16. Билет № 15

Электрический ток в газах. Самостоятельный и несамостоятельный разряды. Плазма

Газы в обычных условиях почти полностью состоят из нейтральных молекул или атомов и, следовательно, являются диэлектриками. Ионизированные газы являются проводниками.

Различают несколько способов ионизации газа:

1. Термоионизация – под воздействием высоких температур;

2. Фотоионизация – под воздействием излучений;

3. Ударная ионизация – при столкновении быстрых частиц между собой.

Вследствие ионизации часть атомов распадается на положительно заряженные ионы и электроны. В газе могут образовываться и отрицательные ионы, которые появляются благодаря присоединению электронов к нейтральным атомам. Рекомбинация – процесс, обратный ионизации. Таким образом, носителями тока в газах являются электроны, положительные ионы и отрицательные ионы.

Электрическим током в газах называют упорядоченное положительных ионов к катоду, отрицательных ионов и электронов – к катоду. Явление прохождения электрического тока в газах по-другому называют газовым разрядом.

Рассмотрим вольт-амперную характеристику (ВАХ) газового разряда.

I

С

А В

I _насыщ

0 U_насыщU_прU

Пусть с помощью какого-либо ионизатора в газе в единицу времени образуется определенное число пар заряженных частиц: положительных ионов и электронов.

Участок ОА: при небольшой разности потенциалов между электродами не все образующиеся ионы и электроны достигают электродов, часть их рекомбинирует; по мере увеличения разности потенциалов число заряженных частиц, достигающих электродов, увеличивается – сила тока линейно возрастает.

Участок АВ: наступает момент, при котором все заряженные частицы, образующиеся в газе за единицу времени, достигают за это время электродов – ток достигает насыщения.

Если действие ионизатора на участках ОА и АВ прекратить, то прекратится и разряд, так как других источников носителей тока нет. Электрический ток, протекающий под действием внешнего ионизатора, называют несамостоятельным газовым разрядом.

Участок ВС: если продолжать увеличивать разность потенциалов на электродах, то с некоторого значения сила тока снова начнет резко возрастать, т.к. начнется:

1) ионизация электронным ударом (свободные электроны становятся настолько быстрыми, что при столкновениях с нейтральными атомами ионизируют их);

2) эмиссия (испускание) электронов с катода (быстрые положительные ионы выбивают с поверхности катода электроны).

Если действие ионизатора на участке ВС прекратить, то разряд не прекратится. Электрический ток, протекающий без действия внешнего ионизатора, называют самостоятельным газовым разрядом. В зависимости от свойств и состояния газа, а также характера и расположения электродов возникают различные виды самостоятельного разряда в газах:

Процесс перехода несамостоятельного газового разряда в самостоятельный называется электрическим пробоем и характеризуется напряжением пробоя.

Плазма – это частично или полностью ионизированный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически совпадают.

Различают высокотемпературную >10⁵K и низкотемпературную <10⁵K плазму. Проводимость плазмы увеличивается по мере роста степени ионизации. При высокой температуре полностью ионизированная плазма по своей проводимости приближается к сверхпроводникам. В состоянии плазмы находится около 99% вещества Вселенной (звезды, Солнце, межзвездная среда). Плазмой окружена и наша планета: верхний слой атмосферы на высоте 100-30 км – ионосфера, выше ионосферы – радиационные пояса Земли.

Примеры газового разряда: