§11. Ток в газах.

1 . Несамостоятельный газовый разряд. Если в газе нет ионизатора, то молекулы газа нейтральны. В этом случае газ  хороший изолятор, он не проводит постоянный электрический ток.

Атмосферный воздух, строго говоря, под действием космического излучения и излучения земной коры всегда ионизирован. Но равновесная концентрация ионов в чистом атмосферном воздухе у Земли не превышает 1000 пар на 1 кубический сантиметр. Поэтому их ток практически незаметен. Если в цепь постоянного тока включить воздушный конденсатор (рис.64), то даже при площади пластин S = 1 м² и при напряженности Е = 100 В/м ток не превышает 10^11 А. Обычный токовый гальванометр показывает нуль.

Если в воздушный промежуток внести ионизатор  пламя, рентгеновскую или ультрафиолетовую лампу, радиоактивный препарат, то некоторые молекулы газа будут терять, как правило, один электрон, который быстро присоединится к нейтральным молекулам. В результате возникают практически одинаковые по массе и подвижности ионы с противоположными зарядами е ₊ и е_ . Концентрация ионов возрастает, возрастает и ток.

Электрическую проводимость атмосферного воздуха открыл Ш.Кулон в 1785г по уменьшению заряда на заряженных телах. Тела постепенно разряжались. Поэтому наряду с выражением «ток в газах» широко используется исторический синоним «газовый разряд».

В ольтамперная характеристика несамостоятельного (то есть существующего только при наличии внешнего ионизатора) газового разряда показана на рис.65.

На отрезке 0-1 ток подчиняется закону Ома

(11.1)

Здесь n  число пар ионов в единице объема газа, е  положительный заряд, b₊  подвижность положительных ионов, b_  подвижность отрицательных ионов, отрицательное число.

Увеличение на участке 0-1 тока i с ростом напряженности Е обусловлено увеличением числа ионов, разряжающихся на электродах, по сравнению с числом ионов, рекомбинирующих в объеме.

Отрезок 2-3 соответствует току насыщения. Здесь все образующиеся ионы уходят к электродам и разряжаются там.

Если убрать источник ионизации, число ионов резко сокращается, ток падает практически до нуля, а заряженные тела долго сохраняют свой заряд.

Как показывает опыт, подвижности отрицательных ионов большинства газов больше, чем подвижность положительных ионов (таблица 11.1 p = 1 атм., t 18С)

Таблица 11.1
Газ
Водород Н2 Кислород О2 Азот N2 Аргон Аr Оксид углерода СО2 Хлор Cl2 Водяной пар Н2О при 100C	5,91 1,29 1,27 1,37 1,10 0,65 0,62	8,26 1,89 1,84 1,70 1,14 0,51 0,51

Э

Это обясняется, что вырванный из атома при его ионизации электрон какое-то время до «прилипания» к нейтральной молекуле остается свободным. Его высокая подвижность и

то объясняется тем, что вырванный из атома электрон какое-то время до «прилипания» к нейтральной молекуле остается свободным. Его высокая подвижность увеличивает среднюю подвижность отрицательных ионов.

Если ионизация молекул газа поддерживается за счет энергии самого разряда, то электрический ток в газе существует и в отсутствии внешнего ионизатора. Это ток называемый самостоятельный разряд. Различают 4 вида самостоятельных разрядов: тлеющий, искровой, дуговой, коронный.

2.Тлеющий разряд это самостоятельный бесшумный разряд в разряженных газах, сопровождающийся слабым видимым свечением.

П усть внутри стеклянной трубки с воздухом, из которой его можно откачивать, имеются два электрода (рис.66 вверху). Допустим, расстояние между электродами l = 0,5 м, к ним приложено постоянное напряжение U = 2000 В. При атмосферном давлении ток ничтожно мал, напряженность поля внутри трубки везде одинакова и равна E =Ul.

Если   длина свободного пробега молекул и ионов, то энергия W, приобретаемая ионом в электрическом поле Е на отрезке , равна еЕ, где е заряд иона.

При нормальном атмосферном давлении (р = 760 ммHg) 10^7м, и Дж.

Энергию ионов удобнее измерять не в джоулях, а в электронвольтах. Один электронвольт (эВ)  это энергия, которую приобретает однозарядный ион (или электрон), пройдя отрезок с разностью потенциалов 1В, 1эВ= Кл В= Дж

Энергия иона в нашем примере, выраженная в электронвольтах, составляет эВ.

Если из трубки откачивать газ, то длина свободного пробега ионов будет увеличиваться, будет расти и энергия ионов. При давлении 55 мм Hg вдоль трубки возникает светящийся «шнур». При давлении около 1 мм Hg свечение газа заполняет всю трубку.

Таблица 11.2
Газ	Энергия ионизации, эВ
Кислород О2 Азот N2 Аргон Аr Неон Ne Водород Н2 Вода Н2О	12,1 15,6 15,8 21,6 15,4 12,6

Длина свободного пробега , а значит и энергия ионов при р =1 мм Hg примерно на 3 порядка больше, чем при атмосферном давлении и приближается к 0,5 эВ. Как видно из таблицы 11.2, в которой приведены значения энергии ионизации молекул разных газов, этой энергии ионов недостаточно для ионизации молекул газа и для поддержания самостоятельного разряда.

Опыт и теория показывают, что основную роль в запуске процесса генерации зарядов в газовом разряде играют свободные электроны. Можно выделить три механизма рождения зарядов в тлеющем разряде

а. Ионизация молекул газа свободными электронами. Из-за внешних ионизирующих факторов (космическое и радиоактивное излучение и др.) в газе постоянно выбивается из молекул какое-то количество свободных электронов. Если нет электрического поля, то свободные электроны почти мгновенно прилипают к молекулам. Но когда электрическое поле есть, электроны ускоряются в нем, и условия прилипания ухудшаются. Чем больше напряженность поля Е, тем больше время свободного состояния электронов. По сравнению с молекулами длина свободного пробега электронов много больше. Поэтому они очень быстро приобретают энергию, достаточную для ионизации молекул газа.

В результате каждого акта столкновения электрона с молекулой рождается пара: положительный ион + свободный электрон. Образовавшейся электрон включается в процесс ионизации. В результате развивается электронная лавина.

б. Эмиссия электронов из катодов под ударами положительных ионов. Существующее между электронами электрическое поле облегчает выход электронов из катода. Поэтому при р 1 ммHg положительные ионы, ударившиеся о катод, в состоянии выбивать из него электроны. В результате с поверхности в целом холодного катода зарождается поток электронов, устремляющихся к аноду и интенсивно ионизирующий газ.

в. Эмиссия электронов с катодов под действием света. При интенсивной ионизации газа нарастает обратный процесс  рекомбинация. В результате слияния ионов разных знаков возникают нейтральные атомы и молекулы. Избыточная энергия выделяется при этом в виде фотонов, газ светится. Падая на поверхность катода, фотоны вырывают электроны (фотоэлектроны), добавляющиеся к потоку электронов от ударной эмиссии.

Структура тлеющего разряда сложная. Двигаясь от катода к аноду, можно выделить такие области: (рис.66 вверху) 1- темное астоново пространство (Ф.Астон, 1909). Его толщина десятые доли миллиметра. Здесь электроны разгоняются до энергии ионизации; 2 - светильный катодный слой. Здесь атомы возбуждаются электронами, но еще не ионизируемы; 3 - темное катодное пространство. Здесь начинается ионизация атомов и молекул и нарастание электронных лавин. Именно отсюда приходят положительные ионы к катоду, выбивающие из него электроны; 4-отрицательное тлеющее свечение. Здесь электроны рекомбинируют с положительными ионами. Постепенно яркость его снижается, и оно переходит в темное фарадеево пространство 5, куда не долетают быстрые электроны электронных лавин. Далее вплоть до анода простирается светящийся положительный столб разряда 6. Здесь газ высоко ионизирован и обладает высокой проводимостью.

Как видно из рис.66 внизу, наиболее быстрый рост потенциала происходит в областях 1, 2, 3.

В настоящее время тлеющий разряд широко используется в качестве источника света газосветных трубках реклам, а также в лампах дневного света.

3. Искровой разряд это кратковременный (продолжительность  10^-7с) самостоятельный газовый разряд, который происходит при атмосферном или большем давлении и сопровождается яркой вспышкой и громким треском.

Поскольку разряд происходит при высоком давлении, для его развития нужно электрическое поле высокой напряженности. Напряженность Е_крит, при которой в газе возникает искровой разряд, называется напряженностью пробоя. Для воздуха при нормальных условиях Е_крит  Вм.

С увеличением давления Е_крит растет приблизительно пропорционально давлению. Поэтому при использовании газовых изоляторов в специальных устройствах газ закачивают в них под высоким давлением.

При достаточной напряженности пробоя Е_крит энергия ионов становится достаточной для ударной ионизации молекул. Количество ионов стремительно увеличивается, а динамическое равновесие между ионизацией и рекомбинацией, существующее в тлеющем разряде, нарушается.

Лавинообразное нарастание тока в узких областях плазменных шнуров разогревает плазму (смесь ионов и электронов) до температуры  10⁴ К. В эти моменты газ в искровом разряде ярко светится. Давление подскакивает в результате, плазменный шнур резко расширяется, возникает звуковая волна взрывного характера. Слышится характерный треск.

П ри высокой проводимости плазменного шнура свободный заряд источника тока сбрасывается очень быстро. Напряжение на полюсах источника падает, искра гаснет. На рис.67 показана принципиальная схема всех устройств, в которых реализуется искра. Ее энергия тем больше, чем больше заряд накапливается на конденсаторе С и чем выше напряжение между его обкладками. Увеличение сопротивления R снижает частоту следования искровых разрядов.

Согласно стримерной теории, возникновению ярко светящегося канала искры предшествует появление слабо светящихся скоплений ионизированных частиц, так называемых стримеров. Пронизывая газоразрядный промежуток, стримеры образуют проводящие мостики, по которым в последующие стадии разряда устремляются мощные потоки электронов.

Сами стримеры возникают не только благодаря образованию электронных лавин посредствам ударной ионизации, но еще и благодаря ионизации газа излучением, возникающим в самом разряде (фотоионизация).

Примером искрового разряда являются молнии, возникающие как между облаками, так и между облаками и землей. Ток в молнии достигает 10⁶ А, напряжение 10⁸10⁹ В. Поскольку продолжительность молнии мала (10^5 с), заряд, переносимый молнией невелик q=It = 10⁶A10^9 c = 10 Кл. Длина линейной молнии достигает 10 км.

Энергия одного разряда молнии может достигать W = qU = 10 Кл10⁹ В = 10¹⁰ Дж. Это соответствует энергии выделяющейся при взрыве 2,5 тонн тротила

4. Дуговой разряд  это самостоятельный продолжительный газовый разряд, происходящий при атмосферном и более высоком давлении и сопровождающийся ярким свечением газа.

Если после зажигания искрового разряда постепенно уменьшать сопротивление цепи R (рис.67), включая сопротивление источника тока и величину разрядного промежутка, то при достаточно большой мощности источника тока сила тока в искре будет увеличиваться. При достаточно малом сопротивлении цепи возникает новая форма газового разряда электрическая дуга.

Впервые дуговой разряд получил в 1802 г. Василий Петров, используя в качестве источника батарею из 2100 медно-цинковых элементов. В 1810 г. Гемфри Дэви переоткрыл его и назвал «вольтовой дугой».

Ток в дуге достигает десятков и сотен ампер, напряжение на разрядном промежутке уменьшается до нескольких десятков вольт.

В настоящее время электрическую дугу, горящую при атмосферном давлении, получают между металлическими и угольными электродами в любом сочетании (рис.68) Для включения дуги электроды вначале соприкасаются, а затем разводятся на расстояние 2-5 мм. Вольтамперная характеристика дуги отрицательна, то есть напряжение на разрядном промежутке падает с увеличением тока. Поэтому для устойчивого горения дуги последовательно с разрядным промежутком включается балластное сопротивление (источник постоянного тока) или дроссель (источник переменного тока).

Температура на оси дуги при атмосферном давлении составляет примерно 4000С повышением давления температура повышается и при давлении 20 атмосфер достигает 7000С.

Хорошая электропроводность дуги поддерживается за счет высокой температуры отрицательного электрода благодаря интенсивной термоэлектронной эмиссии. Если отрицательный электрод имеет низкую температуру, то устойчивой дуги не получается.

Дуговой разряд широко применяется для сварки и резки металлов, для плавки металлов в дуговых электропечах, в источниках света.

5. Коронный разряд это самостоятельный разряд, происходящий при нормальных давлениях газа в сильно не однородных полях. Практически бесшумен, сопровождается едва заметным свечением.

Д ля создания неоднородности поля один электрод должен иметь большую поверхность, а другой  очень малую (рис.69). Силовые линии сгущаются по мере приближения к малому электроду, а напряженность увеличивается вплоть до напряженности пробоя. В результате возникает ударная ионизация, сопровождающаяся свечением.

Поскольку по мере удаления от острия напряженность электрического поля быстро падает, то при не очень больших напряжениях искры не возникает.

Свечение у острия имеет вид оболочки (или короны). Корона возникает как при отрицательном, так и при положительном острие.

