30. Электропроводность газов. Несамостоятельный и самостоятельный разряд Виды самостоятельного разряда.

Большинство газов, а также воздух слабо проводит эл. ток при нормальных условиях, т.к. они содержат мало ионов.

При U в несколько сотен вольт эл. ток проходит через газы только при наличии ионизатора. В качестве ионизатора могут служить источники ультрафиолетовых, рентгеновских, космических и γ – лучей. Ионизировать газы можно также, нагревая их.

При воздействии ионизатора нейтр. молекула газа теряет один или несколько электронов, в результ. остаток молекулы станет “+” ионом. Часть своб. электронов захв. нейтр. атомами, при этом образуются “―” ионы. Именно поэтому в газе не смотря на полный характер проводимости явл. электролиза не наблюдается.

Опр. Процесс образования ионов назыв. ионизацией газов.

Отрыв электрона от атома требует определенной энергии, назыв. энергией ионизации, она различна для атомов различных в – в. Энергия ионизации определяется произведением заряда электрона на ионизационный потенциал.

W_ион = e*U.

Ионизационным потенциалом назыв. разность потенциалов, которую необходимо передать электрону, чтобы его энергия стала равной энергии ионизации данного вещества.

При налож. на ионизиров. газ эл. поля возникает упорядоч. движение “+” ионов к катоду и “―” ионов к аноду.

В отсутствии эл. тока процесс ионизации уравновеш. обр. процессом, он назыв. взаимной рекомбинацией, т.к. часть ионов под действием поля уводится из объема газа на электроды. Если при ионизации для “―” требуется энергия, то при рекомбинации энергия выделяется в большей части в виде светового излучения.

Несамостоятельный газовый разряд.

Процесс прохождения эл. тока через газ назыв. газовым разрядом.

Различают 2 вида разрядов: самостоятельный и несамостоятельный.

Если электропроводность газа созд. внешн. ионизаторами, то эл. ток в нем назыв. несамост. газовым разрядом. V

Рассм. эл. схему, сост. из конденсатора, гальванометра, вольтметра и источника тока.

Между пластинами плоского конденсатора находится воздух при атмосферном давлении и комнатной t. Если к конденсатору приложено U, равное нескольким сотням вольт, а ионизатор не работает, то гальванометр тока не регистрирует, однако как только пространство между пластинами начнет прониз. поток УФ – лучей, гальванометр начнет регистр. ток. Если источник тока выкл., прохождение тока по цепи прекратится, этот ток и представляет собой несамостоятельный разряд.

j = γ*E – закон Ома для эл. тока в газах.

При достаточно сильном эл. поле в газе начинается процесс самоионизации, благодаря которому ток может существовать в отсутствии внешнего ионизатора. Такого рода ток называется самостоятельным газовым разрядом. Процессы самоионизации в общих чертах заключается в следующем. В естеств. усл. в газе всегда имеется небольшое количество свободных электронов и ионов. Они создаются такими естеств. ионизаторами, как космич. лучи, излучения радиоактивных веществ, сод в почве и воде. Достаточно сильное эл. поле может разогнать эти частицы до таких скоростей, при которых их кинетическая энергия превысит энергию ионизации, когда электроны и ионы, столкнувшись на пути к электродам с нейт. молекулами будут ионизировать эти молекулы. Обр. при соударении новые вторичные электроны и ионы также разгон. полем и в свою очередь ионизируют новые нейтр. молекулы. Описанная самоионизация газов называется ударной полизацией. Свободные электроны вызывают ударную ионизацию уже при Е=10³ В/м. Ионы же могут вызывать ударную ионизацию только при Е=10⁵ В/м. Это различие обусловлено рядом причин, в частности тем, что для электронов длина свободного пробега значительно больше, чем для ионов. Поэтому ионы приобретают необходимую для ударной ионизации энергию при меньшей напряжённости поля, чем ионы. Однако и при не слишком сильных полях “+” ионы играют важную роль в самоионизации. Дело в том, что энергия этих ионов ок. достаточной для выбивания электронов из металлов. Поэтому разогнанные полем ”+“ ионы, ударяясь о металлический котод источника поля, выбивают из котода электороны. Эти выбитые электроны разг. полем и пооизводят ударную ионизацию молекул. Ионы и электроны, энергия которых недостаточна для ударной ионизации могут тем не менее при столкновении с молекулами приводить их в возб. состояние, то есть вызвать некоторые энергетические изменения в эл. оболочках нейтр. атомов и молекул. Возб. атом или молекула через некоторое время переходит в нормальное состояние, при этом она испускает фотон. Испускание фотонов проявляется в свечении газов. Кроме того, фотон, погл. какой-либо из молекул газа может ионизировать её, такого рода ионизация называется фотонной ионизацией. Часть фотонов попадает на котод, они могут выбить из него электроны, которые затем вызовут ударную ионизацию нейтр. молекул.

В результате ударной и фотонной ионизаций и выбиваний электронов из кода “+” ионами фотонами количество фотонов и электронов во всём объёме газа резко (лавинообразно) возрастает и для существования тока в газе не нужен внешний ионизатор, а разряд становится самостоятельным. ВАХ газового разряда выглядит следующим образом.

Y_A

d

b

c

a

U_A

U_b

U_c

0

На участке Оа ток воздействует ≈ ~ U, то есть по закону Ома. Это объясняется тем, что с увеличением U возрастает скорость упорядоченного движения ионов и электронов, а следовательно и количество эл-ва, прох. в единицу времени к электродом. Уч. аb представляет собой переходную область, где нарушается линейная зависимость I от U. Уч. bс соотв. току насыщения, то есть току, который обусловлен всеми ионами и электронами, созданные внешним ионизатором за 1 с. и которые за тоже время подходят, а электронам. Величина тока насыщения ~ мощности ионизатора. При достаточно большом напряжении Uс начинается самоионизация, а при дальнейшем увеличении напряжения наступает самостоятельный газовый разряд. Таким образом, участок Ос кривой соответствует несамостоятельному газовому разряду, а ветвь кривой, лежащей правее, с самост. газовому разряду.

Вместе с тем вид разряда зависит от давления, температуры и химического состава газа, а также от материала, формы, размеров и взаимного расположения электронов. Рассмотрим основные виды самост. разряда.

Виды самостоятельных разрядов - тлеющий, дуговой, искровой, коронный.

а

3

) тлеющий разряд набр. в газе при низком давлении от сотых долей до нескольких мм. рт. ст. и большой напряжённости поля ≈8000 В/м. Если тлеющий разряд происходит в длинной цилиндр. трубке, наполненной газом, то можно визуально различать ряд резко разграниченных областей разряда.

K

A

1

2

4

Тлеющий разряд, вызв. ударной ионизацией вызв. электронами, которые выбиваются из котода ”+“ ионами. Поле у котода сообщает выбиваемым из него электронам уже на небольшом расстоянии от него скорость, достаточная для образования электронных лавин и свечения газов. Этим объясняется катодное свечение 2 отделённое от катода небольшим промежутком 1, где свечение газа очень слабое. В области холодного свечения 2 и обр. ”+“ ионы, необходимые для поддержания разряда. Пройдя простр - во 2 эл. лавины попадают в обл. сильного поля обрываются. При этом наблюдается темное пространство 3 и назыв. Фарадеевым пространством. Дальше набл. “+” анодное свечение 4, которое простирается до анода. Трубка зап. полностью равн. кол – вом ионов разных знаков. Газ сильно ионизирован. Обл. “+” свечения и вып. роль проводника, соед. анод с катодными частями разряда 321. “+” свечение вызвано переходом возб. молекул в осн. состояние. Этот переход при рекомбинации ионов. Причем молекулы разных газов испускают излучения разной длины волны. Поэтому свечение “+” столба имеет характерный для каждого газа цвет. Это обстоятельство исп. газосветных трубках. Для изготовления светящихся надписей и рекламы. Эти надписи не что иное как “+” столб имеющего размера. Неоновые газоразрядные трубки дают красное свечение, аргоновые – голубые, водородные – сиреневое свечение.

