Электрический ток в газах

Возьмем электрометр с присоединенными к нему дисками плоского конденсатора и зарядим его. При нормальных условиях в комнате, конденсатор разряжается очень медленно, почти не разряжается. Это связано с тем, что газ состоит из нейтральных атомов или молекул, т.е. свободных заряженных частиц в нем нет, следовательно, ток протечь не сможет; газ (при нормальных условиях) является диэлектриком.

Теперь нагреем воздух между обкладками конденсатора. При этом стрелка электрометра быстро приближается к нулю, значит, конденсатор разряжается.

Если конденсатор разряжается, то нагретый газ является проводником и через него может протекать электрический ток. Для того, что бы объяснить это, опять обратимся к молекулярному строению газов. При нагревании (облучении) газа, молекулы начинают двигаться быстрее, их кинетическая энергия возрастает. При этом некоторые молекулы начинают двигаться настолько быстро, что часть из них, сталкиваясь, распадается, превращаясь в положительные ионы (электрон отделяется). Также, в газе образуются и отрицательные ионы: отделившийся в результате столкновения от одной молекулы электрон притягивается другой молекулой. Процесс образования свободных электронов и ионов в газе называют ионизацией. Если поместить ионизованный газ во внешнее электрическое поле, то образуется ток. Электрический ток в газах называют электрическим разрядом.

Процесс, обратный ионизации, называется рекомбинацией частиц. Рекомбинация – это процесс образования нейтральных атомов после того, как ионизатор прекращает воздействие на газ (при сближении электрона и положительно заряженного иона, они могут вновь образовать нейтральный атом). Если же действие ионизатора постоянно, то наступает динамическое равновесие между ионизацией и рекомбинацией.

Для исследования разряда в газе при различных давлениях удобно использовать стеклянную трубку с двумя электродами. Пусть ионизация в газе происходит с помощью облучения Рентгеновскими лучами. (Участок ОА на графике ВАХ).

По мере увеличения разности потенциалов между электродами с помощью потенциометра, доля заряженных частиц, достигающих электродов, увеличивается. Возрастает и сила тока в цепи. Такой разряд называют несамостоятельным. (Участок АВ на графике ВАХ). Наконец, наступает момент, при котором все заряженные частицы, образующиеся в газе за секунду, достигают за это время электродов. При этом дальнейшего роста силы тока не происходит. Ток достигает насыщения. Если действие ионизатора прекратить, то прекратится и разряд, так как по-другому ионы образоваться не смогут.

Если продолжать увеличивать разность потенциалов на электродах, без воздействия ионизатора, в газе все равно продолжают образоваться свободные заряженные частицы. Это объясняется тем, что свободные электроны, образовавшиеся под действием ионизатора, на своем пути к аноду встречают нейтральные атомы, в результате чего происходит сталкивание. Электрон, развивший огромную скорость благодаря действию внешнего электрического поля (кинетическая энергия электрона превосходит работу, которую нужно совершить, что бы ионизировать нейтральный атом), «выбивает» электрон из нейтрального атома, т.е. происходит ионизация электронным ударом. То есть, внешний ионизатор будет уже не нужен для поддержания разряда. Такой разряд называют самостоятельным. (Участок ВС на графике ВАХ).

Виды самостоятельного разряда:

· Тлеющий разряд (например, свечение неоновой лампы)

· Коронный разряд (происходит вблизи электрода)

· Искровой разряд (например, молния, сопровождается характерным треском)

· Дуговой разряд (впервые был получен между двумя угольными электродами, имеет форму дуги)

Полностью или частично ионизированный газ называют плазмой, или четвертым агрегатным состоянием вещества. Плазма, полученная облучением газа или бомбардировкой газа быстрыми заряженными частицами, называется низкотемпературной плазмой. Свойства плазмы: Из-за большой подвижности заряженные частицы плазмы легко перемещаются под действием электрического и магнитного поля. В отличие от нейтрального (неионизированного) газа, между молекулами которого существуют короткодействующие силы, возникающие при их сталкивании, между заряженными частицами плазмы действуют кулоновские силы. Благодаря этому частицы плазмы могут участвовать в упорядоченных движениях, поэтому в плазме возникают различные колебания и волны.

Проводимость плазмы увеличивается по мере роста степени ее ионизации. При очень высоких температурах проводимость плазмы приближается к сверхпроводимости.

Примеры плазмы в реальной жизни: Вещество в люминесцентных лампах является примером плазмы, полученной в искусственных условиях. Огонь и молния – примеры плазмы в природе.