Электрический разряд в газе

Возьмем электрометр с присоединенными кнему дисками плоского конденсатора и зарядим его (рис. 1). 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.

Теперь нагреем воздух между дисками горящей спичкой (рис. 2). Заметим, что стрелка электрометра быстро приближается к нулю, зна­чит, конденсатор разряжается. Сле­довательно, нагретый газ является проводником и в нем устанавлива­ется электрический ток.

Процесс протекания электриче­ского тока через газ называют га­зовым разрядом.

Ионизация газов. Мы видели, что при комнатной температуре воз­дух очень плохой проводник. При нагревании проводимость воздуха возрастает. Увеличение проводимо­сти воздуха можно вызвать и иными способами, например действием из­лучений: ультрафиолетового, рентге­новского, радиоактивного и др.

При обычных условиях газы поч­ти полностью состоят из нейтраль­ных атомов или молекул и, следо­вательно, являются диэлектриками. Вследствие нагревания или воздей­ствия излучением часть атомов иони­зуется — распадается на положи­тельно заряженные ионы и электро­ны (рис. 3). В газе могут обра­зовываться и отрицательные ионы, которые появляются благодаря при­соединению электронов к нейтраль­ным атомам.

Ионизация газов при нагревании объясняется тем, что по мере нагре­вания молекулы движутся быстрее. При этом некоторые молекулы на­чинают двигаться так быстро, что часть из них при столкновениях распадается, превращаясь в ионы. Чем выше температура, тем больше образуется ионов.

Проводимость газов. Механизм проводимости газов похож на меха­низм проводимости растворов и рас­плавов электролитов. Разница со­стоит в том, что отрицательный заряд переносится в основном не отрицательными ионами, как в вод­ных растворах или расплавах элект­ролитов, а электронами.

Таким образом, в газах сочета­ется электронная проводимость, по­добная проводимости металлов, с ионной проводимостью, подобней проводимости водных растворов или расплавов электролитов. Существен­но еще одно различие. В растворах электролитов образование ионов про­исходит вследствие ослабления внут­римолекулярных связей под действи­ем молекул растворителя (молекул воды). В газах образование ионов происходит либо при нагревании, либо за счет действия внешних иони­заторов, например излучений.

Рекомбинация. Если ионизатор перестанет действовать, то можно заметить, что заряженный электро­метр снова будет сохранять заряд. Это показывает, что после прекра­щения действия ионизатора газ перестает быть проводником. Ток прекращается после того, как все ионы и электроны достигнут элект­родов. Кроме того, при сближении электрона и положительно заряжен­ного иона они могут вновь образовать нейтральный атом. Схемати­чески это изображено на рисун­ке 4. Такой процесс называют ре­комбинацией заряженных частиц.

В отсутствие внешнего поля за­ряженные частицы исчезают только вследствие рекомбинации и газ ста­новится диэлектриком. Если дейст­вие ионизатора неизменно, то уста­навливается динамическое равнове­сие, при котором число вновь обра­зующихся пар заряженных частиц равно среднему числу пар, исчезающих вследствие рекомбинации.

При комнатных температурах га­зы являются диэлектриками. Нагре­вание газа или облучение ультра­фиолетом, рентгеновскими и други­ми лучами вызывает ионизацию атомов или молекул газа. Газ ста­новится проводником.

Рис№1 Рис№2

Рис№3 Рис№4

НЕСАМОСТОЯТЕЛЬНЫЙ И САМОСТОЯТЕЛЬНЫЙ РАЗРЯДЫ

Разряд в газе может происходить и без внешнего ионизатора. Разряд способен поддерживать сам себя. Почему это возможно?

Несамостоятельный разряд. Для исследования разряда в газе при различных давлениях удобно исполь­зовать стеклянную трубку с двумя электродами (рис. 1).

Пусть с помощью какого-либо ионизатора в газе образуется в се­кунду определенное число пар заря­женных частиц: положительных ионов и электронов.

При небольшой разности потен­циалов между электродами трубки, положительно заряженные ионы пе­ремещаются к отрицательному элект­роду, а электроны и отрицательно заряженные ионы к положитель­ному электроду. В результате в труб­ке возникает электрический ток, т. е. происходит газовый разряд.

Не все образующиеся ионы дости­гают электродов; часть их воссоеди­няется с электронами, образуя нейт­ральные молекулы газа. По мере увеличения разности потенциалов между электродами трубки доля за­ряженных частиц, достигающих электродов, увеличивается. Возрас­тает, и сила тока в цепи. Наконец, наступает момент, при котором все заряженные частицы, образующиеся в газе за секунду, достигают за это время электродов. При этом даль­нейшего роста тока не происходит (рис. 2). Ток, как говорят, дости­гает насыщения. Если действие иони­затора прекратить, то прекратится и разряд, так как других источников ионов нет. По этой причине разряд называют несамостоятельным раз­рядом.

