Что является причиной ионизации молекул газа в пространстве между электродами
Перейти к содержимому

Что является причиной ионизации молекул газа в пространстве между электродами

  • автор:

Что является причиной ионизации молекул газа в пространстве между электродами

Теоретические основы

  • Введение
  • 1 Общие сведения об электроматериалах
    • 1.2 Особенности строения твердых тел
    • 1.3 Элементы зонной теории твердого тела
    • 2.1 Виды электропроводности проводниковых материалов
    • 2.2 Основные свойства металлических проводников
    • 2.3 Металлы высокой проводимости
    • 2.4 Тугоплавкие металлы
    • 2.5 Благородные металлы
    • 2.6 Коррозионно-стойкие металлы
    • 2.7 Некоторые другие металлы
    • 2.8 Сплавы высокого сопротивления
    • 2.9 Сплавы для термопар
    • 2.10 Тензометрические сплавы
    • 2.11 Контактные материалы
    • 2.12 Припои и флюсы
    • 2.13 Неметаллические проводящие материалы
    • 3.1 Электропроводность полупроводников
    • 3.2 Влияние внешних факторов на электропроводность полупроводников
    • 3.3 Термоэлектрические и электротермические эффекты в полупроводниках
    • 3.4 Гальваномагнитные эффекты в полупроводниках
    • 3.5 Оптические и фотоэлектрические эффекты в полупроводниках
    • 3.6 Электрические переходы
    • 3.7 Основные полупроводниковые материалы
    • 4.1 Поляризация диэлектриков
      • 4.1.1 Полярные и неполярные диэлектрики
      • 4.1.2 Механизмы поляризации
      • 4.1.3 Влияние различных факторов на относительную диэлектрическую проницаемость
      • 4.2.1 Электропроводность твердых диэлектриков
      • 4.2.2 Электропроводность жидких диэлектриков
      • 4.2.3 Электропроводность газов
      • 4.3.1 Потери на электропроводность
      • 4.3.2 Релаксационные потери
      • 4.3.3 Резонансные потери
      • 4.3.4 Миграционные и ионизационные потери (потери от неоднородности структуры)
      • 4.4.1 Пробой газов
      • 4.4.2 Пробой жидкостей
      • 4.4.3 Пробой твердых диэлектриков
      • 4.5.1 Газообразные диэлектрики
      • 4.5.2 Жидкие диэлектрики
      • 4.5.3 Твердые диэлектрики
      • 4.6.1 Сегнетоэлектрики
      • 4.6.2 Пьезоэлектрики
      • 4.6.3 Пироэлектрики
      • 4.6.4 Электреты
      • 4.6.5 Жидкие кристаллы
      • 5.1 Общие сведения о магнитных свойствах вещества
      • 5.2 Классификация веществ по магнитным свойствам
      • 5.3 Физическая сущность ферромагнетизма
        • 5.3.1 Доменное строение как основа ферромагнетизма
        • 5.3.2 Намагничивание ферромагнетиков
        • 5.5.1 Магнитострикция и магнитоупругость
        • 5.5.2 Влияние температуры на магнитные свойства
        • 5.5.3 Магнитные потери
        • 5.6.1 Постоянные магниты
        • 5.6.2 Пермаллои
        • 6.1 Общие сведения о компонентах радиоэлектроаппаратуры
        • 6.2 Резисторы: классификация, основные параметры
          • 6.2.1 Классификация резисторов
          • 6.2.2 Основные параметры и свойства резисторов
          • 6.2.3 Основные виды проводящих элементов резисторов
          • 6.2.4 Магниторезисторы
          • 6.2.5 Фоторезисторы
          • 6.3.1 Классификация конденсаторов
          • 6.3.2 Основные характеристики конденсаторов
          • 6.3.3 Нелинейные конденсаторы
          • 6.4.1 Общие сведения и основные параметры
          • 6.4.2 Классификация диодов
          • 6.4.3 Условное графическое обозначение диодов в схемах
          • 6.4.4 Надежность и причины отказов полупроводниковых диодов
          • 7.1 Краткие сведения о датчиках
          • 7.2 Термоэлектрический эффект Зеебека
          • 7.3 Электротермический эффект Пельтье
          • 7.4 Эффект Холла
          • 7.5 Магниторезистивный эффект (эффект Гаусса)
          • 7.6 Магнитоупругий эффект
          • 7.7 Фотоэффект
          • 7.8 Терморезистивный эффект
          • 7.9 Тензорезистивный эффект
          • 7.10 Пьезоэлектрический эффект
          • 7.11 Пироэлектрический эффект