Т.к. в разряж. газе мала конц. ионов, то общее кол – во энергии, вид. в газе небольшим. Поэтому свеч. разряж. газа назыв. холодным. Холодное свечение набл. а лампах дневного света. В них также исп. тлеющий разряд. В этом случае трубки заполняются парами ртути с примесью аргона, а стенки трубки покр. изнутри флуоресцирующим в – вом – люминофором. Под действием свечения, даваемым Hg и аргоном, люминофор светится. Такие лампы экономичнее ламп накаливания и дают спектр, близкий к спектру дневного света. В лаб. иссл. тлеющий разряд исп. в качестве источника ионных и электронных пучков. Примером Тл. разряда в ест. условиях явл. полярное сияние.

б) дуговой разряд возникает при сравн. неб. U ≈ 60В между двумя близко расп. друг от друга электродами. При атм. давлении имеет T^o около 5000 – 6000 К и сопр. ослеп. ярким свечением. Плотность тока в дуговом разряде достигает неск. тысяч ампер/м². Дуговой разряд обусловлен в осн. термоэл. эмиссией раскаленного катода. (Термоэл. эмиссия – испускание электронов раскал. телами). Первонач. нагрев катода происх. за счет теплоты, выд. током в месте соприкосновения электродов, которые имеют большое сопротивление. После этого электроды раздвигаются и эмитируемые электроны вызыв. в пространстве между электронами ударную ионизацию.

А

дуга

К

После этого катод поддерж. в накальном состоянии за счет бомбардировки его “+” ионами. Анод же бомбардируется мощным потоком электронов и в результате нагревается еще сильнее, чем катод. Это приводит к тому, что анод интенсивно испаряется и на его новое образованное углубление – кратер. Кратер является самым ярким местом дуги. В 1802 г. В.В.Петром был получен дуговой разряд. В настоящее время этот вид разряда исп. для сварки металлов, выплавке спец. сталей в дуговых печах для освещения.

Дуговой разряд в ртутных парах, нах. при пониженном давлении очень богат УФ – лучами, поэтому ртутные дуговые лампы исп. в качестве источника

УФ – лучей для научных исследований и для лечебных целей. Баллоны изгот. из кварцевого стекла, почти не поглощ. УФ – лучи, поэтому эти лампы еще назыв. кварцевыми.

в) искровой разряд, что происх. при напряженности поля ≈ 3*10⁵ В/м.

В газах, нах. при норм. и повыш. давлении он имеет вид светящегося извилистого разветвленного канала, мгновенно возникающего между электродами. Этот канал получил название стримера. Разряд носит прерывистый во времени характер: канал то вспыхивает, то гаснет и сопр. сильным треском. Искровой разряд обусловлен электронными и ион. лавинами, вызванными ударной и фотонной ионизациями и выбиванием электронов из катода “+” ионами.

При этих процессах выд. большое кол – во энергии, поэтому газ в канале разряда нагрев. до очень высоких T ≈ 10⁴ К, чем и обусловлено его свечение. Треск искрового разряда обусловлен звуковыми волнами, возникающими при резком расширении нагрев. в канале газа. Примером грандиозного искрового разряда в естественных условиях явл. молния. Она представляет собой эл. искру, проскакивающую между грозовым облаком и землей или между двумя грозовыми облаками. Длина молнии может достигать нескольких км. Диаметр канала ≈ 25см. Сила тока в канале 10⁵ А, продолжительность молнии 10^-6 с. В лаб. условиях с помощью искр. разряда получаю плазму. Искр. разряд исп. для предохр. эл. линий передач от перенапряжения, а также для воспл. горючей смеси в ДВС. При малой длине газоразрядного промежутка искровой разряд вызыв. разруш. нов. – металла. На этом основано искровое резание металла.

г) коронный разряд возникает при нормальном и повышенном давлении газа, который нах. в неоднородном эл. поле. Обычно это около заостр. частей электрода. Внешне коронный разряд представляет собой фиолетовое свечение газа, сопровождается шипением. Коронный разряд обусловлен ударной ионизацией газовых молекул электронами и ионами, которые разгоняются до больших скоростей эл. полем. Эти поля, как известно, существуют вблизи заостр. электродов. Свет испускается возб. молекулами газа при переходе их в нормальное состояние. Коронный разряд возникает около проводов высокого напряжения. На коронном разряде основано действие молниеотвода. Сильное эл. поле, возникающее в атмосфере во время грозы вызывает хороший разряд у вершины молниеотвода. Этот разряд непрерывно отводит в землю эл. заряды и тем самым предохр. здания от ударов молнии или принимает удар на себя.