Значение тока насыщения служит характеристикой ионизатора. Заряженные положительные и отрицательные ионы и электроны появляются благодаря ускоренным электронам.

Ускоренные электроны, двигаясь к электродам, вновь ионизируют атомы и молекулы. Этот процесс называется ударной ионизацией .

Однако, ударной ионизации еще недостаточно для создания лавины (участок ДЕ на вольт-амперной характеристике). Для лавины необходимо наличие следующих процессов:

· ускоренные электрическим полем положительные ионы, достигая катода, выбивают из него вторичные электроны;

· положительные ионы, сталкиваясь с нейтральными атомами, переводят их в возбужденное состояние.

Переходя в основное состояние, возбужденные атомы излучают фотоны, эти фотоны вызывают ионизацию нейтральных атомов и молекул.

Процесс лавинообразно нарастает. Напряжение, при котором наблюдается лавинообразное нарастание тока, называется напряжением пробоя .

Газовый разряд, который прекращается после прекращения действия ионизатора, называется несамостоятельным газовым разрядом.

Самостоятельным газовым разрядом называется разряд, который сохраняется после прекращения действия ионизатора.

Таким образом, напряжение пробоя – напряжение, при котором несамостоятельный газовый разряд переходит в самостоятельный .

Различают несколько форм самостоятельных газовых разрядов, происходящих при нормальном и повышенном давлении.

12.5. Газовые разряды

Коронный разряд

~ возникает при нормальном давлении в газе, находящемся в сильно неоднородном электрическом поле , например около острия, около линии электропередач.

При коронном разряде ионизация газа и его свечение происходит только вблизи коронирующих электродов.

В случая коронирования катода образуется так называемая отрицательная корона. Электроны, вызывающие ударную ионизацию молекул газа выбиваются из катода ускоренными положительными заряженными ионами.

Если коронирует анод, то образуется положительная корона, а рождение электронов происходит в результате фотоионизации вблизи анода.

Отрицательное значениекоронного разряда : утечка тока в линиях высокого напряжения, которая ведет к потерям электроэнергии.

Применяется для очистки газа в установках электрогазоочистки.

При повышенном напряжении коронный разряд на острие приобретает вид исходящих из острия перемещающихся во времени светящихся линий. Эти линии имеют ряд изломов и изгибов и образуют подобие кисти, вследствие чего этот разряд называют кистевой разряд . Если напряжение между электродами увеличивать, то при очень высоком напряжении коронный разряд переходит в искровой .

Искровой разряд представляет собой нестационарный самостоятельный разряд в газе, имеющий вид ярких зигзагообразных нитей-каналов, которые появляются и исчезают, сменяясь новыми. Каналы искрового разряда начинают расти – от отрицательного или положительного электрода. а иногда от какой-либо точки между электродами.

Это объясняется тем, что ионизация ударом происходит не по всему объему газа, а по отдельным каналам. проходящих в тех местах, в которых концентрация ионов случайно оказалась наибольшей.

Искровой разряд сопровождается выделением большого количества теплоты, ярким свечением газа, треском.

Пример искрового разряда – молния . Все разряды вызываются электронными и ионными лавинами, которые возникают в искровых каналах и приводят к увеличению давления и температуры.

Применение искрового разряда :

1. искровой разряд лежит в основе электроискровой обработки металлов и сплавов;

2. для воспламенения горючей смеси в карбюраторных двигателях;

3. для защиты электрических сетей от перенапряжения;

4. для измерения больших разностей потенциалов с помощью шарового разрядника.

В шаровом разряднике существуют два электрода, представляющие собой два полированных металлических шара. Шары раздвигают, и на них подается измеряемое напряжение. Затем шары сближают до тех пор, пока между ними не проскочит искра. Зная диаметр шаров, расстояние между ними, давление, температуру и влажность воздуха можно определить разность потенциалов шаров с помощью специальных таблиц. Таким способом можно измерять напряжение порядка сотен киловольт.

Дуговой разряд

~ происходит при большой плотности тока и сравн. небольшом напряжении .

Основная причина возникновения дугового разряда – интенсивное испускание термоэлектроновраскаленным катодом .

Эти электроны ускоряются электрическим полем и проводят ударную ионизацию молекул газа, благодаря чему сопротивление между электродами оказывается сравнительно маленьким.

Если, уменьшив сопротивление внешней цепи, увеличить силу тока, то проводимость газового промежутка значительно увеличивается, и, следовательно, уменьшается напряжение между электродами.

Таким образом, дуговой разряд имеет падающую вольт-амперную характеристику. При атмосферном давлении температура катода достигает 3000 0 С; электроны интенсивно испускаются нагретым катодом и бомбардируют анод, создают в нем углубление, так называемый кратер. Температура кратера 4000 0 С, а при большом давлении – 7000 0 С. Температура в канале между электродами также чрезвычайно высока. Это приводит к интенсивной термоионизации.

Использование: при электросварке металлов.

Тлеющий разряд

~самостоятельный газовый разряд, который возникает в разреженном газе, то есть при пониженном давлении и в электрическом поле значительно меньшей напряженности.

Стеклянную трубку с двумя электродами подключают к вакуумному насосу, а электроды подключают к источнику напряжения. При атмосферном давлении тока в цепи нет или ток очень мал. Но если при помощи насоса откачать газ из трубки, в ней возникает разряд, сопровождающийся свечением газа.

Это объясняется тем. что в разреженном газе электроны редко сталкиваются с атомами, поэтому в промежутке между соударениями они успевают приобрести достаточную для ионизации энергию несмотря на то, что напряженность поля может быть невысокой.

За счет электронной лампы в газе возникает разряд, в результате которого между электродами образуется светящийся шнур. По мере дальнейшего уменьшения давления, канал разряда расширяется и заполняет почти все пространство трубки, а около катода образуется темное пятно.

Тлеющий разряд применяют в светящихся газовых трубках.

Понятие о плазме

Плазма – сильно ионизированный газ , в котором концентрации положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы.

Высокотемпературная плазма – плазма, возникающая при сверхвысоких температурах. Убыль числа заряженных частиц в процессе рекомбинации восполняется термической ионизацией. В такой плазме соблюдается равенство средних кинетических энергиий заряженных частиц.

В состоянии высокотемпературной плазмы находятся звезды, звездные атмосферы, Солнце. Их температура достигает десятков миллионов градусов.

Газоразрядная плазма – плазма, возникающая при газовом разряде.

Заряженные частицы (электроны, ионы) находясь в ускоряющем электрическом поле, обладают различной средней кинетической энергией. Это означает, что температура электронного газа Т е одна, а температура ионного газа Т и – другая, причем Т е > Т и.

Несоответствие этих температур указывает на то, что газоразрядная плазма является неравновесной , поэтому она называется также неизотермической .

Убыль числа заряженных частиц в процессе рекомбинации восполняется ударной ионизацией электронами, ускоренными электрическим полем.

Прекращение действия электрического поля приводит к исчезновению газоразрядной плазмы.

Степень ионизации плазмы (α ) – отношение числа ионизированных частиц к полному их числу в единице объема плазмы.

Слабо ионизированная плазма – α составляет доли процента.

Умеренно ионизированная плазма – α составляет несколько процентов.

Полностью ионизированная плазма – α близко к 100%.

Свойства плазмы:

§ высокая степень ионизации газа;

§ равенство нулю результирующего пространственного заряда – концентрация положительно и отрицательно заряженных частиц примерно одинакова;

§ большая электропроводность;

§ свечение;

§ сильное взаимодействие с электрическим и магнитными полями;

§ высокая частота колебаний электронов – до 10 8 Гц, что вызывает вибрационное состояние плазмы;

§ «коллективное» - одновременное взаимодействие громадного числа частиц (в обычных условиях частицы взаимодействую друг с другом попарно).

Эти свойства определяют качественное своеобразие плазмы , позволяющее считать ее особым, четвертым состоянием вещества.