          4.4.1 Пробой газов

          Число электронов, образующихся в течение 1 с в 1 см 3 воздуха под действием радиоактивности Земли или космических лучей, составляет от 10 до 20. Эти электроны являются начальными зарядами, приводящими к пробою газа в достаточно сильном поле.

          При увеличении напряженности Е электрического поля электроны между двумя соударениями приобретают энергию, достаточную для ионизации молекул газа:

          , (4.78)

          где е – заряд электрона;

          – длина свободного пробега;

          – энергия ионизации.

          Энергию ионизации обычно характеризуют ионизационным потенциалом . Для большинства газов его значение изменяется в пределах от 4 до 25 В, что соответствует энергии ионизации 4-25 эВ. В результате при столкновении с атомами и молекулами они порождают новые электроны (рисунок 4.32). Освобожденные при этом «вторичные» электроны под действием поля в свою очередь вызывают ионизацию молекул газа. В результате этого процесса число электронов в газовом промежутке, лавинообразно нарастая, очень быстро увеличивается. Интенсивность данного процесса определяется коэффициентом ударной ионизации , равным числу ионизаций, производимых движущимся электроном на единицу длины пути λ в направлении поля.

          При этом количество электронов у анода, образовавшихся в результате ударной ионизации, начатой первоначально одним электроном с поверхности катода, в соответствии с экспоненциальным законом размножения, достигнет величины (h – расстояние между электродами, или разрядный промежуток). Эти электроны распределяются в межэлектродном пространстве в виде компактного облачка, называемого электронной лавиной.

          Рисунок 4.32 – Процесс ударной ионизации

          Ударная ионизация электронами составляет основу пробоя газа. Однако электронная лавина сама по себе еще не достаточна для образования пробоя, так как не сознает проводящего пути между электродами. Следовательно, кроме ударной ионизации электронами, должны иметь место и другие явления, значительно влияющие на процесс формирования разряда. Характер этих явлений, сопровождающих ударную ионизацию электронами, определяет механизм пробоя газов.

          Известно два механизма пробоя газов: лавинный и лавинно-стримерный.

          При лавинном механизме ударная ионизация электронами сопровождается вторичными процессами на катоде, в результате которых заряды в газовом промежутке восполняются. Для пробоя газа в этом случае требуется образование серии лавин, причем каждая вновь образующаяся лавина по сравнению с предыдущей должна содержать большее число электронов, — тогда происходит «раскачивание» электронных лавин. Лавинный пробой, как правило, развивается в течение относительно длительного времени (более 1 мкс) и не характерен для импульсных напряжений.

          При лавинно-стримерном механизме на развитие пробоя существенно влияет совместное действие поля пространственного заряда лавины и фотоионизации в объеме газа. Благодаря этим вторичным процессам электронная лавина создает повышенную концентрацию носителей заряда, которая достаточна для непосредственного преобразования ее в стример — канал с повышенной проводимостью газа. Стример представляет собой скопление ионизированных частиц, сильно превосходящее лавину по степени ионизации. После распространения стримеров (отрицательного и положительного) на весь межэлектродный промежуток происходит пробой газа. Рассмотрим этот процесс подробнее.

          На рисунке 4.33 представлена схема, поясняющая, почему рост электропроводящего канала – стримера происходит быстрее, чем продвижение электронной лавины. Лавины условно показаны в виде заштрихованных конусов.

