Постоянный ток в газах

Газы, в отличие от металлов и электролитов, состоят из атомов и молекул. В газах атомы и молекулы находятся в обособленном состоянии и, соответственно, они полностью электрически нейтральны. Газы, следовательно, не содержат свободных носителей тока, способных приходить в упорядоченное движение под действием электрического поля.

При обычных условиях газ не проводит ток. Газ становится проводящим, если часть его молекул или весь объем ионизировать. Под ионизированным газом, понимают газ, в котором часть или весь объем молекул, расщеплен на электроны и свободные ионы. В ионизированном газе могут образовываться отрицательные ионы при присоединении освободившихся электронов к нейтральным молекулам газа. Для ионизации атомов или молекул газа необходимо совершить работу, которая называется работой ионизации.

Работа ионизации зависит от химической природы газа и энергетического состояния вырываемого электрона в ионизируемом атоме или молекул. Наименьшей потенциальной энергией в атоме или молекуле обладают электроны внешней (валентной) оболочки. При удалении из атома валентного электрона и образования положительного иона прочность химической связи остальных электронов возрастает. Следовательно, для удаления второго электрона из одновалентно ионизированного иона нужно совершить большую работу, чем для удаления первого электрона. Работу ионизации характеризуют потенциалом ионизации, и, обычно, выражают в электрон-вольтах.

Ионизация газа может происходить под действием внешних воздействий, кроме внешнего электрического поля. Различают термоионизацию и фотоионизацию (ударную ионизацию). Под термоионизацией понимают ионизацию газа в результате сильного нагрева. При фотоионизации, газ приобретает ионизированное состояние под действием облучения электромагнитными волнами (радиоволны, свет, рентгеновское излучение, гамма-излучение) или потоком частиц (электронов, ионов, нейтронов, протонов и др. частицами).

Количественной характеристикой процесса ионизации газа служит интенсивность ионизации. Интенсивность ионизации при изохорном состоянии газа равна отношению суммарного количества пар положительно и отрицательно заряженных частиц к объему и единице времени, за которое эти ионы рождаются.

В обычных условиях газ подвергается воздействию естественного радиоактивного и космического излучений. Следовательно, строго говоря, проводимость газа никогда не равна нулю, т.к. в нем всегда имеются индуцированные внешними излучениями ионы, только если не приняты специальные меры защиты газа от действия всей естественных внешних источников ионизации. Интенсивность ионизации под воздействием космического излучения и естественной радиации очень мала и на проводимость газов влияет только в достаточно сильных электрических полях.

Прохождение электрического тока через газ называется электрическим разрядом в газе или газовым разрядом.

Если электропроводность газа создается и поддерживается за счет действия внешнего источника ионизации, то проходящий при этом электрический разряд в газе называется несамостоятельным газовым разрядом. Несамостоятельный разряд в газе прекращается, как только прекращается действие внешнего ионизатора. Несамостоятельный газовый разряд подобен току в электролитах: оба они осуществляются упорядоченно движущимися ионами (свободные электроны в ионизированном газе можно рассматривать как простейшие отрицательные ионы). При ионизации газа обычно образуются одновалентные положительные ионы и электроны. Плотность тока в газе будет подчиняться закону:

,

где n₀ – объемная концентрация ионов; μ₊ и μ_– – скорости (подвижности) положительных и отрицательных ионов. Как показывает опыт, подвижности газообразных ионов в широком интервале давлений обратно пропорциональны давлению и при не слишком больших значениях напряженностей электрического поля не зависят от напряженности внешнего электрического поля. При небольших значениях напряженности электрического поля несамостоятельный газовый разряд подчиняется закону Ома. При дальнейшем увеличении напряженности электрического поля сила тока при несамостоятельном газовом разряде растет медленно и концентрация ионов проводимости уменьшается, что приводит к нарушению закона Ома. Начиная с некоторого значения напряженности электрического поля сила тока достигает насыщения, и не зависит от напряженности внешнего поля. Это явление объясняется тем, что все ионы, возникающие в газе, не успевают на пути к электродам восстановиться в нейтральные молекулы: все ионы доходят до электродов. Ток насыщения определяется количеством пар одновалентных ионов n_СЕК, образующихся за 1 секунду под действием внешнего ионизатора:

.

При дальнейшем увеличении напряжения между электродами сила тока начинает резко возрастать и разряд становится самостоятельным, т.е. не прекращающийся без влияния внешнего ионизатора. Это явление обуславливается резким возрастанием носителей заряда в газе, приводящего к явлению электрического пробоя или «зажигания» газа.

При пробое газа первичные ионы, образовавшиеся под действием сильного электрического поля, ускоряясь в нем приобретают достаточную кинетическую энергию для ионизации молекул газа с рождением вторичных электронов. И в этом случае, образуется двусторонняя лавина электронов и положительных ионов, возникающих во всем объеме газа. Газ становится полностью ионизированным и, подобно металлу, отличным проводником тока.

При нормальном атмосферном давлении газа или большем чем атмосферное различают четыре вида самостоятельного газа: коронный, кистевой, искровой и дуговой.

Коронный разряд возникает при нормальном давлении в газе, находящимся в сильно неоднородном электрическом поле (например, около заряженных остриев или проводов линий высокого напряжения). По внешнему виду свечение газа напоминает корону из нескольких окрашенных «языков» ионизированного газа. При коронном разряде ионизация газа и его свечение происходит лишь вблизи коронирующих электродов. В случае коронирования катода (отрицательная корона) электроны, вызывающие ударную ионизацию молекул газа, выбиваются из катода при бомбардировке его положительными ионами. Если коронирует анод (положительная корона), то рождение электронов происходит вследствии фотоионизации вблизи анода.

При повышении напряжения на острие коронный разряд приобретает вид исходящих из острия и перемешивающихся во времени светящихся линий. Эти линии имеют ряд изломов и изгибов и образуют подобие кисти, вследствии чего такой разряд называют кистевым.

Если напряжение между электродами увеличивать, то коронный разряд перейдет в искровой. Искровой разряд представляет собой нестационарный самостоятельный разряд в газе, имеющий вид ярких зигзагообразных нитей-каналов, которые пронизывают разрядный промежуток между электродами и исчезают, сменяясь новыми. Искровой разряд сопровождается большим выделением теплоты, ярким свечением газа, треском и громом. Примером гигантского искрового разряда в атмосфере между заряженными облаками или облаком и Землей является молния. Сила тока в главном канале молнии достигает десяткой, а иногда и сотен тысяч ампер. Дуговой разряд происходит при большой плотности тока и сравнительно небольшом напряжении между электродами порядка нескольких десятков вольт. Канал разряда идет по дуге, поэтому и назван дуговым. Основной причиной дугового разряда является интенсивное испускание термоэлектронов раскаленным катодом. Эти электроны ускоряются электрическим полем и производят ударную ионизацию молекул газа, благодаря чему электрическое сопротивление газового промежутка между электродами сравнительно мало. Если уменьшить сопротивление внешней цепи, увеличить силу тока дугового разряда, то проводимость газового промежутка столь сильно возрастает, что напряжение между электродами уменьшается. Температура газа в канале дугового разряда достигает значения более 5000 градусов, а температура электродов более 3000 градусов при нормальном давлении воздуха. Высокая температура дугового разряда позволяет использовать его для сварки, резки и плавления металл.

При низких давлениях, порядка нескольких килопаскалей и меньше происходит самостоятельный стационарный разряд, который называют тлеющим. Он происходит в разрядных трубках с холодным катодом и отличается малой плотностью тока и большим падением потенциала в области разряда около катода. Тлеющий разряд используется в газосветовых трубках, лампах дневного света для получения электронных и ионных пучков. В тлеющем разряде реализуется четвертое состояние вещества, называемым плазмой.

Плазмой называется квазинейтральный ионизированный газ. Т.е. такой ионизированный газ, в котором объемные плотности положительных (ρ₊) и отрицательных зарядов (ρ_–) практически одинаковы по абсолютному значению.

.

Из-за теплового движения ионов мгновенные значения объемных плотностей положительных и отрицательных зарядов совершают беспорядочные колебания (тепловые флуктуации) около средних значений, так что равенство их нарушается в той или иной степени. Поэтому определение квазинейтральности плазмы нуждается в уточнении. Ионизированный газ можно считать плазмой, если его объем во много раз больше объемов областей газа, в пределах которых возможны заметные случайные отклонения от нуля суммы положительных и отрицательных зарядов, обусловленные тепловым движением ионов и электронов, т.е. , где D – характерный размер, называемый дебаевским радиусом экранирования.

Плазма называется идеальной, или газовой если потенциальная энергия кулоновского взаимодействия двух частиц плазмы, находящихся на среднем расстоянии друг от друга, равном , мала по сравнению с их кинетической энергией теплового движения.

Плазму классифицируют по степени ионизации и температуре. Степенью ионизации плазмы (α) называют отношение числа ионизированных атомов к их общему числу в плазме. По степени ионизации плазму разделяют на слабо ионизированную (α<0,01), умеренно ионизированную и полностью ионизированную (α близка к 1,0). По температуре ионов плазму делят на низкотемпературную (температура ионизированного газа меньше 10⁵ К) и высокотемпературную (температура положительных ионов больше 10⁷ К). Если температура электронов в плазме отличается от температуры ионов, такую плазму называют неизотермической, а при равенстве температур – изотермичной.

В заключении отметим, что плазменное состояние вещества наиболее распространено во вселенной. Солнце и другие звезды полностью состоят из высокотемпературной плазмы. Холодные туманности и межзвездная среда также находятся в плазменном состоянии. Они представляют собой низкотемпературную плазму, ионизация которой происходит главным образом путем фотоионизации под действием ультрафиолетового и рентгеновского излучения звезд.