Электрический ток в газах

Сегодня мы с вами поговорим об электрическом токе в газах. Как вы знаете, газы при нормальных условиях не проводят электрический ток, то есть являются диэлектриками. Убедиться в этом просто. Возьмём электрометр, присоединённый к пластинам заряженного плоского конденсатора. При комнатной температуре и достаточно сухом воздухе конденсатор разряжается очень-очень медленно. Это обусловлено тем, что газы состоят из нейтральных атомов или молекул. Однако при определённых условиях газы, в том числе и воздух, становятся проводниками. Например, если мы нагреем пламенем спиртовки или свечи, воздушный промежуток между дисками, то, как видим, электрометр начинает разряжаться. То есть через воздух проходит электрический ток. Вывод очевиден: в воздушном промежутке между дисками появились свободные носители электрического заряда.

Процесс прохождения электрического тока через газ называют газовым разрядом.

Объясним результаты рассмотренного опыта. Нагревание газа пламенем приводит к образованию свободных электронов и положительно заряженных ионов. Процесс, в результате которого некоторые атомы (или молекулы) газа теряют электроны и превращаются в положительно заряженные ионы, называют ионизацией газа.

Минимальное значение энергии, необходимой для отрыва электрона от атома, называют энергией ионизации атома, которая измеряется работой против сил притяжения электрона ядром атома:

W_и = eU_и.

Для примера, давайте с вами определим минимальную скорость, которой должен обладать электрон, чтобы он смог ионизировать атом водорода, если потенциал ионизации последнего равен 13,5 В.

Наряду с ионизацией может происходить присоединение образовавшихся при отрыве электронов к нейтральным атомам (молекулам) газа. Это приводит к образованию отрицательно заряженных ионов. Под действием электрического поля в газе возникает направленное движение положительно заряженных ионов к отрицательному электроду (катоду) и направленное движение электронов и отрицательно заряженных ионов к положительному электроду (аноду). Таким образом, носителями электрического заряда в ионизированных газах являются положительно и отрицательно заряженные ионы и свободные электроны. Следовательно, проводимость газов — ионно-электронная.

Если убрать пламя, то электрический ток исчезнет, то есть воздух между дисками опять станет диэлектриком. Это обусловлено тем, что при столкновении положительно заряженного иона с электроном они образуют нейтральный атом газа. Ионы разных знаков при столкновениях также превращаются в нейтральные атомы. Эти процессы называют рекомбинацией ионов.

Таким образом, для того, чтобы в газе появились свободные носители электрического заряда, его атомы необходимо ионизировать. Это можно осуществить нагреванием газа до высокой температуры, воздействием на газ ультрафиолетовым, рентгеновским, радиоактивным излучениями и так далее.

Внешние воздействия, в результате которых происходит ионизация газа, называют ионизаторами. А разряд, возникающий в результате ионизации газа под действием внешнего ионизатора, называют несамостоятельным.

Давайте изучим вольтамперную характеристику разряда в газе. Для этого воспользуемся стеклянной трубкой с двумя электродами, к которым приложено напряжение. При небольшом напряжении между электродами незначительное количество образовавшихся ионов и электронов достигает электродов, создавая электрический ток. Большинство ионов рекомбинируют, не успевая достигнуть электродов. При увеличении напряжения между электродами возрастает количество заряженных частиц, достигших электродов, то есть сила тока увеличивается. При этом сила тока прямо пропорциональна приложенному напряжению, то есть выполняется закон Ома.

При дальнейшем повышении напряжения пропорциональность нарушается. И начиная с некоторого значения напряжения все носители электрического заряда, образовавшиеся под действием ионизатора, достигают электродов не успев рекомбинировать. При этом сила тока принимает максимальное значение и не зависит от приложенного напряжения.

Напомним, что электрический ток, сила которого не зависит от напряжения, называют током насыщения.

При достаточно высоком напряжении свободные электроны под действием электрического поля ускоряются и приобретают кинетическую энергию, достаточную для ионизации атомов (молекул) газа при соударении с ними. Процесс отрыва от атома газа одного или нескольких электронов, вызванный столкновением с этими атомами свободных электронов, называют ионизацией электронным ударом.

Возникшие в результате ударной ионизации свободные электроны ускоряются электрическим полем и вызывают ионизацию новых частиц. Такие свободные электроны являются вторичным ионизатором. Это ведёт к лавинообразному нарастанию числа вторичных свободных электронов и положительно заряженных ионов, а значит, и к увеличению силы разрядного тока.

Однако сам разряд всё ещё остаётся несамостоятельным, так как после прекращения действия внешнего ионизатора он продолжается только до тех пор, пока отрицательно заряженные ионы и все электроны (первичные и вторичные) не достигнут анода, а положительно заряженные ионы — катода.

Но в ряде случаев газовый разряд может существовать и после прекращения действия внешнего ионизатора. В этом случае имеющееся между электродами сильное электрическое поле является причиной сохранения газового разряда, который называют самостоятельным.

Для возникновения самостоятельного разряда недостаточно наличия одного лишь процесса ударной ионизации. Для поддержания разряда необходимо, чтобы в газе постоянно возникали носители электрического заряда без действия внешнего ионизатора. При движении положительно заряженных ионов к катоду их кинетическая энергия под действием поля увеличивается. Если энергия ионов достаточно велика, то при ударе о катод они могут выбивать с его поверхности электроны. Этот процесс называют вторичной электронной эмиссией («эмиссия» означает «испускание»). Также при бомбардировке положительно заряженными ионами катода происходит его нагревание и возникает термоэлектронная эмиссией. В результате этих процессов в газе создаётся значительное число свободных электронов.

В зависимости от напряжённости электрического поля, давления газа, формы и вещества электродов различают несколько видов самостоятельного газового разряда: тлеющий, дуговой, коронный и искровой.

Тлеющий разряд широко используют в различных газосветных трубках, применяемых для световой рекламы и декораций, лампах дневного света и неоновых лампах.

Дуговой разряд является мощным источником света. Его используют в осветительных установках, для сварки и резки металлов, электролиза расплавов и так далее.

В 1802 г. профессор физики Петербургской медико-химической академии Василий Владимирович Петров установил, что если присоединить к полюсам большой электрической батареи два кусочка древесного угля, привести их в соприкосновение, а затем слегка раздвинуть на небольшое расстояние, то между концами углей образуется яркое пламя — электрическая дуга, — а сами концы углей раскаляются добела, испуская ослепительный свет.

Впервые электрическая дуга была применена в 1876 г. русским инженером Павлом Николаевичем Яблочковым для уличного освещения.

Коронный разряд возникает вблизи заострённой части проводника при атмосферном давлении под действием сильно неоднородного электрического поля. Он сопровождается слабым свечением, напоминающим корону, и характерным потрескиванием.

Искровой разряд наблюдают при высоком напряжении. Он со провождается ярким свечением газа, звуковым эффектом, который создаётся резким повышением давления. Примером искрового разряда в природе служит молния. Интересно, что извилистый вид молнии объясняется тем, что электрический разряд проходит через участки воздуха, имеющие наименьшее сопротивление. А такие участки расположены в воздухе случайным образом.

Для закрепления материала, решим с вами небольшую задачу. В газоразрядной трубке между плоскими электродами площадью 10 см², расположенными на расстоянии 10 см друг от друга, сила тока насыщения равна 1,0 мкА. Разряд несамостоятельный. Какое число элементарных зарядов обоих знаков создаётся ежесекундно в 1,0 см³ газа?

В заключение урока отметим, что при достаточно высоких температурах или под действием электромагнитного излучения происходит ионизация газа. Полностью или частично ионизированный газ, в котором концентрация положительных и отрицательных зарядов практически совпадает, называют плазмой.

Плазма является четвёртым агрегатным состояниям вещества и самым распространённым состоянием вещества во Вселенной (около 99 %).

В зависимости от степени ионизации различают частично ионизированную и полностью ионизированную плазму.

А в зависимости от скорости хаотического движения заряженных частиц различают холодную (T < 10⁵ К) и горячую (Т > 10⁶ К) плазму. Примером холодной плазмы является плазма, образующаяся при всех видах электрического разряда в газах.

Звёзды представляют собой гигантские сгустки горячей плазмы. Плазма заполняет космическое пространство между звёздами и галактиками. Правда плотность плазмы в космическом пространстве очень мала, в среднем всего одна частица на кубический сантиметр.

Из-за большой подвижности заряженные частицы плазмы легко перемещаются под действием электрических и магнитных полей. Поэтому любое нарушение электрической нейтральности отдельных областей плазмы, вызванное скоплением частиц одного знака заряда, быстро ликвидируется. Поэтому, независимо от способа получения, плазма в целом является электрически нейтральной.

Отметим, что с ростом числа ионизированных атомов проводимость плазмы увеличивается. А полностью ионизированная плазма по своей проводимости приближается к сверхпроводникам.