          Описание: E:\4,20.bmp

          Рисунок 4.33 – Схематическое изображение распространения стримера при пробое газа

          Внутри каждого конуса, представляющего собой развивающуюся лавину, газ ионизируется ударами электронов; вновь отщепленные электроны, разгоняемые полем, ионизируют встречаемые ими частицы газа, и таким образом лавинообразно нарастает число электронов, движущихся к аноду, и число положительных ионов, направляющихся к катоду.

          Атомы, которые были возбуждены ударами электронов, вслед за этим испускают фотоны. Двигаясь со скоростью м/с, фотоны обгоняют лавину и в каком-то месте ионизируют частицу газа. Отщепленный здесь электрон, устремляясь к аноду, порождает новую лавину далеко впереди первой лавины. Таким образом, пока первая лавина вырастает, скажем, на длину малой стрелки АВ, намечающийся канал повышенной проводимости газа, т.е. стример, распространяется на длину большой стрелки CD.

          В следующей стадии отдельные лавины в отрицательном стримере, нагоняя друг друга, сливаются, образуя сплошной канал ионизированного газа.

          Одновременно с ростом стримера, направленного от катода к аноду, начинается образование встречного лавинного потока положительно заряженных частиц, направленного к катоду. Положительный стример представляет собой канал газоразрядной плазмы. Это объясняется тем, что электронные лавины оставляют на своем пути большое число вновь образованных положительных ионов, концентрация которых особенно велика там, где лавины получили свое наибольшее развитие, т.е. около анода. Если концентрация положительных ионов здесь достигает определенного значения (близкого к 10 12 ионов в 1 см 3 ), то, во-первых, обнаруживается интенсивная фотонная ионизация, во-вторых, электроны, освобождаемые частицами газа, поглотившими фотоны, притягиваются положительным пространственным зарядом в головную часть положительного стримера и, в-третьих, вследствие ионизации концентрация положительных ионов на пути стримера увеличивается. Насыщение электронами пространства, заполненного положительными зарядами, превращает эту область в проводящую газоразрядную плазму. Под влиянием ударов положительных ионов на катоде образуется катодное пятно, излучающее электроны. В результате указанных процессов и возникает пробой газа. Обычно пробой газа совершается практически мгновенно: длительность подготовки пробоя газа при длине промежутка 1 см составляет 10 -7 -10 -8 с. Чем больше напряжение, приложенное к газовому промежутку, тем быстрее может развиться пробой. Если длительность воздействия напряжения очень мала, то пробивное напряжение повышается.

          Электрическая прочность газов сильно зависит от давления (рисунок 4.34). При высоких давлениях Р увеличение связано с уменьшением длины свободного пробега электронов, а при малых Р – с уменьшением вероятности столкновения электронов с молекулами газа. На зависимости основано применение газов в качестве электрической изоляции в вакуумных конденсаторах, кабелях, заполненных газом под высоким давлением, и других устройствах высокого напряжения.

          Рисунок 4.34 – Зависимость электрической прочности газов от давления (пунктиром отмечено нормальное атмосферное давление)

          Электрическая прочность зависит также от расстояния между электродами h: при уменьшении h растет (рисунок 4.35). Этот рост связан с уменьшением вероятности столкновений электронов с молекулами газа в межэлектродном промежутке. Существует экспериментально установленная закономерность, известная как закон Пашена: если длина разрядного промежутка h и давление газа Р изменяются так, что их произведение остается постоянным, то величина пробивного напряжения не меняется, т.е. является функцией произведения Рh. Физически это означает, что в рассматриваемом случае одинаковые частицы в газовых промежутках получают на соответствующих длинах пути свободного пробега одинаковую энергию от поля.

          Рисунок 4.35 – Зависимость электрической прочности воздуха при нормальном давлении в однородном электрическом поле от расстояния между электродами

          Качественно закономерность объясняется следующим образом. Эффективность процессов ударной ионизации определяется, во-первых, средним числом столкновений электронов, приходящимся на единицу длины пути и, во-вторых, вероятностью того, что столкновение электрона с молекулой или атомом закончится ионизацией. Одновременное действие этих двух факторов при разном диапазоне значений Р и h обусловливает величину газового промежутка: при малых Рh в основном влияет первый фактор, а при больших – второй.

          В электрическом поле, необходимом для пробоя газа, положительные ионы движутся примерно в 100 раз медленнее, чем электроны, и поэтому накапливаются в промежутке, образуя объемный заряд. Наличие объемного заряда искажает поле и оказывает существенное влияние на пробой газа даже при плоскопараллельных электродах.

          Описанные выше закономерности наблюдаются при пробое в однородном поле, в котором значение Е постоянно. Такое поле можно получить, например, между плоскими электродами с закругленными краями или между шарами большого диаметра при малом расстоянии между ними (рисунок 4.36).

          Рисунок 4.36 – Формирование однородного электрического поля

          Механизм пробоя газов в неоднородном поле заметно отличается. Неоднородное поле возникает между двумя остриями, острием и плоскостью (рисунок 4.37), между проводами линий электропередачи, между сферическими поверхностями, если расстояние между ними превышает диаметр сферы, и т. д.

          Рисунок 4.37 – Формирование неоднородного электрического поля

          В таких полях (например, в случае электродов игла — плоскость или игла — игла) происходит накопление объемного заряда около одного из электродов. Это обстоятельство определяет ход процесса даже при сравнительно низких напряжениях задолго до пробоя, причем ударная ионизация начинается не во всем объеме газа, а локализуется в местах наибольшей напряженности поля. Ввиду этого при напряжении, существенно меньшем (так называемом начальном напряжении), возникает корона; таким образом, пробой газа в неоднородном поле характеризуется двумя значениями напряжений: начальным (коронным) и пробивным.

          В связи с тем, что объемный заряд влияет на процесс пробоя газа в неоднородном поле, зависит от полярности электродов. Так, в случае электродов игла — плоскость выше при отрицательной полярности иглы, чем при положительной (рисунок 4.38, а).

          Объёмный заряд в случае отрицательной полярности острия (рисунок 4.38,б) ослабляет электрическое поле по направлению к плоскому электроду и затрудняет тем самым развитие разряда. При обратной полярности электродов (игла положительной полярности) пробой происходит при меньшем напряжении.

          Рисунок 4.38 – Пробой газов в неоднородном электрическом поле: а – пробивное напряжение в зависимости от полярности электродов; б, в – механизм пробоя для разных вариантов полярности

          Это объясняется следующим образом (рисунок 4.38,в). Ионизация газа при любой полярности на электродах происходит около иглы, т.е. там, где существуют наибольшие значения напряженности электрического поля, и, следовательно, около нее образуется «облако» из положительно заряженных ионов – молекул, с орбит которых ушли электроны. При положительной полярности на игле этот объемный заряд служит продолжением иглы и сокращает протяженность разрядного промежутка. Положительный объемный заряд отталкивается и уходит от положительно заряженной иглы, однако более подвижные электроны, обуславливающие процесс ионизации, все время успевают его восстанавливать, т.е. получается картина «прорастания» объемного заряда, связанного с иглой, в сторону отрицательно заряженной плоскости. Поэтому пробой и наступает при меньшем напряжении, чем при противоположной полярности электродов, когда объемный заряд частично нейтрализует и экранизирует иглу с отрицательной полярностью от плоскости, заряженной положительно.

          Различие пробивных напряжений для разных полярностей электродов весьма существенно и возрастает с увеличением расстояния между электродами (рисунок 4.39).

          При высоких частотах напряжение, соответствующее появлению короны, почти совпадает с пробивным напряжением, которое мало возрастает с увеличением расстояния между электродами.

          Относительная влажность воздуха сильно влияет на разрядные напряжения изоляторов при низкой частоте и постоянном напряжении и мало сказывается при радиочастотах. При частоте 50 Гц повышение относительной влажности воздуха с 60 до (80-90) %, например, снижает почти вдвое разрядные напряжения керамических изоляторов бочоночного типа.