Самостоятельный разряд. Что бу­дет происходить с разрядом в газе, если продолжать увеличивать раз­ность потенциалов на электродах?

Казалось бы, что сила тока и при дальнейшем увеличении разно­сти потенциалов должна оставаться неизменной. Однако опыт показыва­ет, что в газах при увеличении раз­ности потенциалов между электро­дами, начиная с некоторого значе­ния, сила тока снова возрастает (рис. 3). 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 ионов, возникающих в процессе разряда, может стать таким большим, что внешний иони­затор будет уже не нужен для под­держания разряда. Если убрать внешний ионизатор, то разряд не прекратится. Так как разряд не нуждается для своего поддержания во внешнем ионизаторе, его назы­вают самостоятельным разрядом.

Ионизация электронным ударом. Каковы же причины резкого увели­чения силы тока в газе 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 ноля. Чем больше разность потен­циалов между электродами, тем больше напряженность электриче­ского поля.

Кинетическая энергия электрона перед очередным столкновением про­порциональна напряженности поля и длине l свободного пробега элект­рона (пути между двумя последова­тельными столкновениями):

(1)

Если кинетическая энергия элект­рона превосходит работу A₁, которую нужно совершить, чтобы ионизовать нейтральный атом, т.е.

то при столкновении электрона с атомом происходит ионизация (рис. 4). В результате вместо одного свободного электрона оказываются два (налетающий на атом и вырван­ный из атома). (Эти электроны, в свою очередь, получают энергию в поле и ионизуют встречные атомы и т. д. Вследствие этого число за­ряженных частиц резко возрастает, возникает электронная лавина. Опи­санный процесс называют иониза­ция электронным ударом. Но одна ионизация электронным ударом не может обеспечить длительный само­стоятельный разряд. Действительно, ведь все возникающие таким обра­зом электроны движутся по направ­лению к аноду и по достижении анода «выбывают из игры». Для существования разряда необходима эмиссия электронов с катода (эмис­сия означает испускание). Эмиссия электронов может быть обусловлена несколькими причинами. Положи­тельные ионы, образовавшиеся при столкновении свободных 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 последнего выбиваются элект­роны.

Кроме того, катод может испус­кать электроны при нагревании до высокой температуры (термоэлект­ронная эмиссия). При самостоятельном разряде нагрев катода может происходить за счет бом­бардировки его положительными ионами.

В газах при больших напряжен-ностях электрических полей электро­ны достигают таких больших энер­гий, что начинается ионизация элект­ронным ударом.

Разряд становится самостоятель­ным и продолжается без внешнего ионизатора.

Рис№1 Рис№2

Рис№3 Рис№4

РАЗЛИЧНЫЕ ТИПЫ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО РАЗРЯДА И ИХ ТЕХНИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

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

Тлеющий разряд. При низких давлениях (десятые и сотые доли 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 (рис.1).

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 разряд получил в сравнительно не­давно созданных 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 (рис. 2). 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 50 В.

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-за 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.

Электрическая дуга может возни­кать не только между угольными, но и между металлическими элект­родами.

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 (рис. 3), проекционных ап­паратах и киноаппаратах.

В металлургии широко применя­ют электропечи, в которых источни­ком теплоты служит дуговой разряд. Дуговой разряд используют также для сварки металлов (рис.4).

Другие типы самостоятельного разряда. При атмосферном давлении вблизи заостренных участков про­водника, несущего большой электри­ческий заряд, наблюдается газовый разряд, светящаяся область кото­рого напоминает корону (рис. 5). Этот разряд, называемый коронным, вызывается высокой (около Зx10⁶ 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 наблюдаются 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 явления становятся альпинис­ты. Иногда не только металличе­ские предметы, но даже 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 (рис. 6). Этот вид разряда возни­кает тогда, когда мощность источни­ка тока недостаточна для поддержа­ния дугового или тлеющего разряда. Пример гигантского искрового раз­ряда—молния (см. рис. 7). Мол­нии возникают либо между двумя облаками, либо между облаком и Землей. Сила тока в молнии дости­гает 500 000 А, а разность потен­циалов между облаком и Землей — 1 млрд. В.

На рисунке 8 показано свече­ние верхних, слоев атмосферы, бом­бардируемых заряженными космиче­скими частицами (полярное сияние).

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

Рис№1 Рис№2

Рис№3

Рис№4

Рис№5

Рис№6

Рис№8

Рис№7

ПЛАЗМА

Сейчас вы познакомитесь с чет­вертым состоянием вещества — плаз­мой. Это состояние не является экзо­тическим. Подавляющая часть ве­щества Вселенной находится в со­стоянии плазмы.

При очень низких температурах все вещества находятся в твердом состоянии. Нагревание вызывает пе­реход вещества из твердого состоя­ния в жидкое. Дальнейшее повы­шение температуры приводит к пре­вращению жидкости в газ.

При достаточно больших темпе­ратурах начинается ионизация газа за счет столкновений быстро дви­жущихся атомов или молекул. Ве­щество переходит в новое состояние, называемое плазмой. Плазма — это частично или полностью ионизован­ный газ, в котором плотности поло­жительных и отрицательных зарядов практически совпадают. Таким обра­зом, плазма в целом является элект­рически нейтральной системой. В зависимости от условий степень иони­зации плазмы (отношение числа ионизованных атомов к их полному числу) может быть различной. В полностью ионизованной плазме нейт­ральных атомов нет.

Наряду с нагреванием ионизация газа и образование плазмы могут быть вызваны различными излуче­ниями или бомбардировкой атомов газа быстрыми заряженными части­цами. При этом получается так назы­ваемая низкотемпературная плазма.

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

Из-за большой подвижности за­ряженные 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 медленно убывающие с расстоянием. Каждая частица взаи­модействует сразу с большим коли­чеством окружающих частиц. Благодаря этому наряду с беспорядочным (тепловым) движением частицы плазмы могут участвовать в разно­образных упорядоченных (коллектив­ных) 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.

Плазма в космическом простран­стве. В состоянии плазмы находится подавляющая (около 99%) часть ве­щества Вселенной. Вследствие высо­кой температуры Солнце и другие звезды состоят в основном из полно­стью ионизованной плазмы.

Из плазмы состоит и межзвезд­ная среда, заполняющая простран­ство между звездами и галактиками. Плотность межзвездной среды очень мала -в среднем менее одного ато­ма на 1 см³. Ионизация атомов меж­звездной среды вызывается 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.

Плазмой окружена наша плане­та. Верхний слой атмосферы на высоте 100—300 км представляет собой ионизованный газ — ионосфе­ру. Ионизация воздуха верхних слоев атмосферы вызывается преимущест­венно излучением Солнца и потоком заряженных частиц, испускаемых Солнцем. Выше ионосферы прости­раются радиационные пояса Земли, открытые с помощью спутников. Ра­диационные пояса также состоят из плазмы.

Многими свойствами плазмы об­ладают свободные электроны в ме­таллах. В отличие от обычной плаз­мы в плазме твердых тел положи­тельные ионы не могут перемещаться по всему телу.

Практическое применение плаз­мы. Плазма возникает при всех ви­дах разряда в газах: тлеющем, дуго­вом, искровом и т. д.

В светящихся трубках для рек­ламных надписей и в лампах дневного света используют плазму поло­жительного столба тлеющего разря­да. В лампах дневного света проис­ходит разряд в парах ртути. Стек­лянную трубку покрывают специаль­ным составом — люминофором, ко­торый под действием излучения плаз­мы сам начинает светиться. Люми­нофор подбирают таким, чтобы его свечение было близко по составу к Полому свету.

Газоразрядную плазму использу­ют во многих приборах, например и газовых лазерах— квантовых ис­точниках света. Лазеры наиболее мощные источники света. С ними вы познакомитесь в XI классе.

Горячая струя плазмы, движу­щейся в магнитном поле, применя­ется в магнитогидродинамических генераторах (МГД).

Для космических кораблей перспективно применение маломощных плазменных двигателей.

Сравнительно недавно был создан новый прибор — плазмотрон. В плаз­мотроне создаются мощные струи плотной плазмы, широко применяе­мые в различных областях техники: для резки и сварки металлов, буре­ния скважин в твердых породах и т.д. (рис. 1). В плазменной струе ускоряются многие химические реакции, а также могут происходить такие реакции, которые в обычных условиях не наблюдаются.

Наиболее значительные перспек­тивы физики видят в применении высокотемпературной плазмы (с тем­пературой в десятки миллионов гра­дусов) для создания управляемых термоядерных реакций.

В настоящее время ведутся ин­тенсивные исследования по осущест­влению термоядерных реакций, со­провождающихся выделением ог­ромной энергии. Решение этой гран­диозной задачи даст в руки чело­вечества практически неисчерпаемый источник энергии.

Частично или полностью ионизо­ванный газ называют плазмой. Звез­ды состоят из плазмы. Расширяется техническое применение плазмы: МГД-генераторы, плазмотроны, уп­равляемые термоядерные реакции и др.

Рис№1