Які частинки утворюють електричний струм у газах. Електричний струм у газах: визначення, особливості та цікаві факти

У звичайних умовах гази не проводять електричний струм, оскільки їх молекули електрично нейтральні. Наприклад, сухе повітря – це хороший ізолятор, у чому ми могли переконатися за допомогою найпростіших дослідів з електростатики. Однак повітря та інші гази стають провідниками електричного струму, якщо в них у той чи інший спосіб створити іони.

Мал. 100. Повітря стає провідником електричного струму, якщо його іонізувати

Найпростіший досвід, що ілюструє провідність повітря при його іонізації полум'ям, показаний на рис. 100: заряд на пластинах, що зберігається протягом тривалого часу, швидко зникає при внесенні запаленого сірника в простір між пластинами.

Газовий розряд.Процес проходження електричного струму через газ зазвичай називають газовим розрядом (або електричним розрядому газі). Газові розряди поділяються на два види: самостійні та несамостійні.

Несамостійний розряд.Розряд у газі називають несамостійним, якщо для його підтримки необхідне зовнішнє джерело

іонізації. Іони в газі можуть виникати під дією високих температур, рентгенівського та ультрафіолетового випромінювання, радіоактивності, космічних променів і т. д. У всіх цих випадках відбувається звільнення одного або декількох електронів з електронної оболонкиатома чи молекули. В результаті в газі з'являються позитивні іони та вільні електрони. Електрони, що звільнилися, можуть приєднуватися до нейтральних атомів або молекул, перетворюючи їх на негативні іони.

Іонізація та рекомбінація.Поряд із процесами іонізації в газі відбуваються і зворотні процеси рекомбінації: з'єднуючись між собою, позитивні та негативні іони або позитивні іони та електрони утворюють нейтральні молекули або атоми.

Зміну з часом концентрації іонів, зумовлене постійним джерелом іонізації та процесами рекомбінації, можна описати в такий спосіб. Припустимо, що джерело іонізації створює в одиниці обсягу газу за одиницю часу позитивних іонів і таку кількість електронів. Якщо в газі немає електричного струму і можна знехтувати відходом іонів з об'єму, що розглядається, через дифузію, то єдиним механізмом зменшення концентрації іонів буде рекомбінація.

Рекомбінація відбувається під час зустрічі позитивного іона з електроном. Число таких зустрічей пропорційно як числу іонів, так і вільних електронів, тобто пропорційно . Тому спад числа іонів в одиниці обсягу в одиницю часу може бути записана у вигляді , де а - постійна величина, називається коефіцієнтом рекомбінації

При справедливості введених припущень рівняння балансу іонів у газі запишеться як

Ми не вирішуватимемо це диференціальне рівнянняв загальному вигляді, а розглянемо деякі цікаві окремі випадки.

Насамперед зазначимо, що процеси іонізації та рекомбінації через деякий час повинні компенсувати один одного і в газі встановиться постійна концентрація видно, що при

Стаціонарна концентрація іонів тим більша, чим потужніше джерело іонізації і чим менший коефіцієнтрекомбінації а.

Після вимкнення іонізатора зменшення концентрації іонів описується рівнянням (1), в якому потрібно покласти прийняти як початкове значення концентрації іонів

Переписавши це рівняння у вигляді після інтегрування отримуємо

Графік цієї функції показано на рис. 101. Він є гіперболою, асимптотами якої є вісь часу і вертикальна пряма. фізичний сенсмає лише ділянку гіперболи, що відповідає значенням Відзначимо повільний характер зменшення концентрації з часом у порівнянні з часто зустрічаються у фізиці процесами експоненційного згасання, які реалізуються, коли швидкість зменшення будь-якої величини пропорційна першому ступені миттєвого значення цієї величини.

Мал. 101. Зменшення концентрації іонів у газі після вимкнення джерела іонізації

Несамостійна провідність.Процес спадання концентрації іонів після припинення дії іонізатора значно прискорюється, якщо газ знаходиться у зовнішньому електричному полі. Витягуючи електрони та іони на електроди, електричне поле може дуже швидко звернути в нуль електропровідність газу без іонізатора.

Для з'ясування закономірностей несамостійного розряду розглянемо для простоти випадок, коли струм в іонізованому зовнішнім джерелом газі тече між двома плоскими електродами, паралельними один одному. В цьому випадку іони та електрони знаходяться в однорідному електричному полі напруженості Е, рівною відношеннюдоданого до електродів напруги до відстані між ними.

Рухливість електронів та іонів.При постійній прикладеній напрузі в ланцюзі встановлюється деяка постійна сила струму 1. Це означає, що електрони та іони в іонізованому газі рухаються з постійними швидкостями. Щоб пояснити цей факт, треба вважати, що крім постійної сили, що прискорює електричного поляна рухомі іони та електрони діють сили опору, що ростуть зі збільшенням швидкості. Ці сили описують усереднений ефект зіткнень електронів та іонів із нейтральними атомами та молекулами газу. Завдяки силам опору

встановлюються в середньому постійні швидкостіелектронів та іонів, пропорційні напруженості Е електричного поля:

Коефіцієнти пропорційності називаються рухливістю електрона та іона. Рухливості іонів та електронів мають різні значенняі залежить від сорту газу, його щільності, температури тощо.

Щільність електричного струму тобто заряд, що переноситься електронами та іонами за одиницю часу через одиничний майданчик, виражається через концентрацію електронів та іонів їх заряди і швидкості руху, що встановився

Квазінейтральність.У звичайних умовах іонізований газ в цілому електронейтральний, або, як кажуть, квазінейтральний, бо в малих обсягах, що містять порівняно невелику кількість електронів та іонів, умова електронейтральності може і порушуватися. Це означає, що виконується співвідношення

Щільність струму при несамостійний розряд. Щоб отримати закон зміни з часом концентрації носіїв струму при несамостійному розряді в газі, потрібно поряд з процесами іонізації зовнішнім джерелом та рекомбінації врахувати також догляд електронів та іонів на електроди. Число частинок, що йдуть в одиницю часу на електрод площі з обсягу дорівнює Швидкість зменшення концентрації таких частинок ми отримаємо, розділивши це число на обсяг газу між електродами. Тому рівняння балансу замість (1) за наявності струму запишеться як

Для встановлення режиму, коли з (8) отримуємо

Рівняння (9) дозволяє знайти залежність щільності струму, що встановився, при несамостійному розряді від прикладеної напруги (або від напруженості поля Е).

Два граничні випадки видно безпосередньо.

Закон Ома.При низькій напрузі, коли в рівнянні (9) можна знехтувати другим доданком у правій частині, після чого отримуємо формули (7) при цьому маємо

Щільність струму пропорційна напруженості доданого електричного поля. Отже, для несамостійного газового розряду у слабких електричних полях виконується закон Ома.

Струм насичення.При низькій концентрації електронів та іонів у рівнянні (9) можна знехтувати першим (квадратичним по складових у правій частині. У цьому наближенні вектор щільності струму спрямований уздовж напруженості електричного поля, а його модуль

не залежить від прикладеної напруги. Цей результат є справедливим для сильних електричних полів. В цьому випадку говорять про струм насичення.

Обидва розглянуті граничні випадки можна досліджувати і не звертаючись до рівняння (9). Однак таким шляхом не можна простежити, як зі збільшенням напруги відбувається перехід від закону Ома до нелінійної залежності струму від напруги.

У першому випадку, коли струм дуже малий, основний механізм видалення електронів та іонів з області розряду - це рекомбінація. Тому для стаціонарної концентрації можна скористатися виразом (2), що з обліку (7) негайно дає формулу (10). У другому граничному випадку, навпаки, нехтується рекомбінацією. У сильному електричному полі електрони та іони не встигають скільки-небудь помітно рекомбінувати за час прольоту від одного електрода до іншого, якщо їх концентрація досить мала. Тоді всі утворювані зовнішнім джерелом електрони та іони досягають електродів і повна щільність струму дорівнює.

Експериментальне вивчення газового розрядуВисновки теорії несамостійного газового розряду підтверджуються експериментами. Для дослідження розряду в газі зручно використовувати скляну трубку із двома металевими електродами. Електрична схематакої установки показано на рис. 102. Рухливості

електронів та іонів сильно залежать від тиску газу (назад пропорційно тиску), тому досліди зручно проводити при зниженому тиску.

На рис. 103 представлена ​​залежність сили струму I в трубці від прикладеного до електродів трубки напруги Іонізацію в трубці можна створити, наприклад, рентгенівськими ультрафіолетовими променямиабо за допомогою слабкого радіоактивного препарату. Істотно лише, щоб зовнішнє джерело іонів залишалося незмінним Лінійна ділянка ОА вольт-амперної характеристики відповідає області застосування закону Ома.

Мал. 102. Схема установки вивчення газового розряду

Мал. 103. Експериментальна вольт-амперна характеристика газового розряду

На ділянці сила струму нелінійно залежить від напруги. Починаючи з точки В струм досягає насичення і залишається постійним на деякій ділянці Все це відповідає теоретичним прогнозам.

Самостійний розряд.Однак у точці З знову починається зростання струму, спочатку повільне, а потім дуже різке. Це означає, що у газі з'явилося нове, внутрішнє джерело іонів. Якщо тепер прибрати зовнішнє джерело, то розряд у газі не припиняється, тобто з несамостійного розряд переходить у самостійний. При самостійному розряді утворення нових електронів та іонів відбувається в результаті внутрішніх процесіву самому газі.

Іонізація електронним ударом.Наростання струму при переході від несамостійного розряду до самостійного відбувається лавиноподібно і називається електричним пробоєм газу. Напруга, у якому відбувається пробою, називається напругою запалювання. Воно залежить від роду газу та від тиску газу на відстань між електродами.

Процеси в газі, відповідальні за лавиноподібне наростання сили струму при збільшенні прикладеної напруги, пов'язані з іонізацією нейтральних атомів або молекул газу вільними електронами, розігнаними електричним полем досить

великих енергій. Кінетична енергія електрона перед черговим зіткненням з нейтральним атомом або молекулою пропорційна напруженості електричного поля Е та довжині вільного пробігу електрона X:

Якщо ця енергія достатня у тому, щоб іонізувати нейтральний атом чи молекулу, т. е. перевершує роботу іонізації

то при зіткненні електрона з атомом чи молекулою відбувається їхня іонізація. В результаті замість одного електрона виникають два. Вони в свою чергу розганяються електричним полем і іонізують атоми або молекули, що зустрічаються на їх шляху, і т. д. Процес розвивається лавиноподібно і називається електронною лавиною. Описаний механізм іонізації називається іонізацією електронним ударом.

Експериментальний доказ те, що іонізація нейтральних атомів газу відбувається переважно завдяки ударам електронів, а чи не позитивних іонів, було дано Дж. Таунсендом. Він брав іонізаційну камеруу вигляді циліндричного конденсатора, внутрішнім електродом якого була тонка металева нитка, натягнута по осі циліндра. У такій камері електричне поле, що прискорює, сильно неоднорідне, і основну роль в іонізації відіграють частинки, які потрапляють в область найбільш сильного поляпоблизу нитки. Досвід показує, що при тому самому напрузі між електродами струм розряду більше в тому випадку, коли позитивний потенціал подається на нитку, а не на зовнішній циліндр. Саме в цьому випадку всі вільні електрони, що створюють струм, обов'язково проходять через область найбільш сильного поля.

Емісія електронів із катода.Самостійний розряд може бути стаціонарним лише за умови постійної появи в газі нових вільних електронів, оскільки всі електрони, що виникають в лавині, досягають анода і вибувають з гри. Нові електрони вибиваються з катода позитивними іонами, які при русі до катода також прискорюються електричним полем і набувають достатньої для цього енергії.

Катод може випускати електрони у результаті бомбардування іонами, а й самостійно, при нагріванні до високої температури. Такий процес називається термоелектронною емісією, його можна розглядати як свого роду випаровування електронів із металу. Зазвичай воно відбувається за таких температур, коли випаровування самого матеріалу катода ще мало. У разі самостійного газового розряду катод зазвичай розігрівається не

ниткою напруження, як у електронних лампах, а через виділення теплоти під час бомбардування його позитивними іонами. Тому катод випромінює електрони навіть тоді, коли енергія іонів недостатня для вибивання електронів.

Самостійний розряд у газі виникає не тільки в результаті переходу від несамостійного при підвищенні напруги та видаленні зовнішнього джерела іонізації, але і при безпосередньому додатку напруги, що перевищує граничну напругу запалювання. Теорія показує, що для запалення розряду достатньо незначної кількості іонів, які завжди присутні в нейтральному газі хоча б через природне радіоактивне тло.

Залежно від властивостей та тиску газу, конфігурації електродів та прикладеної до електродів напруги можливі різні види самостійного розряду.

Тліючий розряд.При низьких тисках (десяті та соті частки міліметра ртутного стовпа) у трубці спостерігається розряд, що тліє. Для запалювання розряду, що тліє, достатньо напруги в кілька сотень або навіть десятків вольт. У тліючому розряді можна виділити чотири характерні області. Це темне катодне простір, що тліє (або негативне) світіння, фарадєєво темний простір і позитивний стовп, що світиться, що займає більшу частину простору між анодом і катодом.

Перші три області розташовані поблизу катода. Саме тут відбувається різке падіння потенціалу, пов'язане з великою концентрацією позитивних іонів на межі катодного темного простору і свічення, що тліє. Електрони, прискорені в області темного катодного простору, виробляють в області тліючого світіння інтенсивну ударну іонізацію. Тліюче свічення обумовлено рекомбінацією іонів і електронів в нейтральні атоми або молекули. Для позитивного стовпа розряду характерне незначне падіння потенціалу і свічення, викликане поверненням збуджених атомів чи молекул газу основний стан.

Коронний розряд.При порівняно високих тисках у газі (порядку атмосферного) поблизу загострених ділянок провідника, де електричне поле сильно неоднорідне, спостерігається розряд, область якого нагадує корону. Коронний розряд іноді виникає в природних умовна верхівках дерев, корабельних щоглах і т. п. (Вогні святого Ельма). З коронним розрядом доводиться рахуватися в техніці високої напруги, коли цей розряд виникає навколо проводів високовольтних лінійелектропередачі та призводить до втрат електроенергії. Корисне практичне застосування коронний розрядзнаходить у електрофільтрах для очищення промислових газів від домішок твердих та рідких частинок.

При збільшенні напруги між електродами коронний розряд переходить у іскровий з повним пробоєм проміжку між

електродами. Він має вигляд пучка яскравих зигзагоподібних каналів, що розгалужуються, миттєво пронизують розрядний проміжок і примхливо змінюють один одного. Іскровий розряд супроводжується виділенням великої кількостітеплоти, яскравим блакитно-білим світінням та сильним потріскуванням. Його можна спостерігати між кульками електрофорної машини. Приклад гігантського іскрового розряду – природна блискавка, де сила струму досягає 5-105 А, а різниця потенціалів – 109 В.

Оскільки іскровий розряд відбувається при атмосферному (і вищому) тиску, то напруга запалювання дуже велика: у сухому повітрі при відстані між електродами 1 см воно становить близько 30 кВ.

Електричні дуги.Специфічним практично важливим видом самостійного газового розряду є електрична дуга. При зіткненні двох вугільних або металевих електродів у місці їхнього контакту виділяється велика кількість теплоти через великий опір контакту. В результаті починається термоелектронна емісія і при розсуві електродів між ними виникає дуга, що яскраво світиться, з сильно іонізованого добре провідного газу. Сила струму навіть не великий дузідосягає декількох ампер, а у великій дузі - декількох сотень ампер при напрузі близько 50 В. Електрична дуга широко застосовується в техніці як потужне джерелосвітла, в електропечах та для електрозварювання. слабке поле, що затримує, з напругою близько 0,5 В. Це поле перешкоджає попаданню на анод повільних електронів. Електрони випускаються катодом К, що підігрівається електричним струмом.

На рис. 105 показана отримана в цих дослідах залежність сили струму в анодному ланцюгу від прискорювальної напруги Ця залежність має немонотонний характер з максимумами при кратних напругах 4,9 В.

Дискретність рівнів енергії атома.Пояснити таку залежність струму від напруги можна лише наявністю у атомів дискретних ртуті. стаціонарних станів. Якби дискретних стаціонарних станів у атома не було, тобто його внутрішня енергіямогла б приймати будь-які значення, то непружні зіткнення, що супроводжуються збільшенням внутрішньої енергії атома, могли б відбуватися за будь-яких енергій електронів. Якщо ж дискретні стани є, то зіткнення електронів з атомами можуть бути тільки пружними, поки енергія електронів недостатня для переведення атома з основного стану в нижчий збуджений.

При пружних зіткненняхкінетична енергія електронів практично не змінюється, тому що маса електрона набагато менша за масу атома ртуті. У умовах кількість електронів, досягають анода, монотонно збільшується зі зростанням напруги. Коли прискорювальна напруга досягає значення 4,9, зіткнення електронів з атомами стають непружними. Внутрішня енергія атомів стрибком збільшується, а електрон внаслідок зіткнення втрачає майже всю свою кінетичну енергію.

Затримуюче поле також не пропускає повільні електрони до анода і сила струму різко зменшується. Вона не звертається в нуль лише тому, що частина електронів досягає сітки, не зазнавши непружних зіткнень. Другий і наступні максимуми сили струму виходять тому, що при напругах, кратних 4,9, електрони на шляху до сітки можуть випробувати кілька непружних зіткнень з атомами ртуті.

Отже, необхідну для непружного зіткнення енергію електрон набуває тільки після проходження різниці потенціалів 4,9 В. Це означає, що внутрішня енергія атомів ртуті не може змінитися на величину меншу еВ, що і доводить дискретність енергетичного спектра атома. Справедливість цього висновку підтверджується ще й тим, що при напрузі 4,9 розряд починає світитися: збуджені атоми при спонтанних

переходах в основний стан випромінюють видиме світлочастота якого збігається з обчисленою за формулою

У класичних дослідах Франка і Герца методом електронного удару було визначено як потенціали збудження, а й іонізаційні потенціали низки атомів.

Наведіть приклад досвіду з електростатики, з якого можна зробити висновок про те, що сухе повітря – це добрий ізолятор.

Де в техніці використовуються ізолюючі властивості повітря?

Що таке несамостійний газовий розряд? За яких умов він протікає?

Поясніть, чому швидкість зменшення концентрації, обумовлена ​​рекомбінацією, пропорційна квадрату концентрації електронів та іонів. Чому ці концентрації вважатимуться однаковими?

Чому для закону зменшення концентрації, що виражається формулою (3), не має сенсу вводити поняття характерного часу, широко використовуваного для експоненційно загасаючих процесів, хоча і в тому і в іншому випадку процеси продовжуються, взагалі кажучи, нескінченно довго?

Як на вашу думку, чому в визначеннях рухливостей у формулах (4) для електронів та іонів обрані протилежні знаки?

Яка сила струму при несамостійному газовому розряді залежить від прикладеної напруги? Чому із зростанням напруги відбувається перехід від закону Ома до струму насичення?

Електричний струму газі здійснюється як електронами, так і іонами. Однак на кожен із електродів приходять заряди лише одного знака. Як це узгоджується з тим, що у всіх ділянках послідовного ланцюга сила струму однакова?

Чому в іонізації газу в розряді через зіткнення найбільшу роль відіграють електрони, а не позитивні іони?

Опишіть характерні ознаки різних видівсамостійного газового розряду

Чому результати дослідів Франка та Герца свідчать про дискретність рівнів енергії атомів?

Опишіть фізичні процеси, що відбуваються в газорозрядній трубці у дослідах Франка та Герца, при підвищенні напруги, що прискорює.

Проведемо наступний досвід.

малюнок

Приєднаємо електрометр до дисків плоского конденсатора. Після цього зарядимо конденсатор. При звичайній температурі та сухому повітрі конденсатор буде розряджатися дуже повільно. З цього можна зробити висновок, що струм у повітрі між дисками дуже малий.

Отже, у звичайних умовах газ є діелектриком. Якщо тепер нагріти повітря між пластинами конденсатора, то стрілка електрометра швидко наблизиться до нуля, і, отже, конденсатор розрядиться. Значить, у нагрітому газі встановлюється електричний струм, і такий газ буде провідником.

Електричний струм у газах

Газовий розряд – процес проходження струму через газ. З досвіду видно, що зі збільшенням температури провідність повітря зростає. Крім нагрівання, провідність газу можна збільшити іншими способами, наприклад, дією випромінювань.

У звичайних умовах гази переважно складаються з нейтральних атомів і молекул, і тому є діелектриками. Коли ми впливаємо на газ випромінюванням або нагріваємо його, частина атомів починає розпадатися на позитивні іони та електрони – іонізуватися. Іонізація газу відбувається внаслідок того, що при нагріванні швидкість молекул і атомів збільшується дуже сильно, і при зіткненнях вони розпадаються на іони.

Провідність газу

Провідність у газах здійснюється в основному електронами. У газах поєднуються два види провідності: електронна та іонна. На відміну від розчинів електролітів, у газах утворення іонів відбувається або при нагріванні, або за рахунок дії зовнішніх іонізаторів – випромінювань, у той час як у розчинах електролітів утворення іонів викликане ослабленням міжмолекулярних зв'язків.

Якщо в якийсь момент іонізатор припинить свою дію на газ, струм теж припиниться. При цьому позитивно заряджені іони та електрони можуть знову об'єднатися – рекомбінувати. Якщо відсутнє зовнішнє поле, то заряджені частинки зникатимуть лише внаслідок рекомбінації.

Якщо дія іонізатора не буде перериватись, то встановиться динамічна рівновага. У стані динамічної рівноваги, число пар частинок (іонів і електронів), що знову утворюються, дорівнюватиме числу зникаючих пар - внаслідок рекомбінації.

Теми кодифікатора ЄДІ : носії вільних електричних зарядіву газах.

За звичайних умов гази складаються з електрично нейтральних атомів чи молекул; вільних зарядіву газах майже немає. Тому гази є діелектриками- Електричний струм через них не проходить.

Ми сказали «майже ні», тому що насправді гази і, зокрема, в повітрі завжди є кілька вільних заряджених частинок. Вони з'являються в результаті іонізуючого впливувипромінювань радіоактивних речовин, що входять до складу земної кори, ультрафіолетового та рентгенівського випромінюванняСонця, а також космічних променів – потоків частинок високої енергії, що проникають в атмосферу Землі з космічного простору. Згодом ми повернемося до цього факту й обговоримо його важливість, а зараз зауважимо лише, що в звичайних умовах провідність газів, викликана «природною» кількістю вільних зарядів, дуже мала, і її можна не брати до уваги.

На ізолюючих властивостях повітряного проміжку ґрунтується дія перемикачів в електричних ланцюгах (рис. 1). Наприклад, невеликий повітряний зазор у вимикачі світла виявляється достатньо, щоб розімкнути електричний ланцюг у вашій кімнаті.

Мал. 1 ключ

Проте можна створити такі умови, за яких електричний струм у газовому проміжку з'явиться. Давайте розглянемо наступний досвід.

Зарядимо пластини повітряного конденсатора і приєднаємо їх до чутливого гальванометра (рис. 2, зліва). При кімнатній температуріі не надто вологому повітрі гальванометр не покаже помітного струму: наш повітряний проміжок, як ми й казали, не є провідником електрики.

Мал. 2. Виникнення струму повітря

Тепер внесемо в зазор між пластинами конденсатора полум'я пальника або свічки (рис. 2, праворуч). Струм з'являється! Чому?

Вільні заряди у газі

Виникнення електричного струму між пластинами кондесатора означає, що повітря під впливом полум'я з'явилися вільні заряди. Які саме?

Досвід показує, що електричний струм у газах є впорядкованим рухом заряджених частинок. трьох видів . Це електрони, позитивні іониі негативні іони.

Давайте розберемося, як ці заряди можуть з'являтися у газі.

При збільшенні температури газу теплові коливання його частинок - молекул або атомів стають все інтенсивнішими. Удари частинок один про одного досягають такої сили, що починається іонізація- Розпад нейтральних частинок на електрони та позитивні іони (рис. 3).

Мал. 3. Іонізація

ступенем іонізаціїназивається відношення числа частинок газу, що розпалися, до загального вихідного числа частинок. Наприклад, якщо ступінь іонізації дорівнює , це означає, що вихідних частинок газу розпалося на позитивні іони і електрони.

Ступінь іонізації газу залежить від температури та різко зростає з її збільшенням. У водню, наприклад, при температурі нижче ступінь іонізації не перевищує , а при температурі вище ступінь іонізації близька до (тобто водень майже повністю іонізований (частково або повністю іонізований газ називається плазмою)).

Крім високої температури, є й інші фактори, що викликають іонізацію газу.

Ми їх уже мимохіть згадували: це радіоактивні випромінювання, ультрафіолетові, рентгенівські та гамма-промені, космічні частки. Кожен такий фактор, що є причиною іонізації газу, називається іонізатором.

Таким чином, іонізація відбувається не сама по собі, а під впливом іонізатора.

Одночасно йде і зворотний процес - рекомбінація, тобто возз'єднання електрона та позитивного іона в нейтральну частинку (рис. 4).

Мал. 4. Рекомбінація

Причина рекомбінації проста: це кулонівське тяжіння протилежно заряджених електронів та іонів. Прагнучи назустріч один одному під дією електричних сил, Вони зустрічаються і отримують можливість утворити нейтральний атом (або молекулу - залежно від сорту газу).

При незмінній інтенсивності дії іонізатора встановлюється динамічна рівновага: середня кількість частинок, що розпадаються в одиницю часу, дорівнює середній кількості рекомбінуючих частинок (іншими словами, швидкість іонізації дорівнює швидкості рекомбінації). бік іонізації, і концентрація заряджених частинок у газі зросте. Навпаки, якщо вимкнути іонізатор, рекомбінація почне переважати, і вільні заряди поступово зникнуть повністю.

Отже, позитивні іони та електрони з'являються в газі внаслідок іонізації. Звідки береться третій сорт зарядів - негативні іони? Дуже просто: електрон може налетіти на нейтральний атом та приєднатися до нього! Цей процес показано на рис. 5 .

Мал. 5. Поява негативного іона

Утворені таким чином негативні іони братимуть участь у створенні струму поряд із позитивними іонами та електронами.

Несамостійний розряд

Якщо зовнішнього електричного поля немає, то вільні заряди роблять хаотичне. тепловий рухпоряд із нейтральними частками газу. Але при накладенні електричного поля починається впорядкований рух заряджених частинок. електричний струм у газі.

Мал. 6. Несамостійний розряд

На рис. 6 ми бачимо три сорти заряджених частинок, що виникають у газовому проміжку під дією іонізатора: позитивні іони, негативні іони та електрони. Електричний струм у газі утворюється в результаті зустрічного руху заряджених частинок: позитивних іонів - до негативного електрода (катоду), електронів та негативних іонів - до позитивного електрода (анода).

Електрони, потрапляючи на позитивний анод, прямують ланцюгом до «плюсу» джерела струму. Негативні іони віддають аноду зайвий електрон і, ставши нейтральними частинками, повертаються назад газ; відданий аноду електрон також спрямовується до «плюсу» джерела. Позитивні іони, приходячи на катод, забирають звідти електрони; виниклий дефіцит електронів на катоді негайно компенсується їх доставкою туди з «мінусу» джерела. В результаті цих процесів виникає впорядкований рух електронів у зовнішньому ланцюзі. Це і є електричний струм, який реєструється гальванометром.

Описаний процес, зображений на рис. 6 , називається несамостійним розрядому газі. Чому несамостійним? Тому для його підтримки потрібна постійна дія іонізатора. Приберемо іонізатор – і струм припиниться, оскільки зникне механізм, що забезпечує появу вільних зарядів у газовому проміжку. Простір між анодом та катодом знову стане ізолятором.

Вольт-амперна характеристика газового розряду

Залежність сили струму через газовий проміжок від напруги між анодом та катодом (так звана вольт-амперна характеристика газового розряду) показано на рис. 7 .

Мал. 7. Вольт-амперна характеристика газового розряду

При нульовому напрузі сила струму, природно, дорівнює нулю: заряджені частинки здійснюють лише тепловий рух, упорядкованого їхнього руху між електродами немає.

При невеликій напрузі сила струму також мала. Справа в тому, що не всім зарядженим часткам судилося дістатися електродів: частина позитивних іонів і електронів у процесі свого руху знаходять один одного і рекомбінують.

З підвищенням напруги вільні заряди розвивають все більшу швидкість, і тим менше шансів у позитивного іона та електрона зустрітися та рекомбінувати. Тому все більша частина заряджених частинок досягає електродів, і сила струму зростає (ділянка).

При певній величині напруги (точка) швидкість руху зарядів стає настільки великою, що рекомбінація взагалі не встигає відбуватися. З цього моменту Усезаряджені частинки, утворені під дією іонізатора, досягають електродів, та струм досягає насичення- а саме сила струму перестає змінюватися зі збільшенням напруги. Так відбуватиметься аж до деякої точки.

Самостійний розряд

Після проходження точки сила струму зі збільшенням напруги різко зростає - починається самостійний розряд. Зараз ми розберемося, що таке.

Заряджені частинки газу рухаються від зіткнення до зіткнення; у проміжках між зіткненнями вони розганяються електричним полем, збільшуючи свою кінетичну енергію. І ось, коли напруга стає досить великою (та сама точка), електрони за час вільного пробігу досягають таких енергій, що при зіткненні з нейтральними атомами іонізують їх! (За допомогою законів збереження імпульсу та енергії можна показати, що саме електрони (а не іони), що прискорюються електричним полем, мають максимальну здатність іонізувати атоми.)

Починається так звана іонізація електронним ударом. Електрони, вибиті з іонізованих атомів, також розганяються електричним полем і налітають на нові атоми, іонізуючи тепер їх і породжуючи нові електрони. В результаті електронної лавини, що виникає, число іонізованих атомів стрімко зростає, внаслідок чого швидко зростає і сила струму.

Кількість вільних зарядів стає такою великою, що необхідність у зовнішньому іонізаторі відпадає. Його можна просто прибрати. Вільні заряджені частки тепер породжуються в результаті внутрішніхпроцесів, що відбуваються в газі – ось чому розряд називається самостійним.

Якщо газовий проміжок знаходиться під високою напругою, то для самостійного розряду не потрібен іонізатор. Достатньо в газі опинитися лише одному вільному електрону, і почнеться описана вище електронна лавина. А хоч би один вільний електрон завжди знайдеться!

Згадаймо ще раз, що в газі навіть за звичайних умов є деяка «природна» кількість вільних зарядів, обумовлена ​​іонізуючим радіоактивним випромінюванням земної кори, високочастотним випромінюванням Сонця, космічними променями. Ми бачили, що при малих напругах провідність газу, викликана цими вільними зарядами, мізерно мала, але тепер - при високій напрузі - вони і породять лавину нових частинок, давши початок самостійному розряду. Відбудеться, як то кажуть, пробійгазового проміжку.

Напруженість поля, необхідна для пробою сухого повітря, дорівнює приблизно кВ/см. Іншими словами, щоб між електродами, поділеними сантиметром повітря, проскочила іскра, на них потрібно подати напругу кіловольт. Уявіть, яка напруга необхідна для пробою кількох кілометрів повітря! Адже саме такі пробої відбуваються під час грози – це чудово відомі вам блискавки.

У природі немає абсолютних діелектриків. Упорядкований рух частинок - носіїв електричного заряду, тобто струм, можна викликати у будь-якому середовищі, проте для цього необхідні особливі умови. Ми розглянемо тут, як протікають електричні явищау газах і як газ можна з дуже гарного діелектрика перетворити на дуже хороший провідник. Нас цікавитиме, за яких умов виникає, а також якими особливостями характеризується електричний струм у газах.

Електричні властивості газів

Діелектрик - це речовина (середовище), в якому концентрація частинок - вільних носіїв електричного заряду - не досягає скільки-небудь значущої величини, внаслідок чого провідність дуже мала. Усі гази – хороші діелектрики. Їхні ізолюючі властивості використовуються повсюдно. Наприклад, у будь-якому вимикачі розмикання ланцюга відбувається, коли контакти наводяться в таке положення, щоб між ними утворився повітряний зазор. Проводи в лініях електропередач також ізолюються один від одного повітряним шаром.

Структурною одиницею будь-якого газу є молекула. Вона складається з атомних ядері електронних хмар, тобто є сукупність електричних зарядів, деяким чином розподілених у просторі. Молекула газу може бути внаслідок особливостей своєї будови чи поляризуватися під впливом зовнішнього електричного поля. Переважна більшість молекул, що становлять газ, у звичайних умовах електрично нейтральні, оскільки заряди в них компенсують один одного.

Якщо прикласти до газу електричне поле, молекули приймуть дипольну орієнтацію, займаючи просторове становище, що компенсує вплив поля. Присутні в газі заряджені частинки під дією кулонівських силпочнуть рух: позитивні іони – у напрямку катода, негативні іони та електрони – до анода. Однак якщо поле має недостатній потенціал, єдиний спрямований потік зарядів не виникає, і можна говорити швидше про окремі струми, настільки слабкі, що їх слід знехтувати. Газ поводиться як діелектрик.

Таким чином, для виникнення електричного струму в газах необхідна велика концентрація вільних носіїв заряду та наявність поля.

Іонізація

Процес лавиноподібного збільшення числа вільних зарядів у газі називають іонізацією. Відповідно, газ, у якому є значна кількість заряджених частинок, називається іонізованим. Саме у таких газах створюється електричний струм.

Процес іонізації пов'язані з порушенням нейтральності молекул. Внаслідок відриву електрона виникають позитивні іони, приєднання електрона до молекули призводить до утворення негативного іона. Крім того, в іонізованому газі багато вільних електронів. Позитивні іони та особливо електрони - головні носії заряду при електричному струмі в газах.

Іонізація відбувається, коли частинці повідомляється кілька енергії. Так, зовнішній електрон у складі молекули, отримавши цю енергію, може залишити молекулу. Взаємні зіткнення заряджених частинок з нейтральними призводять до вибивання нових електронів, і процес набуває лавиноподібного характеру. Кінетична енергія частинок також зростає, що значно сприяє іонізації.

Звідки береться енергія, що витрачається на збудження у газах електричного струму? Іонізація газів має кілька джерел енергії, відповідно до яких прийнято називати і її типи.

1. Іонізація електричним полем. В цьому випадку потенціальна енергіяполя перетворюється на кінетичну енергію частинок.
2. Термоіонізація. Підвищення температури веде до утворення великої кількості вільних зарядів.
3. Фотоіонізація. Суть даного процесуу тому, що енергію електронам повідомляють кванти електромагнітного випромінювання – фотони, якщо вони мають досить високу частоту (ультрафіолетові, рентгенівські, гамма-кванти).
4. Ударна іонізація є результатом перетворення кінетичної енергії частинок, що стикаються, в енергію відриву електрона. Поряд з термоіонізацією, вона є основним фактором збудження в газах електричного струму.

Кожен газ характеризується певною граничною величиною - енергією іонізації, необхідної для того, щоб електрон міг відірватися від молекули, подолавши потенційний бар'єр. Ця величина для першого електрона становить від кількох вольт до двох десятків вольт; для відриву наступного електрона від молекули потрібно більше енергії тощо.

Слід враховувати, що з іонізацією в газі протікає зворотний процес - рекомбінація, тобто відновлення нейтральних молекул під дією кулонівських сил тяжіння.

Газовий розряд та його типи

Отже, електричний струм у газах обумовлений упорядкованим рухом заряджених частинок під дією доданого до них електричного поля. Наявність таких зарядів, у свою чергу, можлива завдяки різним фактораміонізації.

Так, термоіонізація потребує значних температур, але відкрите полум'я у зв'язку з деякими хімічними процесами сприяє іонізації. Навіть при порівняно невисокій температурі в присутності полум'я фіксується поява в газах електричного струму, і досвід із провідністю газу дозволяє легко переконатися в цьому. Потрібно помістити полум'я пальника чи свічки між обкладками зарядженого конденсатора. Ланцюг, розімкнений раніше через повітряного зазору в конденсаторі, замкнеться. Включений у ланцюг гальванометр покаже наявність струму.

Електричний струм у газах називається газовим розрядом. Потрібно мати на увазі, що для підтримки стабільності розряду дія іонізатора повинна бути постійною, оскільки через постійну рекомбінацію газ втрачає електропровідні властивості. Одні носії електричного струму в газах – іони – нейтралізуються на електродах, інші – електрони, – потрапляючи на анод, прямують до «плюсу» джерела поля. Якщо іонізуючий фактор перестане діяти, газ негайно знову стане діелектриком і струм припиниться. Такий струм, який залежить від дії зовнішнього іонізатора, називається несамостійним розрядом.

Особливості проходження електричного струму через гази описуються особливою залежністю сили струму від напруги – вольт-амперною характеристикою.

Розглянемо розвиток газового розряду на графіку вольт-амперної залежності. При підвищенні напруги до деякого значення U 1 струм наростає пропорційно до нього, тобто виконується закон Ома. Зростає кінетична енергія, отже, і швидкість зарядів у газі, і цей процес випереджає рекомбінацію. При значеннях напруги від U1 до U2 таке співвідношення порушується; при досягненні U 2 всі носії зарядів досягають електродів, не встигаючи рекомбінувати. Усі вільні заряди задіяні, та подальше підвищеннянапруги не призводить до збільшення сили струму. Такий характер руху зарядів називається струмом насичення. Таким чином, можна сказати, що електричний струм у газах обумовлений особливостями поведінки іонізованого газу в електричних полях різної напруженості.

Коли різниця потенціалів на електродах досягає певного значення U 3 напруга стає достатнім, щоб електричне поле викликало лавиноподібну іонізацію газу. Кінетичної енергіївільних електронів вистачає для ударної іонізації молекул. Швидкість їх у більшості газів становить близько 2000 км/с і від (вона розраховується за наближеною формулою v=600 U i , де U i - іонізаційний потенціал). У цей момент відбувається пробій газу та суттєве зростання струму за рахунок внутрішнього джерелаіонізації. Тому такий розряд називається самостійним.

Наявність зовнішнього іонізатора в даному випадкуне відіграє ролі підтримки у газах електричного струму. Самостійний розряд у різних умовах і при різних характеристикахджерела електричного поля може мати ті чи інші особливості. Виділяють такі типи самостійного розряду, як тліючий, іскровий, дуговий та коронний. Ми розглянемо, як поводиться електричний струм у газах, коротко для кожного з цих типів.

Досить різниці потенціалів від 100 (і навіть менше) до 1000 вольт для збудження самостійного розряду. Тому тліючий розряд, що характеризується малим значенням сили струму (від 10 -5 до 1 А), виникає при тисках не більше кількох міліметрів ртутного стовпа.

У трубці з розрідженим газом і холодними електродами формується тліючий розряд виглядає як тонкий шнур, що світиться між електродами. Якщо продовжити відкачування газу з трубки, спостерігатиметься розмивання шнура, а при тисках у десяті частки міліметрів ртутного стовпа свічення заповнює трубку практично повністю. Світло відсутнє поблизу катода - у так званому темному катодному просторі. Решта називається позитивним стовпом. При цьому головні процеси, що забезпечують існування розряду, локалізуються саме в темному катодному просторі та прилеглій до нього області. Тут відбувається прискорення заряджених частинок газу, що вибивають із катода електрони.

При тліючий розряд причиною іонізації є електронна емісія з катода. Випущені катодом електрони виробляють ударну іонізацію молекул газу, позитивні іони, що виникають, викликають вторинну емісію з катода і так далі. Світіння позитивного стовпа пов'язано в основному з віддачею фотонів збудженими молекулами газу, і для різних газівхарактерне свічення певного кольору. Позитивний стовп бере участь у формуванні розряду, що тліє, тільки як ділянка електричного ланцюга. Якщо зближувати електроди, можна досягти зникнення позитивного стовпа, але при цьому розряд не припиниться. Однак з подальшим скороченнямвідстані між електродами тліючий розряд не зможе існувати.

Необхідно відзначити, що для даного типуелектричного струму в газах фізика деяких процесів ще повністю не прояснена. Наприклад, поки залишається незрозумілою природа сил, що викликають зі збільшенням струму розширення лежить на поверхні катода області, що бере участь у розряді.

Іскровий розряд

Іскровою пробою має імпульсний характер. Він виникає при тисках, близьких до нормального атмосферного, у випадках, коли потужності джерела електричного поля недостатньо підтримки стаціонарного розряду. Напруженість поля у своїй велика і може досягати 3 МВ/м. Явище характеризується різким зростанням розрядного електричного струму газі, одночасно напруга надзвичайно швидко падає, і розряд припиняється. Далі знову зростає різниця потенціалів і весь процес повторюється.

При цьому тип розряду формуються короткочасні іскрові канали, зростання яких може починатися з будь-якої точки між електродами. Це пов'язано з тим, що ударна іонізація відбувається випадковим чином у місцях, де в Наразіконцентрується найбільша кількістьіонів. Поблизу іскрового каналу газ швидко нагрівається та відчуває теплове розширення, що викликає акустичні хвилі Тому іскровий розряд супроводжується тріском, а також виділенням теплоти та яскравим свіченням. Процеси лавинної іонізації породжують у іскровому каналі високий тискта температури до 10 тисяч градусів та вище.

Найяскравішим прикладом природного іскрового розряду є блискавка. Діаметр головного іскрового каналу блискавки може становити від кількох сантиметрів до 4 м, а довжина каналу досягатиме 10 км. Величина сили струму сягає 500 тис. ампер, а різниця потенціалів між грозовим хмарою і поверхнею Землі сягає мільярда вольт.

Найбільш довга блискавка завдовжки 321 км спостерігалася у 2007 році в Оклахомі, США. Рекордсменом за тривалістю стала блискавка, зафіксована у 2012 році у Французьких Альпах – вона тривала понад 7,7 секунди. При ударі блискавки повітря може розігрітися до 30 тисяч градусів, що у 6 разів перевищує температуру видимої поверхніСонце.

У тих випадках, коли потужність джерела електричного поля досить велика, іскровий розряд розвивається у дуговому.

Цей вид самостійного розряду характеризується великою щільністю струму і малою (меншою, ніж при розряді, що тліє) напругою. Дистанція пробою невелика завдяки близькому розташуванню електродів. Розряд ініціюється випромінюванням електрона з поверхні катода (для атомів металів потенціал іонізації невеликий порівняно з молекулами газів). Під час пробою між електродами створюються умови, за яких газ проводить електричний струм, і виникає іскровий розряд, що замикає ланцюг. Якщо потужність джерела напруги досить велика, іскрові розряди переходять у стійку електричну дугу.

Іонізація при дуговому розряді досягає майже 100%, сила струму дуже велика і може становити від 10 до 100 ампер. При атмосферному тискудуга здатна нагріватися до 5-6 тисяч градусів, а катод – до 3 тисяч градусів, що призводить до інтенсивної термоелектронної емісії з його поверхні. Бомбардування анода електронами призводить до часткового руйнування: утворюється поглиблення - кратер з температурою близько 4000 °C. Збільшення тиску спричиняє ще більше зростання температур.

При розведенні електродів дуговий розрядзалишається стійким до певної відстані, що дозволяє боротися з ним на тих ділянках електрообладнання, де він шкідливий через корозію, що викликається ним, і вигоряння контактів. Це такі пристрої, як високовольтні та автоматичні вимикачі, контактори та інші. Одним із методів боротьби з дугою, що виникає при розмиканні контактів, є використання дугогасних камер, заснованих на принципі подовження дуги. Застосовуються і багато інших методів: шунтування контактів, використання матеріалів з високим потенціаломіонізації тощо.

Розвиток коронного розряду відбувається при нормальному атмосферному тиску різко неоднорідних поляху електродів, що мають велику кривизну поверхні. Це можуть бути шпилі, щогли, дроти, різні елементиелектроустаткування, що мають складну форму, і навіть волосся людини. Такий електрод називається коронувальним. Іонізаційні процеси і, відповідно, свічення газу мають місце лише поблизу нього.

Корона може формуватися як на катоді (негативна корона) при бомбардуванні його іонами, так і на аноді (позитивна) в результаті фотоіонізації. Негативна корона, в якій іонізаційний процес як наслідок термоемісії спрямований від електрода, характеризується рівним свіченням. У позитивній короні можуть спостерігатися стримери - лінії лінії ламаної конфігурації, що світяться, можуть перетворитися на іскрові канали.

Прикладом коронного розряду в природних умовах є високі щогли, що виникають на вістрях, верхівках дерев і так далі. Вони утворюються при великій напруженості електричного поля в атмосфері, часто перед грозою або під час хуртовини. Крім того, їх фіксували на обшивці літаків, що потрапили у хмару вулканічного попелу.

Коронний розряд на дротах ЛЕП веде до значних втрат електроенергії. При великій напрузі коронний розряд може переходити до дугового. Боротьбу з ним ведуть у різний спосібнаприклад, шляхом збільшення радіуса кривизни провідників.

Електричний струм у газах та плазма

Повністю або частково іонізований газ називається плазмою і вважається четвертим агрегатним станомречовини. У цілому нині плазма електрично нейтральна, оскільки сумарний заряд складових її частинок дорівнює нулю. Це відрізняє її від інших систем заряджених частинок, таких як електронні пучки.

У природних умовах плазма утворюється, як правило, за високих температур внаслідок зіткнення атомів газу на великих швидкостях. Переважна частина баріонної матерії у Всесвіті перебуває у стані плазми. Це зірки, частина міжзоряної речовини, міжгалактичний газ. Земна іоносфера також є розрідженою слабо іонізованою плазмою.

Ступінь іонізації є важливою характеристикоюплазми - від неї залежать провідні властивості. Ступінь іонізації визначається як відношення кількості іонізованих атомів до загальної кількостіатомів в одиниці об'єму. Чим сильніше іонізована плазма, тим вища її електропровідність. Крім того, їй властива висока рухливість.

Ми бачимо, таким чином, що гази, що проводять електричний струм, у межах каналу розряду являють собою не що інше, як плазму. Так, тліючий та коронний розряди – це приклади холодної плазми; іскровий канал блискавки або електрична дуга – приклади гарячої, практично повністю іонізованої плазми.

Електричний струм у металах, рідинах та газах - відмінності та подібність

Розглянемо особливості, якими характеризується газовий розряд проти властивостями струму інших середовищах.

У металах струм - це спрямований рух вільних електронів, що не тягне за собою хімічних змін. Провідники такого типу називають провідниками першого роду; до них відносяться, крім металів та сплавів, вугілля, деякі солі та оксиди. Їх вирізняє електронна провідність.

Провідники другого роду – це електроліти, тобто рідкі водні розчини лугів, кислот та солей. Проходження струму пов'язане з хімічною зміноюелектроліту – електролізом. Іони речовини, розчиненої у воді, під дією різниці потенціалів переміщуються в протилежні сторони: позитивні катіони - до катода, негативні аніони - до аноду Процес супроводжується виділенням газу чи відкладенням шару металу на катоді. Провідникам другого роду властива іонна провідність.

Що стосується провідності газів, то вона, по-перше, тимчасова, по-друге, має ознаки подібності та відмінності з кожним із них. Так, електричний струм і в електролітах, і в газах - це спрямований до протилежних електродів дрейф заряджених часток часток. Однак у той час як електроліти характеризуються чисто іонною провідністю, в газовому розряді при поєднанні електронного і іонного типівпровідності провідна роль належить електронам. Ще одна відмінність електричного струму в рідинах і газах полягає в природі іонізації. В електроліті молекули розчиненої сполуки дисоціюють у воді, а в газі молекули не руйнуються, а лише втрачають електрони. Тому газовий розряд, як і струм у металах, не пов'язаний із хімічними змінами.

Неоднакова також і струму в рідинах та газах. Провідність електролітів загалом підпорядковується закону Ома, а за газовому розряді не дотримується. Вольт-амперна характеристика газів має набагато більше важкий характер, пов'язаний із властивостями плазми

Слід згадати і про загальні та відмінних рисахелектричного струму в газах та у вакуумі. Вакуум – це майже ідеальний діелектрик. "Майже" - тому що у вакуумі, незважаючи на відсутність (точніше, надзвичайно малу концентрацію) вільних носіїв заряду, теж можливий струм. Але в газі потенційні носіївже присутні, їх необхідно іонізувати. У вакуум носії заряду вносяться з речовини. Як правило, це відбувається в процесі електронної емісії, наприклад, при нагріванні катода (термоелектронна емісія). Але і в різних типахгазових розрядів емісія, як ми бачили, грає важливу роль.

Застосування газових розрядів у техніці

Про шкідливій діїтих чи інших розрядів коротенько вже йшлося вище. Тепер звернемо увагу на користь, яку вони приносять у промисловості та побуті.

Тліючий розряд застосовують в електротехніці (стабілізатори напруги), технології нанесення покриттів (метод катодного розпилення, заснований на явищі корозії катода). В електроніці його використовують для отримання іонних та електронних пучків. Широко відомою сферою застосування тліючого розряду є люмінесцентні та так звані економічні лампи та декоративні неонові та аргонові газорозрядні трубки. Крім того, тліючий розряд застосовують і в спектроскопії.

Іскровий розряд знаходить застосування в запобіжниках, в електроерозійних методах точної обробки металів (іскрове різання, свердління тощо). Але найбільш відомий він завдяки використанню у свічках запалювання двигунів. внутрішнього згоряннята у побутовій техніці (газові плити).

Дуговий розряд, будучи вперше використаний в освітлювальній техніці ще в 1876 (свічка Яблочкова - «російське світло»), досі служить як джерело світла - наприклад, в проекційних апаратах і потужних прожекторах. У електротехніці дуга використовується у ртутних випрямлячах. Крім того, вона застосовується в електрозварюванні, у різанні металу, у промислових електропечах для виплавки сталі та сплавів.

Коронний розряд знаходить застосування в електрофільтрах для іонного очищення газів, у лічильниках елементарних частинок, у блискавковідводах, у системах кондиціювання повітря. Також коронний розряд працює в копіювальних апаратах та лазерних принтерах, де за допомогою його проводиться заряд та розрядка світлочутливого барабана та перенесення порошку з барабана на папір.

Таким чином, газові розряди всіх типів знаходять саме широке застосування. Електричний струм у газах успішно та ефективно використовується у багатьох галузях техніки.

1. Іонізація, її сутність та види.

Першою умовою існування електричного струму є наявність вільних носіїв заряду. У газах вони виникають унаслідок іонізації. Під впливом факторів іонізації від нейтральної частки відокремлюється електрон. Атом стає позитивним іоном. Таким чином, виникає 2 типи носіїв заряду: позитивний іонта вільний електрон. Якщо електрон приєднається до нейтрального атома, виникає негативний іон, тобто. третій тип носія заряду. Іонізований газ називають провідником третього роду. Тут можливо 2 типи провідності: електронна та іонна. Поруч із процесами іонізації йде зворотний процес- рекомбінація. Для відокремлення електрона від атома треба витратити енергію. Якщо енергія поводиться ззовні, то фактори, що сприяють іонізації, називаються зовнішніми. висока температура, іонізуюче випромінювання, у/ф випромінювання, сильні магнітні поля). Залежно від факторів іонізації її називають термоіонізацією, фотоіонізацією. Також іонізація може бути спричинена механічним ударом. Чинники іонізації поділяються на природні та штучні. Природна викликана випромінюванням Сонця, радіоактивним тлом Землі. Крім зовнішньої іонізацією є внутрішня. Її ділять на ударну та східчасту.

Ударна іонізація.

При досить високій напрузі, електрони розігнані полем до великих швидкостей, Самі стають джерелом іонізації. При ударі такого електрона про нейтральний атом відбувається вибивання електрона з атома. Це відбувається, коли енергія електрона, що викликає іонізацію, перевищує енергію іонізації атома. Напруга між електродами має бути достатньою для придбання електроном потрібної енергії. Ця напруга називається іонізаційною. Для кожного має значення.

Якщо енергія електрона, що рухається менше, ніж це необхідно, то при ударі відбувається лише збудження нейтрального атома. Якщо електрон, що рухається, стикається з попередньо збудженим атомом, то відбувається ступінчаста іонізація.

2. Несамостійний газовий розряд та його вольт-амперна характеристика.

Іонізація призводить до виконання першої умови існування струму, тобто. до появи вільних набоїв. Для виникнення струму потрібна наявність зовнішньої сили, що змусить заряди рухатися спрямовано, тобто. необхідно електричне поле. Електричний струм у газах супроводжуються низкою явищ: світлових, звукових, утворення озону, оксидів азоту. Сукупність явищ супроводжуючих проходженням струму через газ-газовийрозряд. Часто газовим розрядом називають процес проходження струму.

Розряд називається несамостійним, якщо він існує лише під час дії зовнішнього іонізатора. У цьому випадку після припинення дії зовнішнього іонізатора не утворюються нові носії заряду і струм припиняється. При несамостійному розряді струми мають за величиною невелике значення, а світіння відсутнє.

Самостійний газовий розряд, його види та характеристика.

Самостійний газовий розряд - це розряд, що може існувати після припинення впливу зовнішнього іонізатора, тобто. за рахунок ударної іонізації. У цьому випадку спостерігається світлові та звукові явища, сила струму може значно збільшуватись.

Види самостійного розряду:

1. тихий розряд -слід безпосередньо за несамостійним, сила струму не перевищує 1 мА, звукових і світлових явищ немає. Застосовується у фізіотерапії, лічильниках Гейгера – Мюллера.

2. тліючий розряд. При збільшенні напруги тихий перетворюється на тліючий. Він виникає при певному напрузі - напрузі запалювання. Воно залежить від виду газу. Неон 60-80 В. Також залежить від тиску газу. Тліючий розряд супроводжується світінням, воно пов'язане з рекомбінацією, що йде з виділенням енергії. Колір також залежить від типу газу. Застосовується в індикаторних лампах (неонових, у/ф бактерицидних, освітлювальних, люмінесцентних).

3. Дуговий розряд. Сила струму 10 - 100 А. Супроводжується інтенсивним світінням, температура в газорозрядному проміжку сягає кількох тисяч градусів. Іонізація сягає майже 100%. 100% іонізований газ – холодна газова плазма. Має хорошу провідність. Застосовується в ртутних лампах високого та надвисокого тиску.

4. Іскровий розряд - це різновид дугового. Це розряд імпульсно - коливального характеру. У медицині застосовується вплив високочастотних коливань. великої щільностіструму спостерігаються інтенсивні звукові явища.

5. коронний розряд. Це різновид тліючого розряду Він спостерігається в місцях де відбувається різка змінанапруги електричного поля. Тут виникає лавина зарядів та свічення газів – корона.