          Рисунок 4.39 – Зависимость пробивного напряжения воздуха от расстояния между электродами в неоднородном поле при Р = 0,1 МПа

          © ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет»
          Редакционно-издательский центр
          Отдел допечатной подготовки и программно-методического обеспечения
          Уфа 2014

          Что является причиной ионизации молекул газа в пространстве между электодами

          Причиной ионизации молекул газа в пространстве между электодами явяется наличие электрического поля. При наличии внешнего электрического поля заряженные частицы в газе приобретают дополнительную кинетическую энергию, величина которой пропорциональна напряженности электрического поля и обратно пропорциональна давлению газа.

          Остальные ответы

          Похожие вопросы

          § 36. Электрический ток в газах. Плазма

          Газы при нормальных условиях не проводят электрический ток, т. е. являются диэлектриками. Это обусловлено тем, что газы состоят из нейтральных атомов (молекул). Однако при определённых условиях газы, в том числе и воздух, становятся проводниками. При каких условиях это возможно?

          Рис.

          Природа электрического тока в газах. Проведём опыт и убедимся, что электрическая проводимость газа (воздуха) может изменяться. Два металлических диска, заряженных разноимёнными зарядами и расположенных на некотором расстоянии друг от друга, соединим с электрометром ( рис. 204 ). Стрелка электрометра при этом отклонится на некоторый угол. Электрометр не разряжается, значит, при небольшой разности потенциалов между дисками воздух не проводит электрический ток.

          Рис.

          Повторим опыт, нагревая пламенем (спиртовки, свечи) воздушный промежуток между дисками. Электрометр разряжается, т. е. через воздух проходит электрический ток ( рис. 205 ).

          Вывод очевиден: в воздушном промежутке между дисками появились свободные носители электрического заряда.

          Если убрать пламя, то электрический ток исчезнет, т. е. воздух между дисками опять станет диэлектриком.

          Объясним результаты рассмотренного опыта. Нагревание газа пламенем приводит к образованию свободных электронов и положительно заряженных ионов, т. е. к ионизации газа.

          Для отрыва электрона от атома (молекулы) необходима энергия, минимальное значение которой называют энергией ионизации атома (молекулы). Наряду с ионизацией может происходить присоединение образовавшихся при отрыве электронов к нейтральным атомам (молекулам) газа. Это приводит к образованию отрицательно заряженных ионов.

          Под действием электрического поля в газе возникает направленное движение положительно заряженных ионов к отрицательному электроду (катоду) и направленное движение электронов и отрицательно заряженных ионов к положительному электроду (аноду). В ионизированном газе возникает электрический ток, который называют газовым разрядом.

          Таким образом, носители электрического заряда в ионизированных газах — положительно и отрицательно заряженные ионы и свободные электроны, а проводимость газов является ионно-электронной.

          Если устранить внешнее воздействие (в данном случае нагревание пламенем), электрический ток в газе прекращается. Это обусловлено тем, что при столкновении положительно заряженного иона с электроном они образуют нейтральный атом (молекулу) газа. Ионы противоположных знаков при столкновении также превращаются в нейтральные атомы (молекулы) — рекомбинируют. При рекомбинации освобождается энергия, равная энергии, затраченной на ионизацию.

          Таким образом, чтобы в газе появились свободные носители электрического заряда, его атомы (молекулы) необходимо ионизировать. Это можно осуществить нагреванием газа до высокой температуры, воздействием на газ ультрафиолетовым, рентгеновским, радиоактивным излучениями и др.

          Внешние воздействия, в результате которых происходит ионизация, называют ионизаторами. Разряд, возникающий в результате ионизации газа под действием ионизатора, называют несамостоятельным.

          Рис.

          Вольт-амперная характеристика газового разряда. Для изучения разряда в газе удобно использовать стеклянную трубку с двумя электродами. Рассмотрим зависимость силы тока в газе от напряжения, приложенного к электродам трубки, — вольт-амперную характеристику газового разряда ( рис. 205.1 ).