В природе коронный разряд происходит в сухую погоду на остриях громоотводов, верхушках мачт и деревьев перед грозой, а также во время гроз и метелей, когда напряженность электрического атмосферного поля в месте положения острия достигает 500 В/м.

Коронное свечение очень слабое. Поэтому наблюдаться в природе может лишь в темные ночи в местах с низким световым фоном.

В технике коронный разряд используется в электрофильтрах промышленной очистки газов от пыли и дыма. Для этого вдоль дымовой трубы натягивается тонкая проволока, на которую подаётся высокое напряжение. Ионы осаждаются на частицах пыли, а последние под действием электрического поля быстро осаждаются на внутренней поверхности трубы.

Коронный разряд, возникающий в элементах установок высокого напряжения, приводит к появлению токов утечки и к потерям электрической энергии. Особенно это важно на протяженных линиях электропередач. Для предотвращения коронирования провода делаются достаточно толстыми, а все высоковольтные электроды  заземленными. При необходимости для устранения микровыступов поверхности полируются.

6. Катодные лучи. В 1859 г. немец Юлиус Плюккер обнаружил, что если в трубке с тлеющим разрядом снижать давление газа до 0,010,001 мм Нg, то свечение газа практически прекращается, хотя ток идет, а стекло трубки со стороны анода продолжает светиться зеленоватым светом. Это говорит о том, что из катода исходят невидимые лучи.

В 1872 г. немец Эуген Гольдштейн назвал эти лучи катодными. Он открыл, что они испускаются перпендикулярно поверхности катода. Искривляя катод, их можно фокусировать.

Англичанин Уильям Крукс доказал, что катодные лучи переносят импульс (вращают крыльчатку изобретенного им радиометра, 1837 г. ) и энергию (разогревают тело, на которые они сфокусированы, 1879 г.). К 1903 г. он установил, что катодные лучи вызывают свечение не только стекла трубки, но и практически всех веществ. Крукс высказал гипотезу, что катодные лучи не являются излучением, подобным видимому свету. Они представляют собой поток отрицательно заряженных частиц.

Джозеф Томсон, отклоняя катодные лучи в магнитном поле, не только подтвердил гипотезу Крукса, но в 1897 г. измерил удельный заряд этих частиц. Он оказался равным е/m = 10¹¹Клкг. Именно за этими частицами закрепилось название «электрон». На основе опытов Томсона и др. формируется современное представление об электроне как об атоме электричества, как о первой элементарной частице.

Изучение катодных лучей сыграло важную роль в истории физики. В 1895 г. Вильгельм Рентген открыл новый вид электромагнитного излучения (рентгеновские лучи), наблюдающегося при бомбардировке катодными лучами (быстрыми электронами) металлов.

Детальное исследование свойств катодных лучей и особенностей их взаимодействия с веществом, выполненное в конце XIX в., показало, что катодные лучи это поток свободных быстрых электронов. Скорость электронов в катодных лучах зависит от напряжения на электродах и может достигать мс. Изучение катодных лучей сыграло важную роль в развитии электронной физики.

7. Анодные лучи. Проделав отверстие в катоде, Гольдштейн обнаружил напротив него зеленоватое свечение стекла. На основании этого он заключил, что от анода к катоду распространяется поток положительно заряженных частиц. Этот поток он назвал канальными лучами (канал в катоде). Позднее их стали называть анодными лучами.

Скорость частиц в анодных лучах оказалась на три порядка меньше скорости электронов, v  10⁵ м/c. На столько же меньше оказался и их удельный заряд, е/m 10⁸ Кл/кг. Сравнение с удельным зарядом ионов, найденных в опытах по электричеству, привело к выводу, что анодные лучи  это поток положительно заряженных ионов атомов и молекул

Джозеф Томсон, отклоняя узкий пучок анодных лучей в электрическом и магнитном полях одновременно в двух взаимно перпендикулярных направлениях (метод парабол), установил, что заряженными частицами могут быть не только молекулы газа, но и их фрагменты. Например, при разряде в метане СН₄ фотопластинка показала присутствие структур С, Н, СН, СН₂, СН₃.

На основе метода Томсона Френсис Астон сконструировал в 1919 г. массовый спектрограф прибор, способный разделить ионизированные частицы по величинам их масс с точностью 0,1%. Этим методом Астон открыл, что хлор имеет два изотопа с массовыми числами 35 и 37, неон два изотопа 20 и 22, ртуть имеет 6 изотопов и др. масс-спектрометр Астона оказался чрезвычайно полезным прибором в атомной физике.