Тема 7. Электропроводность жидкостей и газов.
§1. Электрический ток в газах.
§2. Несамостоятельный и самостоятельный газовые разряды.
§3. Виды несамостоятельного разряда и их техническое использование.
§4. Понятие о плазме.
§5. Электрический ток в жидкостях.
§6. Законы электролиза.
§7. Технические применения электролиза (самостоятельно).
Электрический ток в газах.
В обычных условиях газы являются диэлектриками и становятся проводниками лишь тогда, когда они каким-то образом ионизированы. Ионизаторами могут служить рентгеновские лучи, космические лучи, ультрафиолетовые лучи, радиоактивное излучение, интенсивное нагревание и др.
Процесс ионизации
газов заключается в том, что под действием ионизатора от атомов отщепляется один или несколько электронов. В результате этого вместо нейтрального атома возникают положительный ион и электрон.
Электроны и положительные ионы, возникшие во время действия ионизатора, не могут долго существовать раздельно и, воссоединяясь, вновь образуют атомы или молекулы. Это явление называется рекомбинацией
.
При помещении ионизированного газа в электрическое поле на свободные заряды действуют электрические силы и они дрейфуют параллельно линиям напряжённости – электроны и отрицательные ионы к аноду
(электрод некоторого прибора, присоединённый к положительному полюсу источника питания), положительные ионы – к катоду
(электрод некоторого прибора, присоединённый к отрицательному полюсу источника тока). На электродах ионы превращаются в нейтральные атомы, отдавая или принимая электроны, тем самым замыкая цепь. В газе возникает электрический ток. Электрический ток в газах называется газовым разрядом
. Таким образом, проводимость газов имеет электронно-ионный характер
.
Несамостоятельный и самостоятельный газовые разряды.
Соберём электрическую цепь, содержащую источник тока, вольтметр , амперметр и две металлические пластины, разделённые воздушным промежутком.
Если поместить вблизи воздушного промежутка ионизатор , то в цепи возникнет электрический ток, исчезающий с действием ионизатора.
Электрический ток в газе с несамостоятельной проводимостью называется несамостоятельным газовым разрядом
. График зависимости разрядного тока от разности потенциалов между электродами – вольтамперная характеристика газового разряда:
ОА – участок на котором соблюдается закон Ома. Только часть заряженных частиц доходит до электродов, частьрекомбинирует;
АВ – пропорциональность закона Ома нарушается и, начиная с ток не изменяется. Наибольшую силу тока, возможную при данном ионизаторе называют током насыщения
;
ВС –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
).
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.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2.5
«Изучение газового разряда с помощью тиратрона»
Цель работы
: изучить процессы, протекающие в газах при несамостоятельном и самостоятельном разряде в газах, изучить принцип работы тиратрона, построить вольт-амперную и пусковую характеристики тиратрона.
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Ионизация газов. Несамостоятельный и самостоятельный газовый разряд
Атомы и молекулы газов в обычных повседневных условиях электронейтральны, т.е. не содержат свободных носителей заряда, а значит, подобно вакуумному промежутку не должны проводить электричество. В действительности газы всегда содержат некоторое количество свободных электронов, положительных и отрицательных ионов и поэтому, хотя и плохо, но проводят эл. ток.
Свободные носители заряда в газе обычно образуются в результате вырывания электронов из электронной оболочки атомов газа, т.е. в результате ионизации
газа. Ионизация газа является результатом внешнего энергетического воздействия: нагревания, бомбардировки частицами (электронами, ионами, т.п.), электромагнитного облучения (ультрафиолетового, рентгеновского, радиоактивного, т.п.). При этом газ, находящийся между электродами, проводит электрический ток, что называется газовым разрядом
. Мощностью
ионизирующего фактора (ионизатора
) называется число пар противоположно заряженных носителей заряда, возникающих в результате ионизации в единице объема газа в единицу времени. Наряду с процессом ионизации идет и обратный процесс – рекомбинация
: взаимодействие противоположно заряженных частиц, в результате которого появляются электронейтральные атомы или молекулы и излучаются электромагнитные волны. Если для электропроводности газа необходимо наличие внешнего ионизатора, то такой разряд называется несамостоятельным
. Если же приложенное электрическое поле (ЭП) достаточно велико, то количество свободных носителей заряда, образующихся в результате ударной ионизации за счет внешнего поля, оказывается достаточным для поддержания электрического разряда. Такой разряд не нуждается во внешнем ионизаторе и называется самостоятельным
.
Рассмотрим вольт-амперную характеристику (ВАХ) газового разряда в газе, находящемся между электродами (рис. 1).
При несамостоятельном газовом разряде в области слабых ЭП (I) количество зарядов, образующихся в результате ионизации, равно количеству рекомбинирующих между собой зарядов. Благодаря этому динамическому равновесию концентрация свободных носителей заряда в газе остается практически постоянной и, как следствие, выполняется закон Ома
(1):
где Е
– напряженность электрического поля; n
– концентрация; j
– плотность тока.
и 
( 
) – соответственно подвижности положительных и отрицательных носителей заряда; <υ
> – дрейфовая скорость направленного движения заряда.
В области высоких ЭП (II) наблюдается насыщение тока в газе (I), так как все носители, создаваемые ионизатором, участвуют в направленном дрейфе, в создании тока.
При дальнейшем росте поля (III) носители заряда (электроны и ионы), двигаясь ускоренно, ионизируют нейтральные атомы и молекулы газа (ударная ионизация
), в результате чего образуются дополнительные носители заряда и формируется электронная лавина
(электроны легче ионов и значительно ускоряются в ЭП) – плотность тока растет (газовое усиление
). При выключении внешнего ионизатора вследствие процессов рекомбинации газовый разряд прекратится.
В результате этих процессов образуются потоки электронов, ионов и фотонов, количество частиц нарастает лавинообразно, идет резкий рост тока практически без усиления ЭП между электродами. Возникает самостоятельный газовый разряд
. Переход от несостоятельного газового разряда к самостоятельному называется эл. пробоем
, а величина напряжения между электродами 
, где d
– расстояние между электродами, называется напряжением пробоя
.
Для эл. пробоя необходимо, чтобы электроны на длине своего пробега успевали набрать кинетическую энергию, превышающую потенциал ионизации молекул газа, а с другой стороны, чтобы положительные ионы на длине своего пробега успевали приобрести кинетическую энергию больше работы выхода из материала катода. Так как длина свободного пробега зависит от конфигурации электродов, расстояния между ними d и количества частиц в единице объема (а, следовательно, от давления), то управлять зажиганием самостоятельного разряда можно как меняя расстояние между электродами d
при их неизменной конфигурации, так и изменяя давление P
. Если произведение Pd
окажется одинаковым при прочих равных условиях, то и характер наблюдаемого пробоя должен быть один и тот же. Указанный вывод нашел отражение в экспериментальном закон
е (1889г.) нем. физика Ф. Пашена
(1865–1947):
Напряжение зажигания газового разряда для данного значения произведения давления газа на расстояние между электродами Pd есть величина постоянная, характерная для данного газа
.
Различают несколько видов самостоятельного разряда.
Тлеющий разряд
возникает при низких давлениях. Если к электродам, впаянным в стеклянную трубку длиной 30–50см, приложить постоянное напряжение в несколько сотен вольт, постепенно откачивая воздух из трубки, то при давлении 5,3-6,7 кПа возникает разряд в виде светящегося извилистого шнура красноватого цвета, идущего от катода к аноду. При дальнейшем понижении давления шнур утолщается, и при давлении » 13 Па разряд имеет вид, схематически изображенный на рис. 2.