          Воздействие внешнего ионизатора ионизирует газ в пространстве между электродами. Одновременно с этим происходит и обратный процесс — превращение ионов в нейтральные атомы (молекулы). При небольшом напряжении между электродами незначительное количество образовавшихся ионов и электронов достигает электродов, создавая электрический ток. Большинство ионов рекомбинирует, не успевая достигнуть электродов. При увеличении напряжения между электродами возрастает количество заряженных частиц, достигших электродов, т. е. сила тока увеличивается. При этом сила тока прямо пропорциональна приложенному напряжению, т. е. выполняется закон Ома (участок графика АВ).

          При дальнейшем повышении напряжения прямая пропорциональность нарушается (участок графика ВС). Начиная с некоторого значения напряжения (для точки С) все носители электрического заряда, образовавшиеся под воздействием ионизатора, достигают электродов, не успев рекомбинировать. При этом сила тока сохраняет постоянное значение и не зависит от напряжения (участок графика СD). Электрический ток, сила которого не зависит от напряжения, называют током насыщения.

          Рис.

          При достаточно высоком напряжении свободные электроны, ускоряясь под действием электрического поля, приобретают кинетическую энергию, достаточную для ионизации атомов (молекул) газа при соударении с ними. Процесс отрыва от атома (молекулы) газа одного или нескольких электронов, вызванный столкновением с этими атомами (молекулами) свободных электронов, называют ионизацией электронным ударом. Возникшие в результате ударной ионизации свободные электроны ускоряются электрическим полем и вызывают ионизацию новых частиц. Такие свободные электроны являются вторичным ионизатором. Это ведёт к лавинообразному нарастанию числа вторичных свободных электронов и положительно заряженных ионов ( рис. 205.2 ), а значит, и увеличению силы разрядного тока. Однако сам разряд всё ещё остаётся несамостоятельным, так как после прекращения действия внешнего ионизатора он продолжается только до тех пор, пока отрицательно заряженные ионы и все электроны (первичные и вторичные) движутся к аноду и достигают его, а положительно заряженные ионы — катода. Несамостоятельному лавинному разряду в газе соответствует участок графика на рисунке 205.1.

          Однако в ряде случаев газовый разряд может существовать и после прекращения действия ионизатора. В этом случае имеющееся между электродами сильное электрическое поле является причиной сохранения газового разряда, который называют самостоятельным.

          Самостоятельный разряд. Для возникновения самостоятельного разряда недостаточно наличия одного лишь процесса ударной ионизации. Для поддержания разряда необходимо, чтобы в газе постоянно возникали носители электрического заряда без действия внешнего ионизатора. При движении положительно заряженных ионов к катоду их кинетическая энергия под действием поля увеличивается. Если энергия ионов достаточно велика, то при ударе о катод они могут выбивать с его поверхности электроны. Этот процесс называют вторичной электронной эмиссией («эмиссия» означает «испускание»). При бомбардировке катода положительно заряженными ионами происходит его нагревание. При высокой температуре катода с его поверхности происходит испускание электронов. Такой процесс называют термоэлектронной эмиссией. В результате этих процессов в газе создаётся значительное число свободных электронов. В зависимости от давления газа, его температуры и напряжённости электрического поля вторичная электронная эмиссия и термоэлектронная эмиссия могут происходить одновременно (участок графика ЕК на рисунке 205.1). Таким образом, в отсутствие внешнего ионизатора самостоятельный разряд будет поддерживаться за счёт вторичной электронной эмиссии и (или) термоэлектронной эмиссии с поверхности катода.

          Виды самостоятельного газового разряда и их применение. В зависимости от напряжённости электрического поля, давления газа, формы и вещества электродов различают следующие виды самостоятельного газового разряда: тлеющий, дуговой, коронный и искровой.

          Тлеющий разряд характеризуется небольшой силой тока (десятки миллиампер), относительно высоким напряжением (десятки и сотни вольт), низким давлением газа (десятые доли миллиметра ртутного столба). Тлеющий разряд широко используют в различных газосветных трубках ( рис. 206 ), применяемых для световой рекламы и декораций, лампах дневного света ( рис. 207 ), неоновых лампах.

          Рис. Рис.

