§ 14.7 Электрический ток в газах. Плазма

Г

Рисунок 14.15 - Ионизация

аз состоит из нейтральных молекул (или атомов). Поэтому при обычных условиях он является диэлектриком. Изоляционные свойства газов проявляются в том, что заряженные тела в воздухе длительное время сохраняют свой заряд. Для того, чтобы газ стал проводить ток, нужно ионизовать его молекулы (оторвать электрон) (рис. 14.14). Ионизатором могут служить космические лучи, радиоактивное и ультрафиолетовое излучение, пучок быстрых электронов и т.п. Под действием этих ионизаторов молекулы газа распадаются на электроны и положительные ионы. В результате присоединения электронов к нейтральным молекулам могут образоваться отрицательно заряженные ионы.

Ионизация газа происходит и при его нагревании. При достаточно высокой температуре молекулы газа начинают так быстро двигаться, что часть из них при столкновениях распадается, превращаясь в ионы.

Если в сосуд, заполненный исследуемым газом, ввести два электрода, то при наличии между ними электрического поля через ионизованный газ пойдёт ток: электроны и отрицательные ионы начнут двигаться к положительно заряженному электроду, а положительные ионы – к отрицательно заряженному электроду (рис.14.15). Этот ток может сопровождаться различными тепловыми и оптическими явлениями (свечением).

Прохождение электрического тока через газ называют газовым разрядом.

Если разряд в газе происходит только при вызывающем и поддерживающем ионизацию внешнем воздействии, его называютнесамостоятельным разрядом. После прекращения действия внешнего ионизатора оставшиеся электроны и положительные ионы при столкновении снова объединяются в нейтральные молекулы (этот процесс называют рекомбинацией) (рис.14.16), и несамостоятельный разряд прекращается.

Благодаря процессам ионизации и рекомбинации при неизменных свойствах ионизатора и внешних условиях в сосуде можно обеспечить в среднем постоянную концентрацию трёх видов носителей тока: положительных и отрицательных ионов и электронов (концентрация отрицательных ионов обычно невелика, меньше концентраций положительных ионов и электронов).

При увеличении напряжения между анодом и катодом сила тока возрастает (рис.14.17, участок ОА) – всё большее число носителей тока принимает участие в упорядоченном движении в электрическом поле. Начиная с некоторого значения напряжения U_н рост силы тока прекращается (рис.14.17, участок АВ), сила тока станет равной – I_н силе тока насыщения. Достигнутое насыщение означает, что все заряженные частицы, появляющиеся в сосуде в единицу времени (за счёт действия ионизатора и рекомбинации), вовлечены в процесс газового разряда и дальнейший рост силы тока невозможен (участок СД).

При некотором значении напряжения сила тока резко возрастает (рис.14.17, участок ВС). Если теперь убрать ионизатор, то газовый разряд не прекратится.

Газовый разряд, продолжающийся и после прекращения действия внешнего ионизатора, называется самостоятельным разрядом. Переход несамостоятельного разряда в самостоятельный характеризуется резким возрастанием силы тока и носит название электрического пробоя газа. Увеличение числа носителей тока (электронов и ионов) при этом обусловлено уже не внешними, а внутренними факторами – ионизацией электронным ударом (при высоких напряжениях электроны разгоняются до энергий, при которых они способны ионизировать сталкивающиеся с ними молекулы газа), а также эмиссией электронов из катода. Последнее может быть обусловлено как нагреванием катода, так и ударами о него положительных ионов.

В самом начале процесса газового разряда необходимо наличие хотя бы небольшого числа заряженных частиц, которые при обычных условиях всегда существуют в газе. Тогда увеличение напряжения в сосуде с газом (газоразрядной трубке) может привести к возникновению самостоятельного разряды, даже если специальный ионизатор не использовался.

Разряд в газе сложный процесс и по составу носителей тока, и по законам, управляющим этим процессом. Как видно из рисунка 158, газовый разряд подчиняется закону Ома лишь при небольших значениях напряжения и силы тока.

В зависимости от условий протекания тока через газ, а также состояния газа могут наблюдаться различные виды самостоятельного разряда. Наиболее важными из них являются тлеющий разряд, дуговой, коронный и искровой.

Тлеющий разряд (рис.14.18) происходит при низкой температуре катода и пониженном (по сравнению с атмосферным) давлении газа. Этот разряд используется в светящихся трубках рекламы, в лампах дневного света и т.п.

На основе тлеющего разряда устроены следующие типы ламп: а) сигнальные лампы, используемые в качестве индикаторов тока и напряжения, и лампы для сигнализации в железнодорожной и противопожарной технике, в технике связи; б) лампы для иллюминационного и рекламного освещения; в) лампы для специальных целей (для телевидения, фотозаписи и т.п.). В газовом лазере тоже применяется тлеющий разряд.