_______________________________

Конец 12 лекции

Молекулы газов при обычных условиях нейтральны, поэтому газы являются диэлектриками. Газ становится проводником при ионизации части его молекул. Ионизация - потеря молекулой или атомом одного или нескольких электронов - может происходить при нагревании газа, при внесении его в сильное электромагнитное поле, при воздействии рентгеновских, ультрафиолетовых лучей, радиоактивных излучений. Нейтральная молекула, потерявшая один или несколько электронов, превращается в положительно заряженный ион. Часть свободных электронов захватывается нейтральными атомами и молекулами, при этом образуются отрицательные ионы. Следовательно, ионы возникают парами.

Так как нейтральные атомы и молекулы представляют собой устойчивые образования, то для ионизации их необходимо затратить определенную энергию. Минимальная энергия, которую нужно затратить для ионизации атома или молекулы, называется энергией ионизации . Она зависит от химической природы вещества и энергетического состояния электрона, удаляемого из атома или молекулы.

Если молекула получает энергию, меньшую энергии ионизации, она переходит в возбужденное состояние. Спустя время порядка она возвращается в основное состояние, а избыточная энергия излучается в виде кванта света.

Одновременно с ионизацией в газах происходит обратный процесс - рекомбинация ионов с образованием нейтральных молекул. Исчезновение ионов при рекомбинации также происходит парами. Энергия, затраченная на ионизацию молекул, при рекомбинации ионов выделяется обычно в виде квантов излучения.

Ионы и свободные электроны делают газ проводником электричества. Если в ионизированном газе создать электрическое поле, то возникнет упорядоченное движение ионов и электронов - электрический ток. Процесс прохождения электрического тока в газе называется газовым разрядом . Различают два вида газовых разрядов: несамостоятельный и самостоятельный .

Если электрический ток в газе обусловлен действием внешнего ионизатора и исчезает после прекращения действия ионизатора, то такой разряд называется несамостоятельным .

Несамостоятельный газовый разряд протекает при слабой ионизации газа. Для него характерна малая плотность тока и отсутствие световых и звуковых эффектов. Поэтому несамостоятельный разряд называется также тихим разрядом . Используется он в ионизационных камерах и счетчиках элементарных частиц.

Рассмотрим физические процессы, имеющие место при несамостоятельном газовом разряде между параллельными электродами (рис. 60.1). Предположим, что за каждую секунду в единице объ-ема образуется пар ионов. В это же время в единице объема рекомбинируют пар ионов. Кроме того, за единицу времени из единицы объема к электродам уходят пар ионов.

Нарастание концентрации ионов сопровождается усилением рекомбинации. В результате наступает состояние равновесия:

Рассмотрим предельные случаи.

1. Если напряжение между электродами мало, то электрическое поле слабое () и соответственно будет мала плотность тока ( , ). В этом случае и . Тогда, используя формулы (55.3) и (55.9), находим:

где - заряд ионов, n - их концентрация, , - подвижности ионов.

Таким образом, при малых значениях напряженности электрического поля несамостоятельный газовый разряд подчиняется закону Ома: плотность тока прямо пропорциональна напряженности.

С увеличением напряженности поля между электродами ионы уходят к электродам, не успевая рекомбинировать (). Поэтому

Если площадь электродов S , а расстояние между ними l , то каждую секунду электродов достигает пар ионов. Они создают ток, сила которого равна

. (60.3)

Объединяя формулы (53.4) и (60.3), рассчитаем плотность тока

Следовательно, при больших значениях напряженности поля между электродами плотность тока не зависит от напряженности. Это означает, что формула (60.4) определяет плотность тока насыщения.

При некотором достаточно большом значении напряженности наблюдается резкое возрастание плотности тока. Это объясняется тем, что свободные электроны, образующиеся при ионизации газа внешним источником, за время свободного пробега успевают приобрести энергию, достаточную для ионизации молекул при столкновении с ними. Такая ионизация называется ударной. В результате ионизации образуются вторичные электроны, которые тоже ускоряются электрическим полем и в свою очередь ионизируют новые молекулы газа. В газе возникают электронные лавины, его проводимость возрастает. Однако и в этом случае при прекращении действия внешнего ионизатора разряд продолжается лишь до тех пор, пока полученные при ионизации электроны достигнут анода, т. е. и при этих условиях разряд носит характер несамостоятельного.