Электрический разряд в газах.

Все газы (в том числе и воздух) в естественном состоянии не проводят электрического тока, т.е. являются изоляторами. Именно по этой причине оказывается возможным строить воздушные линии электропередачи. На свойстве воздуха быть изолятором основана работа обыкновенного выключателя электрического тока. Поворачивая выключатель, мы создаем воздушный промежуток между двумя точками электрической цепи и тем самым размыкаем ее.

В том, что воздух является плохим проводником электрического тока, можно убедиться непосредственно на следующем опыте. Возьмем электрометр с присоединенными к нему дисками плоского конденсатора и зарядим его. При комнатной температуре, если воздух достаточно сухой, конденсатор заметно не разряжается. Это показывает, что электрический ток, вызываемый разностью потенциалов в воздухе между дисками, очень мал. Следовательно, электрическая проводимость воздуха при комнатной температуре мала и его можно считать диэлектриком. Это объясняется отсутствием в газах (воздухе) свободных электрических зарядов: атомы и молекулы газов в естественном состоянии являются нейтральными.

Нагреем теперь воздух между дисками. Заметим, что угол отклонения стрелки электрометра быстро уменьшается, т.е. уменьшается разность потенциалов между дисками конденсатора – конденсатор разряжается. Из этого можно сделать вывод, что нагретый воздух уже не является диэлектриком.

Отсюда ясно, что для того, чтобы сделать газ проводящим, нужно тем или иным способом внести в него или создать в нем свободные носители заряда – заряженные частицы. При этом возможны два случая: либо эти заряженные частицы создаются действием какого-нибудь внешнего фактора или вводятся в газ извне, либо они создаются в газе действием самого электрического поля, существующего между электродами. В первом случае электропроводность газа (разряд в газах) называется несамостоятельной, во втором – самостоятельной.

Механизм электропроводности газов

Механизм проводимости газов похож на механизм проводимости расплавов и расплавов электролитов. При отсутствии внешнего поля, заряженные частицы, как и нейтральные молекулы, движутся хаотически. Если ионы и свободные электроны оказываются во внешнем электрическом поле, то они приходят в направленное движение и создают электрический ток в газах.

Таким образом, электрический ток в газе представляет собой направленное движение положительных ионов к катоду, а отрицательных ионов и электронов к аноду. Полный ток в газе складывается из двух потоков заряженных частиц: потока, идущего к аноду, и потока, направленного к катоду.

На электродах происходит нейтрализация заряженных частиц, как и при прохождении электрического тока через растворы и расплавы электродитов. Однако в газах отсутствует выделение веществ на электродах, как это имеет место в растворах электролитов. Газовые ионы, подойдя к электродам, отдают им свои заряды, превращаются в нейтральные молекулы и диффундируют обратно в газ.

Еще одно различие в электропроводности ионизированных газов и растворов (расплавов) электролитов состоит в том, что отрицательный заряд при прохождении тока через газы переносится в основном не отрицательными ионами, а электронами, хотя проводимость за счет отрицательных ионов также может играть определенную роль.

Несамостоятельный разряд.

Электрический разряд, существующий только в присутствии постоянно действующего внешнего ионизатора, называют несамостоятельным.

Как было показано выше, если нагреть газ, то его молекулы уже не являются незаряженными, а про крайней мере некоторая их доля распадается на положительные и отрицательные части, т.е. в газе появляются ионы.

Процесс образования ионов в каком-либо газе называется ионизацией этого газа. В описанном выше опыте ионизация является следствием нагревания газа.

Если направить в газовый промежуток струю воздуха от маленькой воздуходувки и на пути струи, вне промежутка, поместить ионизирующее пламя, то гальванометр показывает некоторый ток. Это значит, что ионы, возникшие в пламени, не исчезают мгновенно, а перемещаются вместе с газом. Однако при увеличении между пламенем и газовым промежутком ток между пламенем и газовым промежутком ток постепенно ослабевает и при расположении пламени в нескольких сантиметрах практически исчезает вовсе. Это показывает, что после устранения причины, вызывающей ионизацию, количество ионов в газе быстро уменьшается и через некоторое время газ опять превращается в непроводник электричества.

Исчезновение ионов в газе объясняется тем, что разноименно заряженные ионы стремятся сблизиться под влиянием силы электрического притяжения и при встрече вновь воссоединяются в нейтральную молекулу. Такой процесс носит называние рекомбинации ионов. Вследствие рекомбинации однажды созданная проводимость газа не сохраняется, и для получения длительного тока необходимо, чтобы в газе непрерывно происходила ионизация.

Нагревание газа до высокой температуры не является единственным способом ионизации молекул или атомов газа. Нейтральные атомы или молекулы газа могут ионизоваться, т.е. приобретать электрический заряд, также и под воздействием ряда других факторов, важнейшими из которых являются рентгеновские лучи и излучение радиоактивных веществ.

Обычно явление ионизации состоит в отрыве от молекулы электрона, благодаря чему она становится положительным ионом. Освободившийся электрон сам становится отрицательным свободным носителем заряда. Однако во многих случаях электрон “прилипает” к какой-нибудь нейтральной молекуле, которая таким образом становится отрицательно заряженным ионом. Нередко и положительные и отрицательные ионы представляют собой не единичные ионизированные молекулы, а группы молекул, прилипших к отрицательному или положительному иону. Благодаря этому, хотя заряд каждого иона равен одному, двум, редко большему количеству элементарных зарядов, но массы их могут значительно отличаться от масс отдельных атомов или молекул; этим газовые ионы существенно отличаются от ионов электролитов, представляющих всегда, как мы видели, определенные атомы или определенные группы атомов. В силу этого различия при ионной проводимости газов не имеют места законы Фарадея, столь характерные для проводимости электролитов.

Второе, также очень важное, отличие ионной проводимости газов от ионной проводимости электролитов состоит в том, что для газов не соблюдается закон Ома. Измеряя величину тока I через газовый промежуток и напряжение U на его границах (электродах), мы найдем, что зависимость I от U (вольтамперная характеристика) имеет довольно сложный характер. В то время как для проводников, подчиняющихся закону Ома (в том числе и для электролитов), вольтамперная характеричтика имеет вид наклонной прямой, показывающей пропорциональность между величинами I и U, - для газов, в зависимости от характера разряда, она имеет разнообразную форму. Только при небольших значениях U график имеет вид прямой, т.е. закое Ома приблизительно сохраняет силу; с ростом U кривая загибается и, начиная с некоторого напряжения – обычно нескольких десяткой вольт, - переходит в горизонтальную прямую. Это означает, что, начиная с некоторого напряжения, ток сохраняет постоянное значение, несмотря на увеличение напряжения. Это постоянное, не зависящее от напряжения значение величины тока называют током насыщенеия.

Нетрудно понять смысл полученных результатов. Вначале с ростом напряжения увеличивается число ионов, проходящих за единицу времени через сечение разряда, т.е. увеличивается ток I, ибо ионы в более сильном поле движутся с большей скоростью. Однако, как бы быстро ни двигались ионы, число их, проходящее через разряд за единицу времени, не может быть больше, чем общее число ионов, создаваемых в разряде в единицу времени внешним ионизирующим фактором. Если, например, наша горелка создает за 1 секунду миллион пар ионов, каждый из которых имеет заряд 1,6*10-19 кулона, то максимальный заряд, проходящий через газ за 1 секунду, равен 2*106*1,6*10-19=3,2*10-13 кул/сек=3,2*10-13 ампер. Это и есть значение тока насыщения в данном случае. Если бы ионизирующий фактор был сильнее, т.е. создавал бы 1 секунду больше ионов, то и значение тока насыщения было бы больше. Однако и в этом случае окончательная величина тока определялась бы действием ионизующего фактора, а не напряжением, т.е. имело бы место насыщение. Только в том случае, когда ионизующий фактор настолько силен, что даже при больших напряжениях электрическое поле не успевает уводить все образующиеся ионы, мы не будем иметь насыщения. Это и имело место в электролите, где вследствие электролитической диссоциации скорость образования ионов чрезвычайно велика.

Опыты показывают, однако, что если после достижения тока насыщения в газе продолжать значительно повышать напряжение, то ход вольтамперной характеристики внезапно нарушается. При достаточно большом напряжении ток вдруг скачком резко возрастает. Скачок тока показывает, что число ионов сразу резко возросло. Причиной этого является само электрическое поле: оно сообщает некоторым ионам столь большие скорости, т.е. столь большую энергию, что при столкновениях таких ионов с нейтральными молекулами последние разбиваются на ионы. Общее число ионов теперь определяется не ионизующим фактором, а действием самого поля, которое может само поддерживать необходимую ионизацию: проводимость из несамостоятельной становится самостоятельной. Описанное явление внезапного возникновения самостоятельной проводимости, имеющее характер пробоя газового промежутка – не единственная, хотя и весьма важная форма возникновения самостоятельной проводимости.

Ионизация ударом

Кинетическая энергия, которую приобретает заряженная частица (электрон или ион) в электрическом поле, определяется формулой Wk=qU, где U – разность потенциалов на длине свободного пробега l2, q – заряд частицы. Но в однородном поле U=El. Следовательно, Wk=qEl.

Проанализируем эту формулу. Заряд иона и заряд электрона одинаковы по модулю. Напряженность поля – величина постоянная. Следовательно, кинетическая энергия частиц пропорциональна их длине свободного пробега: Wk~l. Длина же свободного пробега неодинакова для электрона и иона. Из-за того, что ионы имеют большие размеры, чем электроны, они сталкиваются значительно чаще электронов. Поэтому длина свободного пробега ионов значительно меньше длины свободного пробега электронов: lи<lэ

Следовательно, между двумя столкновениями ионы получают от электрического поля значительно меньшую энергию, чем электроны.

Разогнанные электрическим полем электроны, сталкиваясь с молекулами (или атомами), ионизируют их, выбивая электроны. Образующиеся при ионизации новые свободные электроны также разгоняются электрическим полем и вызывают ионизацию других молекул газа. Происходит лавинообразное увеличение числа электронов и ионов. Такая ионизация газа получила название ионизации ударом. В результате ионизации ударом ток в цепи резко возрастает.

Если в этот момент прекратить действие ионизатора, то ток в цепи прекратится, так как не будет “поставщика” первичных свободных зарядов, необходимых для образования электронов и электронных лавин.

Самостоятельный разряд

Если после достижения насыщения продолжать увеличивать разность потенциалов между электродами, то сила тока при достаточно большом напряжении станет резко возрастать. Это означает, что в газе появляются дополнительные ионы сверх тех, 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 можно теперь убрать. Поскольку разряд не нуждается для своего поддержания во внешнем ионизаторе, его называют самостоятельным разрядом.

Различные типы самостоятельного разряда

В зависимости от свойств и состояния газа, а также от характера и расположения электродов и приложенного к электродам напряжения возникают различные виды самостоятельного разряда.

Тлеющий разряд. При низких давлениях (десятые и сотые дли миллиметра ртутного столба) в трубке наблюдается тлеющий разряд. Для возбуждения тлеющего разряда достаточно напряжения между электродами в несколько сотен (а иногда и значительно меньше) вольт. При тлеющем разряде почти вся трубка, за исключением небольшого участка возле катода, заполнена однородным свечением, называемым положительным столбом.

Тлеющий разряд используют в трубках для реклам. Красное свечение возникает при наполнении трубки неоном. Положительный столб в аргоне имеет синевато-зеленоватый цвет. В лампах дневного света используют разряд в парах ртути. Важнейшее применение тлеющий заряд получил в квантовых источниках света -–газовых лазерах.

Электрическая дуга. При соприкосновении двух угольных стержней в месте их контакта из-за большого сопротивления выделяется большое количество теплоты. Температура повышается настолько, что начинается термоэлектронная эмиссия. Вследствие этого при раздвижении угольных электродов между ними начинается разряд. Между углями возникает столб ярко светящегося газа – электрическая дуга. Проводимость газа в этом случае значительна и при атмосферном давлении, так как число электронов, испускаемых отрицательным электродом, очень велико.

