Электрический ток в газах

Электр о нная теория , классическая (неквантовая) теория электромагнитных процессов, в основе которой лежат представления о строении вещества из электрически заряженных частиц — электронов и атомных ядер (см.

Лоренца — Максвелла уравнения). Л о ренца — М а ксвелла уравн е ния, Лоренца уравнения, фундаментальные уравнения классической электродинамики, определяющие микроскопические электромагнитные поля, создаваемые отдельными заряженными частицами.

Уравнения Лоренца-Максвелла лежат в основе электронной теории (микроскопической электродинамики), построенной Х. А. Лоренцом в конце 19 — начале 20 вв. В этой теории вещество (среда) рассматривается как совокупность электрически заряженных частиц (электронов и атомных ядер), движущихся в вакууме. В уравнениях Лоренца-Максвелла электромагнитное поле описывается двумя векторами: напряжённостями микроскопических полей — электрического е и магнитного h . Все электрические токи в электронной теории — чисто конвекционные, т. е. обусловлены движением заряженных частиц.

Плотность тока j = ru , где r — плотность заряда, а u — его скорость. В обычных условиях все газы состоят в основном из нейтральных атомов и молекул и поэтому не проводят электрического тока, т. е. являются диэлектриками. С повышением температуры атомы и молекулы ионизируются (распадается на положительно заряженные ионы и электроны. В газе могут образовываться и отрицательные ионы, кот. появляются благодаря прис. электронов к нейтральным атомам.), и газ постепенно превращается в плазму, хорошо проводящую электрический ток. П л а зма (от греч. pl sma — вылепленное, оформленное), частично или полностью ионизованный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы. При достаточно сильном нагревании любое вещество испаряется, превращаясь в газ. Если увеличивать температуру и дальше, резко усилится процесс термической ионизации, т. е. молекулы газа начнут распадаться на составляющие их атомы, которые затем превращаются в ионы . Ионизация газа, кроме того, может быть вызвана его взаимодействием с электромагнитным излучением ( фотоионизация ) или бомбардировкой газа заряженными частицами.

Свободные заряженные частицы в плазме — особенно электроны — легко перемещаются под действием электрического поля.

Применительно к плазме несколько необычный смысл (по сравнению с др. разделами физики) вкладывается в понятия «низкотемпературная» и «высокотемпературная». Низкотемпературной принято считать плазму с T i , а высокотемпературной — плазу с T i и более. Это условное разделение связано с возможностью для плазмы достигать чрезвычайно больших температур. В состоянии плазмы находится подавляющая часть вещества Вселенной — звёзды , звёздные атмосферы, туманности галактические и межзвёздная среда . Около Земли плазма существует в космосе в виде солнечного ветра , заполняет магнитосферу Земли (образуя радиационные пояса Земли ) и ионосферу . Процессами в околоземной плазмы обусловлены магнитные бури и полярные сияния . Отражение радиоволн от ионосферной плазмы обеспечивает возможность дальней радиосвязи на Земле. В лабораторных условиях и промышленных применениях плазма образуется в электрическом разряде в газах ( дуговом разряде , искровом разряде, тлеющем разряде и пр.), в процессах горения и взрыва, используется в плазменных ускорителях , магнитогидродинамических генераторах и во многих др. устройствах.

Термин «плазма» в физике был введён в 1923 американским учёными И. Ленгмюром и Л. Тонксом, проводившими зондовые измерения параметров низкотемпературной газоразрядной плазмы. Основные свойства плазмы . В резком отличии свойств плазмы от свойств нейтральных газов определяющую роль играют два фактора. Во-первых, взаимодействие частиц плазмы между собой характеризуется кулоновскими силами притяжения и отталкивания, убывающими с расстоянием гораздо медленнее (т. е. значительно более «дальнодействующими»), чем силы взаимодействия нейтральных частиц. По этой причине взаимодействие частиц в плазме является, строго говоря, не «парным», а «коллективным» — одновременно взаимодействует друг с другом большое число частиц. Во-вторых, электрические и магнитные поля очень сильно действуют на плазму (в то время как они весьма слабо действуют на нейтральные газы). Наличие свободных заряженных частиц.

Проводники - это такие тела, в которых имеются свободные частицы, обладающие электрическим зарядом и способные ускоряться и, перемещаться под действием приложенных к ним электрических сил. В газах при обычных условиях почти нет свободных заряженных частиц, так как они являются диэлектриками (состоят из нейтральных атомов и молекул). Только вследствие нагревания или воздействия излучением (ионизация) образуются свободные заряженные частицы (ионы и электроны). Природа эл. тока-процесс ионизации газов. Иониз а ция, образование положительных и отрицательных ионов и свободных электронов из электрически нейтральных атомов и молекул.

Термином «ионизация» обозначают как элементарный акт (ионизации атома, молекулы), так и совокупность множества таких актов (ионизация газа). Ионизация в газе. Для разделения нейтрального невозбуждённого атома (молекулы) на две или более заряженные частицы, т. е. для его ионизации, необходимо затратить энергию . Для всех атомов данного элемента (или молекул данного химического соединения), ионизующихся из основного состояния одинаковым образом (с образованием одинаковых ионов), энергия ионизации одинакова.

Простейший акт ионизации — отщепление от атома (молекулы) одного электрона и образование положительного иона.

Свойства частицы по отношению к такой ионизации характеризуют её ионизационным потенциалом , представляющим собой энергию ионизации, деленную на заряд электрона.

Присоединение электронов к нейтральным атомам или молекулам (образование отрицательного иона), в отличие от других актов ионизации, может сопровождаться как затратой, так и выделением энергии; в последнем случае говорят, что атомы (молекулы) данного вещества обладают сродством к электрону(сродств о к электр о ну , электронное сродство, способность некоторых нейтральных атомов, молекул и присоединять добавочные электроны, превращаясь в отрицательные ионы) . Электр и ческий разр я д в г а зах, прохождение электрического тока через газовую среду под действием электрического поля, сопровождающееся изменением состояния газа.

Многообразие условий, определяющих исходное состояние газа (состав, давление и т. д.), внешних воздействий на газ, форм, материала и расположения электродов, геометрии возникающего в газе электрического поля и т. п. приводит к тому, что существует множество видов электрических разрядов в газах, причём его законы сложнее, чем законы прохождения электрического тока в металлах и электролитах.

Электрические разряды в газах подчиняются закону Ома лишь при очень малой приложенной извне разности потенциалов, поэтому их электрические свойства описывают с помощью вольтамперной характеристики . Вольтамперная характеристика разряда. 2 Газы становятся электропроводными при их ионизации . Если электрический разряд в газах происходит только при вызывающем и поддерживающем ионизацию внешнем воздействии (при действии т. н. внешних ионизаторов), его называют несамостоятельным газовым разрядом.

Электрический разряд в газах, продолжающийся и после прекращения действия внешнего ионизатора, называется самостоятельным . Один из видов стационарного самостоятельного электрического разряда в газах-тлеющий разряд.

Происходит при низкой температуре катода, отличается сравнительно малой плотностью тока на катоде и большим (порядка сотен вольт) катодным падением U потенциала.

Тлеющий разряд может возникать при давлениях р газа вплоть до атмосферного, однако подавляющее большинство исследований тлеющего разряда проведено при р от сотых долей до нескольких мм. рт. ст.

Электроны из катода тлеющего разряда испускаются главным образом под действием ударов положит, ионов и быстрых атомов (и частично — за счёт фотоэффекта и энергии метастабильных атомов). Для внешнего вида тлеющего разряда в длинной цилиндрической трубке при давлениях порядка десятых долей мм. рт. ст. и выше характерно наличие ряда областей, визуально сильно отличающихся одна от другой (рис. 1). Происхождение этих областей объясняется особенностями элементарных процессов ионизации и возбуждения атомов и молекул.

