Электрический ток в газах
Содержание
Прохождение тока в газовой среде часто называют электрическим разрядом. Существует множество видов такого разряда. Физика явления связана с условиями, определяющими исходное состояние вещества, а также с внешними воздействиями, такими как материал и расположение электродов, параметры электрического поля, возникающего в газе и окружающем пространстве.
Факторы, влияющие на ток в газе
В обычном состоянии при комнатной температуре газ является диэлектриком. Для появления в нем свободных заряженных частиц — электронов и ионов, а также для организации их направленного движения необходим ряд условий:
- Наличие напряжения между электродами. Рост напряженности электрического поля увеличивает количество заряженных частиц, что приводит к образованию различного вида электрических разрядов.
- Материал электродов, их форма и расстояние между ними могут существенно влиять на возникновение, ход и протекание электрического тока в газах.
- Химический состав газа, его давление, температура и их изменения приводят к различным видам электрических разрядов в газовой среде.
Как в газе появляются заряженные частицы
Электрический ток в газах способен вызывать несамостоятельный и самостоятельный разряды. Сам ток начинает существовать, когда появляется направленное движение заряженных частиц. Носителями электрических зарядов в газе являются свободные электроны, положительно и отрицательно заряженные ионы — молекулы вещества, потерявшие или приобретшие электроны в результате межатомных столкновений. Под действием электрического поля их хаотичное перемещение становится упорядоченным движением, в результате в газовом межэлектродном пространстве возникает ток.
Расщепление электрически нейтральных молекул может происходить под действием внешнего излучения (теплового, рентгеновского). В этом случае электропроводимость называется несамостоятельной. Часть свободных электронов, не имея достаточной кинетической энергии, попадает в поле ионов, из-за чего атом переходит в нейтральное состояние. Происходит процесс рекомбинации.
При установившемся потоке ионизирующего излучения (теплового, светового, рентгеновского и других) количество распадающихся и комбинирующихся атомов будет равным, а ток, возникающий в газовой среде, достигнет насыщения. При исчезновении ионизатора ток прекращается.
Образование заряженных частиц в газовой среде под влиянием электрического поля называют собственной проводимостью, а газовый разряд, возникающий при этом, является самостоятельным.
Следовательно, самостоятельный и несамостоятельный разряд не связаны с определенным носителем заряда. Они отличаются тем, что возникают при разных условиях. Существование несамостоятельного разряда связано с внешними ионизаторами, а самостоятельный происходит при отсутствии таких.
Возможность полной оценки механизма протекания тока в газовой среде предоставляет вольтамперная характеристика (ВАХ).
Ионизация газа
Протекание тока в газовой среде, как и в любой другой, требует наличия свободных частиц с зарядом. В газе при обычных условиях таких частиц нет, поэтому их следует создать искусственно. Для этого используется ионизация — расщепление нейтрально заряженных молекул на электроны и ионы. Ионизировать газ, чтобы увеличить степень его проводимости, можно несколькими способами.
Ударная ионизация
Под действием электрического поля ионы и свободные электроны начинают двигаться с разными скоростями. Сталкиваясь с молекулами газа, они меняют их энергетическое состояние, поскольку при соударении должны выполняться законы сохранения энергии и импульса. Возбужденные молекулы, возвращаясь в нейтральное состояние, испускают фотон. Газ начинает светиться. Если энергии столкновения недостаточно для перехода в нейтральное состояние, молекула будет ионизированной до следующего столкновения.
С ростом напряженности электрического поля количество заряженных частиц нарастает, поэтому увеличивается электропроводность газов. В ионизации начинают участвовать электроды и возникающие фотоны.
Электроды — источники свободных электронов
Поверхность металлических электродов является активным эмитентом заряженных частиц в процессе ионизации газа. В основном рассматриваются 3 способа образования свободных электронов:
- автоэлектронная эмиссия вырывает их при достаточной напряженности электрического поля вблизи электрода;
- вторичная эмиссия — испускание электронов возникает при бомбардировке поверхности электродов заряженными частицами;
- при термоэлектронной эмиссии электроны покидают нагретые поверхности электродов.
Свойства ионизированного газа существенно зависят от материала электродов.
Фотоионизация
Возникающие при ударной ионизации фотоны не все уходят в свечение. Значительная часть их, в зависимости от химического состава газа, обладает достаточной энергией, чтобы стать ионизаторами для молекул. Они обеспечивают внутренний источник фотоионизации.
Особенности плазмы
Если электрический ток в газах создается за счет большой плотности заряженных частиц, то газ превращается в плазму. Для ее стабильного состояния необходимо, чтобы ионизация атомов количественно превосходила рекомбинацию. Это происходит в основном за счет ударной ионизации.
У ионов масса намного больше, чем у электронов, и они двигаются значительно медленнее, чем электроны. Поэтому электрический ток обеспечивают в плазмах именно электроны.
При степени ионизации менее 1% газоразрядная плазма называется слабо ионизированной, если ионизация составляет несколько процентов — частично ионизированной и при почти 100 % — полностью ионизированной. Однако, в элементарном объеме газа суммарный заряд, состоящий из заряженных ионов и свободных электронов равен 0.
Плазма может быть низкотемпературной с Т не выше 105 К и высокотемпературной — с Т >106–107 К. Обладая способностью проводить электрический ток в этом состоянии газ взаимодействует с электрическим полем и сам может быть генератором электромагнитных волн.
Виды разрядов и их применение
Газовая плазма образуется в том или ином виде при любом самостоятельном прохождении электрического тока в газовой среде. В зависимости от свойств газа и других факторов, изложенных в начале статьи, различают такие виды газовых разрядов:
- тлеющий;
- дуговой;
- искровой;
- коронный.
Тлеющий разряд
Такой электрический разряд возникает при низком давлении газовой среды и высокой напряженности электрического поля. К электродам подводится постоянное или пульсирующее напряжение высокой частоты. В зависимости от химического состава газовой смеси возникает свечение различного спектра.
Излучение образуется при переходе ионов из возбужденного состояния в нормальное с выходом фотонов. Этот разряд используется в светильниках, рентгеновских трубках и газоразрядных лазерах.
Дуговой разряд
Этот вид разряда характеризуется мощной термоэлектронной ионизацией, высокой температурой и плотностью тока при низком напряжении. Давление газовой среды может быть и высоким, и низким. Электрическая дуга выделяет мощный световой поток и большое количество тепла.
Дуговой разряд используется в плавильных печах, для сварки и резки металлов, в мощных прожекторах и выпрямительных ртутных лампах с большими токами.
Искровой разряд
Характеризуется очень большими токами и коротким временем существования. Перед искрой образуется высоко ионизированный канал в газовой среде с высокой напряженностью поля при атмосферном давлении.
Пример искрового разряда — молния. Одна из сфер использования такого разряда — электроэрозионные станки для получения изделий из металла со сложным профилем поверхности. Искровой разряд применяется в свечах зажигания двигателей внутреннего сгорания.
Коронный разряд
Процесс его возникновения обусловлен высоким неоднородным электрическим напряжением. Как правило, его можно увидеть вокруг соединений высоковольтных проводов при высокой влажности воздуха.
Коронный разряд нашел практическое применение в фильтрах для очистки воздуха и копировальной технике. Но он также является основным источником потерь энергии в высоковольтных электролиниях.
Загрузка...