Сила тока в небольшой дуге достигает нескольких ампер, а в больших дугах – нескольких сотен ампер при напряжении порядка 50В.

Электрическая дуга была впервые получена в 1802 г. русским академиком В. В. Петровым.

Высокая температура катода при горении дуги поддерживается бомбардирующими катод положительными ионами. Газ в самой дуге также сильно разогревается под действием соударений с электронами и ионами, ускоряемыми полем. Из-зи этого происходит термическая ионизация газа.

На положительном электроде дуги под влиянием бомбардировки электронами образуется углубление – кратер. Температура в кратере при атмосферном давлении достигает 4000°С, а при давлении 2*106 Па превышает 7000°С. Чтобы представить себе, насколько велика эта температура, заметим, что температура поверхности Солнца равна приблизительно 6000°С.

Если увеличивать силу тока при тлеющем разряде, то температура катода за счет бомбардировки ионами увеличится настолько, что начнется дуговой разряд. Таким образом, для возникновения дугового разряда не обязательно предварительное сближение электродов.

Дуговой разряд – мощный источник света, его используют в прожекторах, проекционных аппаратах и киноаппаратах.

В металлургии широко применяют электропечи, в которых источником теплоты служит дуговой разряд. Дуговой разряд используют также для сварки металлов.

Другие типы самостоятельного разряда. При атмосферном давлении вблизи заостренных участков проводника, несущего большой электрический заряд, наблюдается газовый разряд, светящаяся область которого напоминает корону. Этот разряд, называемый коронным, вызывается высокой (около 3x106 В/м) напряженностью электрического поля вблизи заряженного острия.

При такой большой напряженности поля ионизация посредством электронного удара происходит при атмосферном давлении. По мере удаления от поверхности проводника напряженность быстро убывает. Поэтому ионизация и связанное с ней свечение газа наблюдается в ограниченной области пространства.

Заряженное грозовое облако индуцирует на поверхности Земли под собой электрические заряды противоположного знака. Особенно большой заряд скапливается на остриях. Поэтому перед грозой или во время ее нередко на остриях и острых углах высоко поднятых предметов вспыхивают похожие на кисточки конусы света. С давних времен это свечение называли огнями святого Эльма.

Особенно часто свидетелями этого явдения становятся альпинисты. Иногда даже не только металлические предметы, но и кончики волос на голове украшаются маленькими светящимися кисточками.

С коронным разрядом приходится считаться, имея дело с высоким напряжением. При наличии выступающих частей или очень тонких проводов может начаться коронный разряд. Это приводит к утечке электроэнергии. Чем выше напряжение высоковольтной линии, тем толще должны быть провода.

При большом напряжении между электродами в воздухе возникает искровой разряд, имеющий вид пучка ярких зигзагообразных полосок, разветвляющихся от тонкого канала. Этот вид разряда возникает тогда, когда мощность источника тока недостаточна для поддержания дугового или тлеющего разряда. Пример гигантского искрового разряда – молния. Молнии возникают либо между двумя облаками, либо между облаком и Землей. Сила тока в молнии достигает 500000 А, а разность потенциалов между облаком и Землей – 1 млрд. В.

При низких давлениях происходит тлеющий разряд. При атмосферном давлении можно получить электрическую дугу, наблюдать коронный и искровой разряды.

Плазма

Плазма – это частично или полностью ионизованный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы. Таким образом, плазма в целом является электрически нейтральной системой.

Количественной характеристикой плазмы является степень ионизации. Степенью ионизации плазмы a называют отношение объемной концентрации заряженных частиц к общей объемной концентрации частиц. В зависимости от степени ионизации плазма подразделяется на слабо ионизованную (a составляет доли процентов), частично ионизованную (a порядка нескольких процентов) и полностью ионизованную (a близка к 100%). Слабо ионизованной плазмой в природных условиях являются верхние слои атмосферы – ионосфера. Солнце, горячие звезды и некоторые межзвездные облака – это полностью ионизованная плазма, которая образуется при высокой температуре.

Средние энергии различных типов частиц, составляющих плазму, могут значительно отличаться одна от другой. Поэтому плазму нельзя охарактеризовать одним значением температуры Т; различают электронную температуру Те, ионную температуру Тi (или ионные температуры, если в плазме имеются ионы нескольких сортов) и температуру нейтральных атомов Тa (нейтральной компоненты). Подобная плазма называется неизотермической, в отличие от изотермической плазмы, в которой температуры всех компонентов одинаковы.

Плазма также разделяется на высокотемпературную Ti»106-108 К и более и низкотемпературнуюТi£105 К. Это условное разделение связано с особой влажностью высокотемпературной плазмы в связи с проблемой осуществления управляемого термоядерного синтеза.

Плазма обладает рядом специфических свойств, что позволяет рассматривать ее как особое четвертое состояние вещества.

Из-за большой подвижности заряженный частицы плазмы легко перемещаются под действием электрических и магнитных полей. Поэтому любое нарушение электрической нейтральности отдельных областей плазмы, вызванное скоплением частиц одного знака заряда, быстро ликвидируется. Возникающие электрические поля перемещают заряженные частицы до тех пор, пока электрическая нейтральность не восстановится и электрическое поле не станет равным нулю. В отличие от нейтрального газа, между молекулами которого существуют короткодействующие силы, между заряженными частицами плазмы действуют кулоновские силы, сравнительно медленные убывающие с расстоянием. Каждая частица взаимодействует сразу с большим количеством окружающих частиц. Благодаря этому наряду с хаотическим тепловым движением частицы плазмы могут участвовать в разнообразных упорядоченных движениях. В плазме легко возбуждаются разного рода колебания и волны.

Проводимость плазмы увеличивается по мере роста степени ионизации. При высокой температуре полностью ионизованная плазма по своей проводимости приближается к сверхпроводникам.

В состоянии плазмы находится подавляющая (около 99%) часть вещества Вселенной – звезды, звездные атмосферы, галактические туманности и межзвездная среда. Плотность межзвездной среды очень мала, в среднем менее одного атома на 1 см3. Ионизация атомов межзвездной среды производится излучением звезд и космическими лучами – потоками быстрых частиц, пронизывающими пространство Вселенной по всем направлениям. В отличие от горячей плазмы звезд температура межзвездной плазмы очень мала.

Газоразрядная плазма образуется при всех видах электрического разряда в газах: дуговом, искровом, тлеющем разряде.

Низкотемпературная плазма находит применение в газоразрядных источниках света – в светящихся трубках рекламных надписей, в лампах дневного света. Газоразрядную лампу используют во многих приборах, например, в газовых лазерах – квантовых источниках света.

Высокотемпературная плазма применяется в магнитогидродинамических генераторах.

Недавно был создан новый прибор – плазмотрон. В плазмотроне создаются мощные струи плотной низкотемпературной плазмы, широко применяемые в различных областях техники: для резки и сварки металлов, бурения скважин в твердых породах и т.д.

Список использованной литературы

1. Физика: Электродинамика. 10-11 кл.: учеб. для углубленного изучения физики/Г. Я. Мякишев, А. З. Синяков, Б. А. Слободсков. – 2-е издание – М.: Дрофа, 1998. – 480 с.

2. Физика: Учеб. Для 10 кл. сред. Шк /Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев. – М.:Просвещение, 1990. – 233 с.

3. Физика: Учеб. Для 10 кл. сред. Шк. /Н.М. Шахмаев, С.Н. Шахмаев, Д. Ш. Шодиев. – М.: Просвещение, 1991. – 240 с.

4. Элементарный учебник физики под ред. Акад. Г. С. Ладсберга, т.2 “электричество и магнетизм” – М. Наука, 1966. - 472 стр.

5. Прикладная физика: Учеб. Пособие для учащихся по факультатив. Курсу: 10 кл. – М.: Просвещение, 1989. – 239 с.

6. Учебное издание: Физика /Роуэл Г. Герберт С. под ред. Н. В. Хрусталь/ М.: Просвещение, 1993. – 576 с.