          Дуговой разряд представляет собой столб ярко светящегося газа ( рис. 208 ). Он характеризуется большой силой тока (десятки и сотни ампер) и сравнительно небольшим напряжением (несколько десятков вольт). Дуговой разряд является мощным источником света. Его используют в осветительных установках, для сварки и резки металлов ( рис. 209 ), электролиза расплавов, в промышленных электропечах для плавки стали и др.

          Рис. Рис.

          Интересно знать

          В 1802 г. профессор физики Петербургской медико-химической академии В. В. Петров получил электрическую дугу. Он установил, что если присоединить к полюсам большой электрической батареи два кусочка древесного угля, привести их в соприкосновение, а затем слегка раздвинуть на небольшое расстояние, то между концами углей образуется яркое пламя, а сами концы углей раскаляются добела, испуская ослепительный свет (электрическая дуга). Впервые электрическая дуга была применена в 1876 г. русским инженером П. Н. Яблочковым для уличного освещения.

          Рис.

          Коронный разряд возникает вблизи заострённой части проводника при атмосферном давлении под действием сильно неоднородного электрического поля. Он сопровождается слабым свечением, напоминающим корону, и характерным потрескиванием ( рис. 210 ).

          Коронный разряд используют в электрофильтрах для очистки промышленных газов от твёрдых и жидких примесей. Однако возникновение коронного разряда вокруг высоковольтных линий электропередачи нежелательно, так как приводит к потерям электрической энергии.

          Интересно знать

          Часто перед грозой, во время шторма или снежной бури в атмосфере резко возрастает напряжённость электрического поля. Это приводит к возникновению слабого свечения вблизи заострённых предметов, например, вблизи корабельных мачт, шпилей на зданиях и др. (рис. 211). Моряки, бороздившие моря и океаны, часто наблюдали это явление (коронный разряд), которое получило название «огни Святого Эльма». Один из участников кругосветного плавания Магеллана писал: «Во время тех штормов нам много раз являлся сам Святой Эльм в виде света… чрезвычайно тёмными ночами на грот-мачте, где оставался в течение двух и более часов, избавляя нас от уныния».

          Искровой разряд наблюдают при высоком напряжении ( рис. 212 ). Он сопровождается ярким свечением газа, звуковым эффектом, который создаётся резким повышением давления воздуха. Примером искрового разряда в природе служит молния ( рис. 213 ).

          Рис. Рис.

          Интересно знать

          Перед появлением молнии напряжение между облаком и поверхностью Земли достигает U ~ 10 8 – 10 9 В. Сила тока в молнии составляет I ~ 10 5 А, продолжительность разряда молнии — t ~ 10 –6 с, диаметр светящегося канала — d ~ 10–20 см. Извилистый вид молнии объясняется тем, что электрический разряд проходит через участки воздуха, имеющие наименьшее сопротивление. А такие участки расположены в воздухе случайным образом.

          Плазма. При достаточно высокой температуре любое вещество испаряется, превращаясь в газ. При дальнейшем увеличении температуры усиливается термическая ионизация. Нейтральные молекулы газа распадаются на составляющие их атомы, которые в дальнейшем превращаются в ионы. Кроме того, ионизация газа может быть обусловлена его взаимодействием с электромагнитным излучением (фотоионизация) или бомбардировкой газа заряженными частицами, например, ионизация электронным ударом.

          Плазма — полностью или частично ионизованный газ, в котором концентрации положительных и отрицательных зарядов практически совпадают, т. е. средние плотности положительных ρ+ и отрицательных ρ зарядов одинаковы по модулю: ρ+ = |ρ|.

          В зависимости от степени ионизации различают частично ионизованную и полностью ионизованную плазму. В зависимости от скорости теплового движения заряженных частиц различают низкотемпературную ( < 10 5 К) и высокотемпературную (>10 6 К) плазму. Примером низкотемпературной плазмы является плазма, образующаяся при всех видах электрического разряда в газах. Звёзды представляют собой гигантские сгустки высокотемпературной плазмы.

