Електричний стум в газах. Плазма

Гази складаються з електрично нейтральних атомів і молекул і за нормальних умов є діелектриками. Гази починають проводити електричний струм при їх іонізації внаслідок якої електрони відщеплюються від молекул. При іонізації утворюються позитивно заряджені іони і електрони, частина яких може приєднуватись до нейтральних молекул і перетворювати їх в негативно заряджені іони. Таким чином, носіями електричного струму в іонізованих газах є позитивно заряджені іони-катіони, негативно заряджені іони-аніони і електрони. Для іонізації молекули газу необхідно виконати деяку мінімальну роботу, яка називається роботою іонізації. Іонізація газу може відбуватись внаслідок нагрівання газу до високої температури, опромінення його ультрафіолетовим світлом, рентгенівськими і радіоактивними променями. В іонізованому газі при зіткненнях між собою протилежно заряджених частинок утворюються нейтральні молекули. Цей процес називається рекомбінацією іонів. Процес рекомбінації супроводжується світінням газу. Проходження електричного струму через газ називається газовим розрядом. Розряди в газах поділяються на самостійні і несамостійні.

Несамостійним називається електричний розряд в газі, який існує при наявності зовнішнього іонізатора і припиняється після припинення дії іонізатора. Вольт-амперна характеристика несамостійного розряду представлена на рис.3.35. При малих напругах (ділянка ОА) сила струму прямо пропорційна напрузі. На цій ділянці справджується закон Ома

, (3.248)

де – заряд іона, – число пар іонів в одиниці об’єму, і – рухливості катіонів та аніонів, – напруженість електричного поля. При напрузі більшій від закон Ома порушується. На ділянці В-С струм досягає насичення. Величина струму насичення рівна

, (3.249)

де – заряд електрона, – інтенсивність іонізатора, тобто число пар одновалентних іонів, які іонізатор утворює щосекунди в просторі між електродами. При напрузі починається ударна іонізація молекул, сила струму знову зростає і розряд переходить в самостійний.

Самостійним називається електричний розряд в газі, який може продовжуватись і після припинення дії зовнішнього іонізатора. При деякій досить великій напрузі, яка називається напругою запалення або напругою пробою, електрони протягом часу вільного пробігу набувають достатньо великої енергії і, стикаючись з нейтральними молекулами, іонізують їх. Вторинні електрони також іонізують молекули газу внаслідок чого кількість електронів та іонів лавиноподібно зростає. В залежності від тиску газу, величини прикладеної напруги та інших умов можуть існувати різні види самостійного розряду: тліючий, іскровий, китичний, коронний і дуговий розряд.

Тліючий розряд відбувається при низькому тиску газу. Вигляд розряду, який відбувається при тиску 0,1–10Па зображено на рис.3.36. Біля катоду виникає перше катодне світіння В. За ним спостерігається перший катодний темний простір Крукса С. Він переходить в жевріюче негативне світіння Д. Далі міститься другий темний проміжок Фарадея Е. Решта розрядної трубки заповнена позитивним світінням F. На графіку зображено розподіл потенціалу вздовж розрядної трубки. Найбільший спад потенціалу в області С. Тут під впливом сильного електричного поля позитивні іони набувають великого прискорення і рухаючись до катоду вибивають з нього електрони, рух яких від катоду до аноду теж дуже прискорюється в цій області. В прикатодній області В відбувається рекомбінація катіонів, яка супроводжується світінням. Потрапляючи в область D, електрони набувають великої енергії, достатньої для ударної іонізації молекул газу внаслідок якої втрачають частину енергії. В цій області утворюється основна кількість катіонів, які підтримують розряд. Поле в області D слабке, в ній спостерігається тліюче світіння, яке є наслідком рекомбінації іонів. В області Е прискорюються електрони, які виникли внаслідок іонізації і електрони вторинної емісії, які втратили частину енергії в області D. В області позитивного стовпа F велика концентрація іонів та електронів, тому ця ділянка має добру електропровідність і малий спад потенціалу. В позитивному стовпі спостерігається світіння внаслідок рекомбінації іонів і переходу молекул із збудженого стану в основний.

Тліючий розряд використовується в лампах денного світла, газонаповнених електронних приладах, рекламних газорозрядних трубках, плазмових екранах телевізорів, при катодному розпиленні матеріалів.

Китичний розряд виникає в повітрі під впливом сильного електричного поля, коли відбувається ударна іонізація газу. Його можна спостерігати під час грози на вістрях громовідводів, антен та інших предметів. Оскільки біля вістря електричне поле неоднорідне, то розряд має вигляд китиці.

Коронний розряд виникає в повітрі між провідниками, які перебувають під високою напругою. При цьому біля провідників виникає світіння у вигляді оболонки або корони, яка оточує провідник. І китичний, і коронний розряди відбуваються в дуже неоднорідному електричному полі при напрузі між провідниками, меншій від пробивної.

Виникнення коронного розряду в високовольтних лініях електропередач приводить до втрат електричного струму і електроенергії. Для зменшення цих втрат у високовольтних лініях електропередач використовують проводи великого діаметру або системи проводів з метою зменшення напруженості електричного поля.

Іскровий розряд виникає в повітрі при високій напрузі, яка рівна напрузі пробою. При цьому повітряний проміжок між електродами пробивається іскрою у вигляді яскравого зигзагоподібного тонкого каналу з розгалуженнями. В іскрових каналах відбувається інтенсивний процес іонізації, нагрівання газу до високої температури, яка може досягати 100000 К і зростання тиску до сотень атмосфер. Тому іскровий розряд супроводжується звуковими ефектами у формі тріску, грому. Прикладом іскрового розряду є блискавка. Сила струму в блискавці може досягати сотень тисяч ампер. Головний канал блискавки має діаметр 10-25см, довжина блискавки досягає декількох кілометрів. У твердих і рідких діелектриках іскра руйнує саму речовину. При малій довжині розрядного проміжку іскровий розряд спричиняє руйнування аноду. Це явище використовується в електроіскровому методі різання, свердління та інших методах високоточної обробки металів. Іскровий розрядний проміжок використовують для захисту ліній електропередач і електронних приладів від перенапруги, зокрема при грозових розрядах.

Дуговий розряд виникає в повітрі при низькій напрузі і великій густині струму. Для запалення дугового розряду електроди наближають до їх взаємного дотику. Внаслідок проходження електричного струму електроди в місці контакту нагріваються до високої температури, після чого електроди розводять на невелику відстань. При цьому в проміжку між електродами спалахує яскрава електрична дуга. Основною причиною дугового розряду є інтенсивна термоелектронна емісія з катоду і термічна іонізація молекул повітря в проміжку між розжареними електродами. При атмосферному тиску температура катоду досягає 3000°С. Електрони, бомбардуючи анод, утворюють в ньому кратер і нагрівають до температури 4000°С. Температура газу в каналі електричної дуги досягає 5000°С–6000°С. Сила струму в дузі може досягати тисяч ампер при напрузі в декілька десятків вольт. Дуговий розряд використовують в дугових лампах, як джерелах світла, для зварювання і різання металів, в дугових печах для виплавки сталі, чавуну.

В усіх видах електричного розряду газ перебуває в іонізованому стані і являє собою плазму.

Плазмою називається стан газу з високою ступінню іонізації. Плазма має високу електропровідність провідників. Об’ємна густина позитивних і негативних зарядів практично однакова, тому плазма є електронейтральною. Будь-яка заряджена частина в плазмі оточена іонами чи електронами протилежного знаку, таким чином, що на деякій відстані від зарядженої частинки створене нею електричне поле стає рівним нулю. Ця відстань називається дебаївським радіусом екранування, який рівний

, (3.250)

де – постійна Больцмана, – абсолютна температура, – заряд електрона, – концентрація катіонів або електронів. Якщо в плазму вмістити точковий електричний заряд , то залежність потенціалу створеного ним електричного поля від відстані визначається формулою

. (3.251)

Розглянемо плазму при високій температурі в стані термодинамічної рівноваги. В ній відбуваються процеси термічної іонізації молекул і зворотні процеси рекомбінації заряджених частинок, швидкості яких однакові. При цьому температури електронної та іонної підсистем є однаковими. Така плазма називається ізотермічною.

При проходженні через плазму електричного струму поряд з термічною відбувається ударна іонізація молекул. В цьому випадку температура електронної підсистеми може набагато перевищувати температуру іонної підсистеми. Така плазма називається неізотермічною.

Плазма – найбільш поширений стан речовини у Всесвіті. Зорі складаються із повністю іонізованої високотемпературної плазми. Холодні туманності і міжзоряний простір складаються з низькотемпературної плазми. Іонізація речовини при цьому відбувається в основному внаслідок ультрафіолетового випромінювання зірок. Плазма використовується в джерелах світла, газових лазерах, для зварки, плавки і інших видів обробки речовини.