Важнейшей из них, определяющей само существование тлеющего разряда при указанных условиях, является темное катодное пространство, в котором в результате ударной ионизации электронами образуются положительные ионы, обеспечивающие эмиссию электронов из катода.

Напряжение между электродами тлеющего разряда (напряжение горения) зависит в основном от двух параметров: произведения р на расстояние l между электродами (р l ) и плотности тока на катоде j. Общая классификация различных форм тлеющего разряда была установлена в исследованиях советского учёного Б. Н. Клярфельда и его учеников. Она распространяется на случай сверхмалых значений p l и j, когда в пространстве между электродами отсутствует пространственный заряд (простр а нственный зар я д, объёмный заряд, электрический заряд, рассредоточенный по некоторому объёму) и поле практически однородно. В таком, по терминологии Клярфельда, простейшем т.р. отсутствуют упомянутые выше отдельные области, и газ ионизуется электронами во всём межэлектродном промежутке. При увеличении p l и j возможно существование двух форм тлеющего разряда — нормального и плотного. В первом из них электроны эмитируют только часть поверхности катода. При этом j и U остаются постоянными, а с ростом тока эмиссия происходит со всё большей площади катода.

Плотный тлеющий разряд наблюдается при больших j. Для него характерно резкое возрастание напряжения горения с ростом тока.

Особой формой тлеющего разряда является разряд с полым катодом (катод имеет форму полого цилиндра или двух параллельных пластин). В таком тлеющем разряде электроны, многократно колеблющиеся между стенками катода, интенсивно ионизуют газ.

Тлеющий разряд с полым катодом отличается от обычного тлеющего разряда значительно большими плотностью тока и яркостью свечения.

Свойства и характеристики тлеющего разряда используются в технике (например, стабилитроны, тиратроны т.р.). Тихий разряд наблюдается при давлении газа порядка атмосферного.

Внешними ионизаторами могут быть: естественное радиоактивное излучение, космические лучи , потоки фотонов (сильное световое облучение), пучки быстрых электронов и т. д.

Ионизаторы двух последних типов используются (преимущественно в импульсном режиме) в газовых лазерах.

Переход несамостоятельного электрического разряда в газах в самостоятельный характеризуется резким усилением электрического тока и называется электрическим пробоем газа. После короткого переходного процесса самостоятельный газовый разряд становится стационарным.

Обычно такой разряд осуществляют в закрытом изолирующем сосуде (стеклянном или керамическом). Ток в газе течёт между двумя электродами: отрицательным катодом и положительным анодом. Одним из основных типов газового разряда, формирующимся, как правило, при низком давлении и малом токе, является тлеющий разряд . Тлеющее свечение обусловлено рекомбинацией ионов и электронов в нейтральные атомы или молекулы. Для положительного столба разряда вследствие постоянной и большой концентрации электронов характерны незначительное падение потенциала в нём, свечение, вызываемое возвращением возбуждённых молекул (атомов) газа в основное состояние (состояние с наинизшей возможной энергией), и большая электропроводность.

Рекомбин а ция ионов и электронов, образование нейтральных атомов или молекул из свободных электронов и положительных атомных или молекулярных ионов -процесс, обратный ионизации . Рекомбинация происходит главным образом в ионизованных газах и плазме и приводит к практически полному исчезновению заряженных частиц при отсутствии противодействующих ей факторов. Кроме стационарных разрядов, основные характеристики которых не зависят от времени, существуют нестационарные (импульсные). Они возникают по большей части в сильно неоднородных или переменных во времени полях, например у заострённых и искривленных поверхностей проводников и электродов.

Величина напряжённости поля и степень его неоднородности вблизи таких тел столь велики, что происходит ударная ионизация электронами молекул газа. Два важных типа нестационарного разряда — коронный разряд и искровой разряд . Кор о нный разр я д, электрическая корона, разновидность тлеющего разряда; возникает при резко выраженной неоднородности электрического поля вблизи одного или обоих электродов.

Подобные поля формируются у электродов с очень большой кривизной поверхности (острия, тонкие провода). При коронном разряде эти электроды окружены характерным свечением, также получившим название короны, или коронирующего слоя.

Примыкающая к короне несветящаяся («тёмная») область межэлектродного пространства называется внешней зоной.

Корона часто появляется на высоких остроконечных предметах (святого Эльма огни), вокруг проводов линий электропередач и т. д.

Коронный разряд может иметь место при различных давлениях газа в разрядном промежутке, но наиболее отчётливо он проявляется при давлениях не ниже атмосферного.

Разряд начинается, когда напряжение U между электродами достигает так называемого «начального потенциала» короны U 0 (типичные значения — тысячи и десятки тысяч в). Ток коронного разряда пропорционален разности U—U 0 и подвижности образующихся в разряде ионов газа; он обычно невелик (долима на 1 см длины коронирующего электрода). При повышении U яркость и толщина коронирующих слоев растут. Когда U достигает потенциала «искрового перекрытия», коронный разряд переходит в искровой разряд . Сопротивление данной среды, зависимость от температуры. При увеличении температуры, чаще происходит ионизация атомов, появляется больше свободных носителей заряда, и уменьшается количество атомов, препятствующих движению электронов и ионов. Таким образом, сопротивление уменьшается. Вольтамперная характеристика.

Важнейшей характеристикой проводника является зависимость силы тока от напряжения — вольтамперная характеристика . Она имеет простейший вид для металлических проводников и электролитов: сила тока прямо пропорциональна напряжению ( закон Ома ). Вольтамп е рная характер и стика, зависимость напряжения от тока или тока от напряжения на участке электрической цепи. В. х. может изображаться аналитически — как функция V = f (I), где V — напряжение, I — ток; графически — в виде линии в системе координат (V, I), например, анодная характеристика электровакуумных ламп. При увеличении напряжения увеличивается сила тока. Когда напряжение достигает определённого значения, сила тока не меняется (этот ток называют током насыщения). С увеличением напряжения газ переходит в состояние плазмы, и сила тока продолжает увеличиваться.

Характерные особенности проводимости данной среды.

Механизм проводимости газов похож на механизм проводимости растворов и расплавов электролитов.

Разница состоит в том, что отрицательный заряд переносится в основном не отрицательными ионами, а электронами. Таким образом, в газах сочетается электронная проводимость (проводимость металлов), с ионной проводимостью (проводимость водных растворов или расплавов электролитов).В растворах электролитов образование ионов происходит вследствие ослабления внутримолекулярных связей под действием молекул растворителя (молекул воды). В газах образование ионов происходит либо при нагревании, либо за счёт действия внешних ионизаторов (излучений). Применение закономерностей в технике, проявление их в природе. Газы в науке и технике используются, прежде всего, как электроизоляционные материалы . Для этого необходимы газы с большим удельным сопротивлением, высокой электрической прочностью и малым углом диэлектрических потерь . Газы с высоким значением e используются как конденсаторные материалы. Ёмкость конденсатора, заполненного газом, возрастает в e раз.

Пьезоэлектрики широко применяются для преобразований звуковых колебаний в электрические и наоборот (приёмники и излучатели ультразвука, звукосниматели и др., см . Пьезоэлектрический датчик ). Пироэлектрики служат для индикации и измерения интенсивности инфракрасного излучения . Сегнетоэлектрики применяют в радиотехнике для создания нелинейных элементов, входящих в состав различных схем (усилители, стабилизаторы частоты и преобразователи электрических сигналов, схемы регулирования и др.). К настоящему времени все виды электрических разрядов в газах исследуются и применяются во многих областях науки и техники.

Тлеющий, дуговой и импульсные разряды используются при возбуждении газовых лазеров . Плазматроны, в которых основным рабочим процессом служит дуговой или ВЧ-разряд, являются важными устройствами в ряде областей техники, в частности при получении особо чистых полупроводников и металлов.