Электрический ток в газах. Несамостоятельный и самостоятельный газовые разряды

Газы, в отличие от металлов и электролитов, состоят из электрически нейтральных атомов и молекул и в нормальных условиях не содержат свободных носителей тока (электронов и ионов). Поэтому газы в нормальных условиях являются диэлектриками.

Носители электрического тока в газах могут возникнуть только в процессе ионизации газов, т.е. в процессе образования ионов в газе.

Процесс ионизации газов происходит под влиянием внешних воздействий (внешних ионизаторов): сильного нагревания, ультра-фиолетовых и рентгеновских лучей.

Процесс ионизации газов происходит следующим образом.

1. Под влиянием внешних факторов электроны отрываются от атомов или молекул. При этом атомы (молекулы) газов превращаются в положительные ионы.

2. Отрицательные ионы в газах могут возникнуть, если атомы (молекулы) присоединяют к себе электроны.

Мерой ионизации газов является интенсивность ионизации, измеряемая числом пар противоположно заряженных частиц, возникающих в единице объёма газа за единицу времени.

Противоположным процессу ионизации газов является процесс рекомбинации.

Процесс рекомбинации газов происходит следующим образом.

1. Положительные и отрицательные ионы могут при соударениях нейтрализовать друг друга, образуя обычные нейтральные молекулы.

2. При сближении электрона и положительного иона они могут вновь объединяться в нейтральный атом.

Электрический ток в газах называется газовым разрядом.

Газовый разряд бывает двух видов:

1. Самостоятельный газовый разряд.

2. Несамостоятельный газовый разряд.

Газовый разряд (проводимость газа) называют несамостоятельным, если он создаётся под влиянием каких – либо внешних факторов.

Газовый разряд (проводимость газа) называют самостоятельным, если он создаётся в газе под действием самого электрического поля, существующего между электродами (анодом и катодом).

Газ, в котором значительная часть атомов или молекул ионизирована, называется плазмой.

В состоянии плазмы находится подавляющая (около 99%) часть вещества Вселенной.

При нагревании газа он становится проводником. Следовательно, в газе происходит ионизация. При этом нейтральные атомы газа распадаются на положительные ионы и свободные электроны.

-

-

2 1 – нейтральный атом;

-

+ + + + + +

2 – свободный

(отрицательный) электрон

-

-

-

3 – положительный ион.

+ + + +

3

-

1

-

Ионизация газа

Несамостоятельный газовый разряд

1. При подаче разности потенциалов в трубке возникает электрический ток.

2. При небольшой разности потенциалов не все образующиеся ионы достигают электродов.

3. По мере увеличение разности потенциалов между электродами трубки доля заряженных частиц, достигающих электродов, увеличивается. При этом увеличивается и сила тока в цепи.

4. Наступает момент, при котором все заряженные частицы, образующиеся в газе за единицу времени (секунду), достигают за это время электродов. При этом дальнейшего роста тока не происходит. Данное максимальное значение силы тока называют током насыщения.

5. Если действие ионизатора прекратить, то прекратиться и ток в цепи, т.е. газовый разряд, так как других источников ионов нет. Если убрать внешний ионизатор, то новых ионов не образуется, а те, что есть, достигнут электрода или рекомбинируют.

Зависимость силы тока от напряжения при несамостоятельном газовом разряде.

Самостоятельный газовый разряд

При увеличении разности потенциалов между электродами трубки сила тока снова возрастает. Следовательно, в газе появляется дополнительный источник образования ионов. Преобладающую роль начинает играть разность потенциалов между катодом и анодом. Если постепенно увеличивать напряжение между электродами, то при некотором значении напряжения скорость электронов становится настолько велика, что при соударении электрона с молекулой происходит неупругий удар, в результате которого:

1. Молекула газа, оставаясь нейтральной, может перейти в «возбуждённое» состояние, при котором её внутренняя энергия становится больше, чем внутренняя энергия «невозбуждённой» молекулы.

2. Молекула будет ионизирована (это можно рассматривать как крайнюю степень возбуждения). Процесс ионизации газа, который возникает в результате соударения электрона с молекулой газа, называют ударной ионизацией. Электроны, оторвавшиеся в результате ионизации от молекул, в свою очередь могут под действием поля получить энергию, достаточную для ионизации. Вследствие этого концентрация ионов, а вместе с ней и электропроводность газа, сильно возрастает. Если убрать внешний ионизатор, то разряд не прекратится. Так как такой разряд не нуждается для своего поддержания во внешнем ионизаторе, его называют самостоятельным газовым разрядом.

Зависимость силы тока

от напряжения при

самостоятельном газовом разряде.

Виды самостоятельного разряда:

Искровой разряд.

Примеры искрового разряда – искры, возникающие при расчёсывании волос, при разрядке конденсатора.

Дуговой разряд.

Для резки и сварки металлических конструкций, для плавки металлов используют высокую температуру плазмы дугового разряда.

Тлеющий разряд

В настоящее время трубки с тлеющим разрядом находят практическое применение как источник света – газоразрядные лампы.

Коронный разряд

Используется световое излучение ламп дневного света, газоразрядных ламп уличного освещения; электрическая дуга применяется в кинопроекционном аппарате; ртутно-кварцевая лампа нашла применение в поликлиниках и больницах.