Электрический ток в газах - причины появления и применение

Процесс ионизации

При стандартных условиях газообразные вещества являются диэлектриками. Это объясняется отсутствием в их структуре большого числа свободных частиц с разными зарядами. Стать электропроводным газ может лишь при условии его ионизации. Это явление представляет собой расщепление молекул на положительно и отрицательно заряженные частицы.

Ионизация возможна только под воздействием внешних факторов. Причины, влияющие на этот процесс, называются ионизаторами. Электроны, лишенные атомных связей, могут захватываться частицами с нейтральным зарядом, благодаря чему образуются положительные ионы. В электрическом газе, подвергшемся ионизации, в качестве носителей заряда присутствуют электроны, положительные и отрицательные ионы. Существует 3 типа ионизации:

1. Термо. Наблюдается при столкновении частиц газообразных веществ при высоких температурах. Их кинетическая энергия движения должна превосходить показатель молекулярной связи электронов в атомах.
2. Фото. Этот процесс протекает под воздействием электромагнитного излучения. Требуемая для отделения электронов энергия передается молекулам квантами излучения.
3. Ударная. Заряженные частицы появляются благодаря столкновению нейтральных частиц с быстро движущимися электронами. При этом они должны обладать большим показателем кинетической энергии.

Также необходимо рассмотреть еще одно явление, протекающее в ионизированных газах, — рекомбинацию. Ее суть сводится к восстановлению нейтральных ионов из разнозаряженных частиц. Процесс сопровождается выделением определенного количества энергии, показатель которой соответствует значению, израсходованному на ионизацию.

В результате могут проявляться различные явления, например, свечение. Это говорит о том, что возникновение электрического тока в газах обусловлено упорядоченным движением частиц с определенными зарядами. Это явление наблюдается лишь под воздействием внешнего поля. Можно сказать, что газ и электричество при определенных условиях являются вполне сочетаемыми понятиями.

Газовые разряды

Если поместить ионизированный газ в электрополе, то на свободные заряды начнут воздействовать электрические силы. Они всегда направлены параллельно линиям напряженности. В результате движение заряженных частиц из хаотичного становится упорядоченным — отрицательные движутся в направлении анода, а положительные — к катоду. После контакта с электродами частицы становятся нейтральными, так как отдали либо приняли электроны. В результате цепь замыкается, и появляется электроток.

Процесс прохождения электронного тока через газообразное вещество называют разрядом. В газообразных веществах сочетаются два вида проводимости — электронная и ионная.

Несамостоятельный и самостоятельный ток

Описанный кратко механизм возникновения тока в газах под воздействием внешнего поля представляет собой несамостоятельный разряд. После снятия внешнего воздействия электроток в газообразном веществе исчезает. Чтобы исследовать зависимости силы тока от напряжения, предстоит использовать стеклянную трубку, в которую впаяны электроды.

Если начать воздействовать на это устройство с помощью ионизатора, например, рентгеновского излучения, то в газе каждую секунду будет появляться некоторое количество пар свободных частиц с определенным зарядом. При отсутствии на клеммах электродов напряжения сила тока окажется равной нулю. Создав небольшую разницу потенциалов, можно заставить заряженные частицы упорядочено перемещаться, что приведет к появлению газового разряда.

Но из-за рекомбинации не все образованные в результате процесса ионизации ионы смогут дойти до электродов. Часть этих частиц приобретет нейтральный заряд. При увеличении разности потенциалов число заряженных ионов и электронов будет возрастать. При достижении определенного напряжения все заряженные частицы доберутся до электродов. Это позволяет говорить о том, что электроток достиг насыщения.

В результате вольт-амперная характеристика при появлении несамостоятельного тока становится нелинейной. Говоря проще, закон Ома в газах работает лишь при небольшой разнице потенциалов.

Если после достижения насыщения тока продолжить увеличивать напряжение на электродах, то при большой разнице потенциалов его сила начнет стремительно возрастать. Это связано с тем, что в газообразном веществе образуются дополнительные заряженные частицы сверх тех, что появляются под воздействием ионизатора. В определенный момент необходимость использования внешнего поля для поддержания разряда отпадет.

Такой электрический ток называется самостоятельным. Величина, при которой несамостоятельный ток становится самостоятельным, называется напряжением пробоя. Электроны, получая ускорение от электрополя, сталкиваются на траектории своего движения с нейтральными частицами.

В ситуации, когда кинетическая энергия электронов превышает показатель энергии Wi, наблюдается ионизация молекул. При этом основную работу в образовании самостоятельного разряда выполняют электроны. В физике принято выделять 4 вида самостоятельного тока:

1. Тлеющий. Создается в газообразных веществах при низком давлении (около 1,33 Па). Тлеющий разряд может быть получен при сравнительно небольшом напряжении. Используется он в газовых лампах, например, в неоновых. Применение различных инертных газов позволяет добиться свечения определенного цвета.
2. Искровой. Появляется при постепенном повышении напряжения. В природе искровой разряд наблюдается в виде молнии.
3. Дуговой. Если после возникновения искрового разряда продолжить снижать сопротивление электроцепи, то сила тока в искре начнет быстро увеличиваться. В результате возникнет дуговой разряд.
4. Коронный. Наблюдается при высоком давлении под воздействием неоднородного электрополя.

Понятие плазмы

Плазма представляет собой полностью либо частично ионизированный газ, в котором плотность противоположно заряженных частиц примерно одинакова. Для определения степени ионизации (α) используется следующая формула: α = Ni / N. Здесь Ni представляет собой число ионизированных атомов, а N — общее количество частиц.

Примером слабо ионизированной плазмы является ионосфера Земли. Звезды, включая Солнце, плотно ионизированы. Плазма обладает рядом уникальных свойств, что делает необходимым рассматривать ее в качестве особого состояния веществ, таких как, например, жидкость.

Сегодня сложно представить человеческую цивилизацию без электричества. С его помощью люди освещают и обогревают дома, отправляют сообщения и т. д. Применение электрического тока в газах многообразно. Например, газовый электроток используется для освещения помещений, при сварке, в металлургии и т. д. Если управлять движением плазмы, то ее можно использовать в качестве рабочего тела. Так, несколько лет назад большой популярностью пользовались плазменные телевизоры.