Непосредственно к катоду прилагается тонкий светящийся слой 1 – катодная плёнка
, затем следует 2 – катодное тёмное пространство
, переходящее в дальнейшем в светящийся слой 3 – тлеющее свечение
, имеющее резкую границу со стороны катода, постепенно исчезающую со стороны анода. Слои 1-3 образуют катодную часть тлеющего разряда. За тлеющим свечением идет фарадеево тёмное пространство –
4. Вся остальная часть трубки заполнена светящемся газом – положительный столб —
5.
Потенциал изменяется вдоль трубки неравномерно (см. рис. 2). Почти все падение напряжения приходится на первые участки разряда, включая темное катодное пространство.
Основные процессы, необходимые для поддержания разряда происходят в его катодной части:
1)
положительные ионы, ускоренные катодным падением потенциала бомбардируют катод и выбивают из него электроны;
2)
электроны ускоряются в катодной части и набирают достаточную энергию и ионизируют молекулы газа. Образуется много электронов и положительных ионов. В области тлеющего свечения идет интенсивная рекомбинация электронов и ионов, выделяется энергия, часть которой идет на дополнительную ионизацию. Проникшие в фарадеево темное пространство электроны постепенно накапливают энергию, так что возникают условия необходимые для существования плазмы (высокая степень ионизации газа). Положительный столб представляет собой газоразрядную плазму. Он выполняет роль проводника, соединяющего анод с катодными частями. Свечение положительного столба вызвано в основном переходами возбужденных молекул в основное состояние. Молекулы разных газов испускают при таких переходах излучение разной длины волны. Поэтому свечение столба имеет характерный для каждого газа цвет. Это используется для изготовления светящихся трубок. Неоновые трубки дают красное свечение, аргоновые – синевато-зеленое.
Дуговой разряд
наблюдается при нормальном и повышенном давлении. При этом ток достигает десятков и сотен ампер, а напряжение на газовом промежутке падает до нескольких десятков вольт. Такой разряд можно получить от источника низкого напряжения, если предварительно сблизить электроды до их соприкосновения. В месте контакта электроды сильно разогреваются за счет джоулева тепла и после их удаления друг от друга катод становится источником электронов за счет термоэлектронной эмиссии. Основными процессами, поддерживающими разряд, являются термоэлектронная эмиссия из катода и термическая ионизация молекул, обусловленная высокой температурой газа в межэлектродном промежутке. Почти все межэлектродное пространство заполнено высокотемпературной плазмой. Она служит проводником, по которому электроны, испущенные катодом, достигают анода. Температура плазмы составляет ~6000 К. Высокая температура катода поддерживается за счет его бомбардировки положительными ионами. В свою очередь, анод под действием быстрых электронов, налетающих на него из газового промежутка, разогревается сильнее и может даже плавиться и на его поверхности образуется углубление – кратер – самое яркое место дуги.. Электрическая дуга
впервые была получена в 1802г. русским физиком В.Петровым (1761–1834), который в качестве электродов использовал два куска угля. Раскаленные угольные электроды давали ослепительное свечение, а между ними возникал яркий столб светящегося газа – электрическая дуга. Дуговой разряд используется в качестве источника яркого света в прожекторах проекционных установках, а также для резки и сварки металлов. Существует дуговой разряд с холодным катодом. Электроны появляются за счет автоэлектронной эмиссии с катода, температура газа невелика. Ионизация молекул происходит за счет электронных ударов. Между катодом и анодом возникает газоразрядная плазма.
Искровой разряд
возникает между двумя электродами при большой напряженности ЭП между ними 
. Между электродами проскакивает искра, имеющая вид ярко светящегося канала, соединяющая оба электрода. Газ вблизи искры нагревается до высокой температуры, возникает перепад давлений, что приводит к возникновению звуковых волн, характерный треск.
Возникновению искры предшествует образование в газе электронных лавин. Родоначальником каждой лавины служит электрон, разгоняющийся в сильном ЭП и производящий ионизацию молекул. Образовавшиеся электроны в свою очередь разгоняются и производят следующую ионизацию, происходит лавинное нарастание количества электронов – лавина.
Образующиеся положительные ионы не играют существенной роли, т.к. они малоподвижны. Электронные лавины пересекаются и образуются проводящий канал стример,
по которому от катода к аноду устремляются электроны – происходит пробой.
Примером мощного искрового разряда может служить молния. Разные части грозового облака несут заряды различных знаков («–» обращен к Земле). Поэтому если облака сближаются разноименно заряженными частями, между ними возникает искровой пробой. Разность потенциалов между заряженным облаком и Землей ~10 8 B.
Искровой разряд применяется для инициирования взрывов и процессов горения (свечи в двигателях внутреннего сгорания), для регистрации заряженных частиц в искровых счетчиках, для обработки поверхности металлов и т.п.
Коронный (коронарный) разряд
возникает между электродами, имеющимися разную кривизну (один из электродов тонкая проволока или острие). При коронном разряде ионизация и возбуждение молекул происходит не во всем межэлектродном пространстве, а вблизи острия, где напряженность велика и превышает Е
пробоя. В этой части газ светится, свечение имеет вид короны, окружающей электрод.
Плазма и ее свойства
Плазмой
называется сильно ионизованный газ, в котором концентрация положительных и отрицательных зарядов практически одинакова. Различают высокотемпературную плазму
, возникающую при сверхвысоких температурах, и газоразрядную плазму
, возникающую при газовом разряде.
Плазма обладает следующими свойствами:
Высокой степенью ионизации, в пределе – полной ионизацией (все электроны отделены от ядер);
Концентрация положительных и отрицательных частиц в плазме практически одинаково;
большой электропроводностью;
Свечением;
Сильным взаимодействием с электрическими и магнитными полями;
Колебаниями электронов в плазме с большой частотой (»10 8 Гц), вызывающими общую вибрацию плазмы;
Одновременным взаимодействием огромного числа частиц.
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.
Газовый разряд – процесс прохождения тока через газ. Газовый разряд происходит под действием ионизатора. Но и без него он тоже может происходить.
Существует два типа разрядов: самостоятельный
и несамостоятельный
. Рассмотрим следующий прибор.
Стеклянная трубка с катодом и анодом.
Несамостоятельный разряд
С помощью некоторого ионизатора в газе в каждую единицу времени образуется определенное число заряженных частиц: положительных ионов и электронов. При небольшой разности потенциалов между электродами, в трубке возникнет электрический ток.
Положительно заряженные ионы начнут двигаться к положительно заряженному электрону, а отрицательно заряженные ионы и электроны – к положительно заряженному электроду. Так как возникает электрический ток, следовательно, возникает и газовый разряд.
Мы уже знаем, что не все ионы будут достигать электродов, некоторые из них будут рекомбинироваться, то есть образовывать в результате соединения нейтральные молекулы. Чем сильнее будет разность потенциалов, тем большее количество ионов будет достигать электродов, и тем меньшее количество ионов будут рекомбинироваться.
При этом будет возрастать сила тока в цепи. С течение времени наступит момент насыщения, когда все появляющиеся ионы будут достигать электродов. Дальнейший рост силы тока становится невозможным.
Если в этом опыте прекратить в любой момент действие ионизатора, то ток тоже прекратится, так как он зависит от ионизатора. По этой причине данный вид разряда называют несамостоятельным разрядом.
Самостоятельный разряд
Попробуем теперь продолжать увеличивать напряжение. По идее сила тока не должна увеличиваться. Но в газах в таком случае, начиная с некоторого момента, сила тока снова увеличится.
Следовательно, в газе появились какие-то новые проводники тока, которые образуются помимо тех, что появляются под действием ионизатора. Увеличение силы тока может быть очень большим, а число ионов, которые будут возникать в процессе разряда, может стать таким большим, что действие внешнего ионизатора больше не потребуется.
В этом случае, если убрать внешний ионизатор, то заряд не прекратится, так как он больше не будет зависеть от ионизатора. Такой разряд называют самостоятельным газовым разрядом.
