Ионизация газов. Несамостоятельный разряд

Газы при не слишком высоких температу­рах и при давлениях, близких к атмосфер­ному, являются хорошими изоляторами. Если поместить в сухой атмосферный воз­дух заряженный электрометр с хорошей изоляцией, то его заряд долго остается неизменным. 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, т. е. произойдет расщепление нейтральных атомов и молекул на ионы и свободные электроны. Для этого газ надо подвергнуть действию какого-либо ионизатора (например, поднеся к заря­женному электрометру пламя свечи, наблюдаем спад его заряда; здесь электро­проводность газа вызвана нагреванием).

При ионизации газов, таким образом, под действием какого-либо ионизатора происходит вырывание из электронной оболочки атома или молекулы одного или нескольких электронов, что приводит к об­разованию свободных электронов и поло­жительных ионов. Электроны могут при­соединяться к нейтральным молекулам и атомам, превращая их в отрицательные ионы. Следовательно, в ионизованном газе имеются положительные и отрицательные ионы и свободные электроны. Прохожде­ние электрического тока через газы на­зывается газовым разрядом.

Ионизация газов может происходить под действием различных ионизаторов: сильный нагрев (столкновения быстрых молекул становятся настолько сильными, что они разбиваются на ионы), короткое электромагнитное излучение (ультрафио­летовое, рентгеновское и g-излучения), корпускулярное излучение (потоки элек­тронов, протонов, a-частиц) и т. д. Для того чтобы выбить из молекулы (атома) один электрон, необходимо затратить оп­ределенную энергию, называемую энер­гией ионизации, значения которой для атомов различных веществ лежат в преде­лах 4—25 эВ.

Одновременно с процессом ионизации газа всегда идет и обратный процесс — процесс рекомбинации: положительные и отрицательные ионы, положительные ионы и электроны, встречаясь, воссоединя­ются между собой с образованием ней­тральных атомов и молекул. Чем больше ионов возникает под действием ионизато­ра, тем интенсивнее идет и процесс ре­комбинации.

Строго говоря, электропроводность га­за нулю не равна никогда, так как в нем всегда имеются свободные заряды, обра­зующиеся в результате действия на газы излучения радиоактивных веществ, имею­щихся на поверхности Земли, а также космического излучения. Эта незначитель­ная электропроводность воздуха (интен­сивность ионизации под действием указан­ных факторов невелика) служит причиной утечки зарядов наэлектризованных тел да­же при хорошей их изоляции.

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

Рассмотрим цепь, содержащую газо­вый промежуток (рис.156), подвергаю­щийся непрерывному, постоянному по ин­тенсивности воздействию ионизатора. В результате действия ионизатора газ приобретает некоторую электропровод­ность и в цепи потечет ток, зависимость которого от приложенного напряжения да­на на рис. 157.

На участке кривой ОА сила тока 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). Это достигается в том случае, когда ионы и электроны, создаваемые внешним ионизатором за единицу времени, за это же время до­стигают электродов. В результате получа­ем ток насыщения (I _нас), значение которо­го определяется мощностью ионизатора.

Ток насыщения, таким образом, является мерой ионизирующего действия ионизато­ра. 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.

Самостоятельный разряд

Электрич. пробой газа – если прилож. напряж. превыш. напряж. зажиг. то при выключ. внеш-него ионизатора ток остается неизменным (U>U з). Самост. газ. разряд – электрич. разряд в газе обусловл. действ. эл. поля и сохраняется без внешнего ионизатора. Ударная ионизация молекул – ẽ приобретают в поле энергию в рез. неупругих столкнов. и ионизир. молекулы газа. Ŵк>Aι – условие. Потенциал ионизации моле-кул – разность потенциалов которую должен пройти ẽ в ускор. эл. поле для Ŵк=Aι. A=q ∆ φ; Aι=eφ; φ= Aι/e – потенциал ионизации.

Ŵк=eŪ; Ŵк>Aι; eŪ>eφ; Ū>φ – условие возник-новения самост. газ. разряда. Ū – ср. знач. ∆ φ.

Ū=λE; λE>φ; E=U/L; λ – длина свободного пробега ẽ в газе.

Тлеющий разряд

Возник. при низких давлен. Если к элек-тродам, впаянным в стекл. трубку длиной 30–50 см, приложить пост. U в несколько сотен вольт, постепенно откачивая воздух, то при давл. 5,3--6,7 кПа возник. разряд в виде светящ. извилист. шнура красноватого цвета, идущ. от катода к аноду. При дальн. пониж. давл. шнур утолщ. Устройство: 1)тонкий светящ. слой – катодная пленка. 2)темный слой – катодное темное пространство. 3)светящ. слой – тле-ющее свечение. Возник. из-за рекомбинации ẽ с положит. ионами. 4)фарадеево темное прос-транство. 5)столб ионизированного светящ. газа – положит. столб. В катодном темном пространстве происходит сильное ускорение ẽ и положит. ионов, выбивающих ẽ с катода (вто-ричная эмиссия). В области тлеющ. свечения происходит ударная ионизация ẽ молекул газа. Образующиеся положит. ионы устремл. к като-ду и выбивают из него новые ẽ, которые опять ионизируют газ и т. д. Тлеющий разряд исполь-зуется: в газосветных трубках для светящихся надписей и реклам, в лампах дневного света, для катодного напыления металлов.

Искровой разряд возникает при больших напряженностях эл. поля в газе при 10^3Па. Искра имеет вид изогнутого и разветвленного светящ. тонкого канала. Из-за выделения большого кол-ва энергии газ в искровом промежутке нагревается до высокой t и светится. Быстрый нагрев газа ведет к повышению давления и возникн. ударн. волн, объясняющих звуковые эффекты при искровом раз-ряде. Использ. для воспламен. горючей смеси в двигателях внутр. сгорания и предохран. эл. линий передачи от перенапряжений (искровые разрядники), применяется для электроискровой точной обработки металлов (резание, сверление). Его используют в спектральном анализе для регистрации заряж. частиц

Дуговой разряд. Возникает если после зажигания искрового раз-ряда от мощного источника постепенно уменьшать расст. между электродами. При этом I резко возрастает, достигая сотен ампер, а U на разряд-ном промежутке падает до нескольких десятков вольт. Дуговой разряд можно получить от источника низкого напряжения минуя стадию искры: электроды сближают до соприкосновения, они сильно раскаляются эл. током, потом их разводят и получают эл. дугу. При атмосферном давлении t катода = 3900 К. По мере горения дуги угольный катод заостряется, а на аноде образуется углубление – кратер – наиболее горячее место дуги. По современным представлениям, дуговой разряд поддерживается за счет высокой t катода из-за интенсивной термоэлектронной эмиссии, а также термической ионизации молекул, обуслов-ленной высокой t газа. Дуговой разряд применяется в народном хозяйстве для сварки и резки металлов, получения высококачественных сталей (дуговая печь) и освещения.

Коронный разряд. Высоковольтный эл. разряд при высоком давле-нии в резконеоднородном поле вблизи электродов с большой кривизной поверхности. Когда Е поля вблизи острия достигает 30 кВ/см, то вокруг него возникает свечение, имеющее вид короны. В зави-симости от знака коронируюшего электрода различают – или + корону. В случае – короны рожде-ние ẽ, вызывающ. ударную ионизацию молекул газа, происходит за счет эмиссии их из катода под действием + ионов, в случае + — вследствие ионизации газа вблизи анода. В естественных условиях корона возникает под влиянием атмос-ферного электричества у вершин мачт, деревьев. Вредное действие корон вокруг проводов высоко-вольтных линий передачи проявляется в возник-новении вредных токов утечки. Для их снижения провода делаются толстыми. Коронный разряд, являясь прерывистым, становится также источником радиопомех. Используется коронный разряд в электрофильтрах, применяемых для очистки промышленных газов от примесей, при нанесении порошковых и лакокрасочных покрытий.