Дуговой разряд (рис.14.19) отличается от тлеющего разряда тем, что может происходить при атмосферном давлении, характеризуется (в большинстве случаев) высокой температурой электродов, хорошей электрической проводимостью газа, большими значениями силы тока.

Впростейшем случае дуговой разряд происходит между угольными электродами, подключёнными к источнику тока, приведёнными в соприкосновение, а потом разведёнными на некоторое расстояние. Дуговой разряд выглядит как яркий светящийся шнур или жгут (дуга), сопровождается ультрафиолетовым излучением.

Электрическая дуга как физическое явление была открыта русским физиком профессором В.В. Петровым ТВ 1802 г. и применена для освещения русским инженером П.Н. Яблочковым в 1876г. Дуговой разряд используется при электросварки металлов (как сварочная дуга), а также в прожекторах и проекционной аппаратуре как мощный источник света.

В режиме «холодного» дугового разряда в парах ртути работают и лампы дневного света (люминесцентные лампы). Ультрафиолетовое излучение, возникающее при разряде, преобразуется в видимый свет с помощью люминофора, нанесённого на внутреннюю поверхность баллона лампы.

Искровой и коронный разрядывозникают в сильно неоднородных электрических полях. Искровой разряд возникает при атмосферном давлении, высоких напряжениях и имеет вид ярких зигзагов, возникающих и исчезающих. Примером мощного искрового разряда является молния (рис. 14.20). Более скромный искровой разряд стал «рабочим инструментом» при электроискровой обработке металлов.

Коронный разряд возникает при высоком напряжении в резко неоднородном электрическом поле вблизи электродов с большой кривизной поверхности (острия, провода). Этот разряд имеет вид светящегося ореола – короны, отсюда и его название.

Пример коронного разряда являются так называемые «огни святого Эльма» (рис.14.21), возникающие во время или при приближении грозы (когда напряжённость электрического поля в атмосфере особенно велика) на острых концах мачт, одиноких деревьев, башен, а иногда даже на голове или высоко поднятой руке человека. Своё название эти огни получили в Средние века по имени церкви Святого Эльма, на острых выступах башен которой они часто наблюдались.

Коронный разряд применяется в электрофильтрах. Ионизованный газ (рис.159) движется по трубе фильтра. Ионы оседают на частицах дыма, и те, двигаясь в электрическом поле разряда к внешнему цилиндру, оседают на нём. Существуют высокоэффективные фильтры, обеспечивающие очистку дымовых газов на 99%.

В случаях, когда важны диэлектрические свойства воздуха, приходится бороться с возможным возникновением газового разряда. Например, коронный разряд вблизи линии электропередачи (ЛЭП) приводит к потерям электрической энергии. При высоком напряжении разряд может перейти в искровой. Для предупреждения возникновения разряда в ЛЭП и в других случаях увеличивают расстояние между проводами, закругляют острые кромки, закрывают электроды металлическими колпачками большого диаметра и т.п.

Особенно большой вред может нанести гигантский искровой атмосферный разряд – молния. Для защиты от него применяют молниеотводы.

При размыкании сильноточных цепей с воздушными переключателями может возникнуть искровой и даже дуговой разряд. Поэтому применяют масляные переключатели.

Вещество в области газового разряда находится в состоянии плазмы.

Плазмой называют частично или полностью ионизованный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы. Носителями заряда в плазме являются электроны и ионы, образовавшиеся в результате ионизации газа.

В состоянии плазмы находится большая часть вещества Вселенной. Плазму с температурой t≤10⁵ ºС называют низкотемпературной (плазма газовых разрядов, пламя, верхние слои атмосферы, межзвёздная среда и галактические туманности). Существуют специальные устройства, с помощью которых создают струи плотной низкотемпературной плазмы, - плазмотроны. С их помощью режут и сваривают металлы, наносят различные покрытия, получают заряженные частицы для ускорителей и т.п.

Плазму с температурой t≥10⁶ ºС называют горячей или высокотемпературной. Такая плазма существует в недрах Солнца и других звёзд. В лабораторных условиях высокотемпературная плазма используется в исследованиях по управляемому термоядерному синтезу.

Магнитогидродинамические генераторы (МГД-генераторы) являются важной и перспективной областью применения плазмы. В МГД-генераторе струя плазмы (рис.160) проходит между двумя электродами (А и С) со скоростью, перпендикулярной линиям индукции магнитного поля. Под действием силы Лоренца разноимённые частицы смещаются к разным электродам. Между электродами возникает разность потенциалов, а при замыкании цепи возникает электрический ток. Достоинства МГД-генератора – отсутствие потерь энергии на трение, прямое превращение внутренней энергии плазмы в электрическую, а следовательно, высокий КПД.