          Плазма заполняет космическое пространство между звёздами и галактиками и является самым распространённым состоянием вещества во Вселенной ( рис. 214 ). Концентрация плазмы в межгалактическом пространстве очень мала, в среднем одна частица на кубический метр. Верхний слой атмосферы Земли также представляет собой слабо ионизованную плазму. Причиной ионизации являются ультрафиолетовое и рентгеновское излучение Солнца и других звёзд, быстрые заряженные частицы и др.

          Независимо от способа получения плазма в целом является электрически нейтральной. Проводимость плазмы растёт с увеличением отношения числа ионизованных атомов (молекул) к их общему числу. Полностью ионизованная плазма по своей проводимости приближается к сверхпроводникам.

          img

          1. Какова природа электрического тока в газах?

          2. Как можно увеличить электрическую проводимость газов?

          3. Какой разряд называют несамостоятельным?

          4. Каков механизм возникновения несамостоятельного разряда в газах?

          5. Что такое ионизация электронным ударом? При каких условиях она происходит в газах?

          6. Какой разряд называют самостоятельным?

          7. Каков механизм возникновения самостоятельного разряда в газах?

          8. Какие виды самостоятельного разряда вы знаете? Приведите примеры их использования.

          9. Что такое плазма? Как её можно получить?

          3. Электрический разряд в газах

          При нормальных условиях газы являются диэлектриками, поскольку в них нет свободных электрических зарядов. Однако при высоких температурах газы приобретают свойства проводников и в них может протекать электрический ток. Этот процесс называют электрическим разрядом в газах.

          Ионизация и рекомбинация

          Очевидно, что электрический разряд возможен, только если в газе есть свободные заряды. При высокой температуре часть молекул распадается на электроны и положительно заряженные ионы. Этот процесс называют ионизацией . Ионизация может быть вызвана не только высокой температурой, но и воздействием на газ ультрафиолетовыми или рентгеновскими лучами.
          Процесс, обратный ионизации, при котором электроны соединяются с положительно заряженными ионами, образуя нейтральную молекулу, называется рекомбинацией .
          Если за любой промежуток времени ионизируется столько же молекул, сколько и ионов рекомбинирует, то говорят, что газ находится в динамическом равновесии. При этом концентрация свободных зарядов в газе остаётся постоянной.

          Ток в ионизированных газах

          При включённом электрическом поле электроны будут двигаться к аноду, а положительно заряженные ионы — к катоду. Таким образом, при наличии ионизатора в газе будет течь электрический ток. Такое протекание тока называют несамостоятельным разрядом, поскольку если убрать ионизатор, то ток прекратится.

          Вольт-амперная характеристика ионизированного газа
          Вольт-амперную характеристику газа можно условно разделить на три участка (рис. \(1\)).

          Frame 432.png

          Рис. \(1\). Вольт-амперная характеристика тока в газах

          На участке \(I\) не все ионы и электроны, получившиеся при диссоциации молекул, долетают до электродов из-за того, что успевают рекомбинировать. Однако с увеличением напряжения увеличивается и их скорость и, как следствие, уменьшается время, за которое свободные заряды долетают до электродов, всё меньшее их количество успевает рекомбинировать. Поэтому сила тока растёт до тех пор, пока все свободные заряды, появившиеся при ионизации, не будут долетать до электродов.

          Далее следует участок \(II\), на котором сила тока не растёт с ростом напряжения, поскольку больше свободных зарядов в газе просто нет. Протекание тока на участках \(I\) и \(II\) требует наличия внешнего ионизатора, поэтому разряд называется несамостоятельным разрядом .

          При достаточно большом напряжении скорость свободных электронов будет настолько велика, что при ударе с молекулами будет происходить ионизация и вместо одного свободного заряда будет три свободных заряда. Этот процесс называется электронной лавиной . При таком процессе ионизации молекул внешний ионизатор не требуется, поэтому электрический ток называют самостоятельным разрядом (участок \(III\) на рис. \(1\)).

          Плазмой называют ионизованный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов одинаковы. Отношение плотности свободных зарядов к плотности всех частиц называют степенью ионизации плазмы.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *