Электрический разряд в газе.

Возьмем электрометр с присоединенными кнему дисками плоского конденсатора и зарядим его (рис. 1). При комнатной температуре, если воздух достаточно сухой, конденсатор заметно не разряжается. Это показывает, что электрический ток, вызываемый разностью потенциалов в воздухе между дисками, очень мал. Следовательно, электрическая проводимость воздуха при комнатной температуре мала и его можно считать диэлектриком.

Теперь нагреем воздух между дисками горящей спичкой (рис. 2). Заметим, что стрелка электрометра быстро приближается к нулю, значит, конденсатор разряжается. Следовательно, нагретый газ является проводником и в нем устанавливается электрический ток.

Процесс протекания электрического тока через газ называют газовым разрядом.

Ионизация газов.Мы видели, что при комнатной температуре воздух очень плохой проводник. При нагревании проводимость воздуха возрастает. Увеличение проводимости воздуха можно вызвать и иными способами, например действием излучений: ультрафиолетового, рентгеновского, радиоактивного и др.

При обычных условиях газы почти полностью состоят из нейтральных атомов или молекул и, следовательно, являются диэлектриками. Вследствие нагревания или воздействия излучением часть атомов ионизуется — распадается на положительно заряженные ионы и электроны (рис. 3). В газе могут образовываться и отрицательные ионы, которые появляются благодаря присоединению электронов к нейтральным атомам.

Ионизация газов при нагревании объясняется тем, что по мере нагревания молекулы движутся быстрее. При этом некоторые молекулы начинают двигаться так быстро, что часть из них при столкновениях распадается, превращаясь в ионы. Чем выше температура, тем больше образуется ионов.

Проводимость газов.Механизм проводимости газов похож на механизм проводимости растворов и расплавов электролитов. Разница состоит в том, что отрицательный заряд переносится в основном не отрицательными ионами, как в водных растворах или расплавах электролитов, а электронами.

Таким образом, в газах сочетается электронная проводимость, подобная проводимости металлов, с ионной проводимостью, подобней проводимости водных растворов или расплавов электролитов. Существенно еще одно различие. В растворах электролитов образование ионов происходит вследствие ослабления внутримолекулярных связей под действием молекул растворителя (молекул воды). В газах образование ионов происходит либо при нагревании, либо за счет действия внешних ионизаторов, например излучений.

Рекомбинация. Если ионизатор перестанет действовать, то можно заметить, что заряженный электрометр снова будет сохранять заряд. Это показывает, что после прекращения действия ионизатора газ перестает быть проводником. Ток прекращается после того, как все ионы и электроны достигнут электродов. Кроме того, при сближении электрона и положительно заряженного иона они могут вновь образовать нейтральный атом. Схематически это изображено на рисунке 4. Такой процесс называют рекомбинацией заряженных частиц.

В отсутствие внешнего поля заряженные частицы исчезают только вследствие рекомбинации и газ становится диэлектриком. Если действие ионизатора неизменно, то устанавливается динамическое равновесие, при котором число вновь образующихся пар заряженных частиц равно среднему числу пар, исчезающих вследствие рекомбинации.

При комнатных температурах газы являются диэлектриками. Нагревание газа или облучение ультрафиолетом, рентгеновскими и другими лучами вызывает ионизацию атомов или молекул газа. Газ становится проводником.

Рис№1 Рис№2

Рис№3 Рис№4

НЕСАМОСТОЯТЕЛЬНЫЙ И САМОСТОЯТЕЛЬНЫЙ РАЗРЯДЫ

Разряд в газе может происходить и без внешнего ионизатора. Разряд способен поддерживать сам себя. Почему это возможно?

Несамостоятельный разряд. Для исследования разряда в газе при различных давлениях удобно использовать стеклянную трубку с двумя электродами (рис. 1).

Пусть с помощью какого-либо ионизатора в газе образуется в секунду определенное число пар заряженных частиц: положительных ионов и электронов.

При небольшой разности потенциалов между электродами трубки, положительно заряженные ионы перемещаются к отрицательному электроду, а электроны и отрицательно заряженные ионы к положительному электроду. В результате в трубке возникает электрический ток, т. е. происходит газовый разряд.

Не все образующиеся ионы достигают электродов; часть их воссоединяется с электронами, образуя нейтральные молекулы газа. По мере увеличения разности потенциалов между электродами трубки доля заряженных частиц, достигающих электродов, увеличивается. Возрастает, и сила тока в цепи. Наконец, наступает момент, при котором все заряженные частицы, образующиеся в газе за секунду, достигают за это время электродов. При этом дальнейшего роста тока не происходит (рис. 2). Ток, как говорят, достигает насыщения. Если действие ионизатора прекратить, то прекратится и разряд, так как других источников ионов нет. По этой причине разряд называют несамостоятельным разрядом.

Самостоятельный разряд. Чтобудет происходить с разрядом в газе, если продолжать увеличивать разность потенциалов на электродах?

Казалось бы, что сила тока и при дальнейшем увеличении разности потенциалов должна оставаться неизменной. Однако опыт показывает, что в газах при увеличении разности потенциалов между электродами, начиная с некоторого значения, сила тока снова возрастает (рис. 3). Это означает, что в газе появляются дополнительные ионы сверх тех, которые образуются за счет действия ионизатора. Сила тока может возрасти в сотни и тысячи раз, а число ионов, возникающих в процессе разряда, может стать таким большим, что внешний ионизатор будет уже не нужен для поддержания разряда. Если убрать внешний ионизатор, то разряд не прекратится. Так как разряд не нуждается для своего поддержания во внешнем ионизаторе, его называют самостоятельным разрядом.

Ионизация электроннымударом. Каковы же причины резкого увеличения силы тока в газе при больших напряжениях?

Рассмотрим какую-либо пару заряженных частиц (положительный ион и электрон), образовавшуюся благодаря действию внешнего ионизатора. Появившийся таким образом свободный электрон начинает двигаться к положительному электроду — аноду, а положительный ион — к катоду. На своем пути электрон встречает ионы и нейтральные атомы. В промежутках между двумя

последовательными столкновениями энергия электрона увеличивается за счет работы сил электрического ноля. Чем больше разность потенциалов между электродами, тем больше напряженность электрического поля.

Кинетическая энергия электрона перед очередным столкновением пропорциональна напряженности поля и длине l свободного пробега электрона (пути между двумя последовательными столкновениями):

(1)

Если кинетическая энергия электрона превосходит работу A₁, которую нужно совершить, чтобы ионизовать нейтральный атом, т.е.

то при столкновении электрона с атомом происходит ионизация (рис. 4). В результате вместо одного свободного электрона оказываются два (налетающий на атом и вырванный из атома). (Эти электроны, в свою очередь, получают энергию в поле и ионизуют встречные атомы и т. д. Вследствие этого число заряженных частиц резко возрастает, возникает электронная лавина. Описанный процесс называют ионизация электронным ударом. Но одна ионизация электронным ударом не может обеспечить длительный самостоятельный разряд. Действительно, ведь все возникающие таким образом электроны движутся по направлению к аноду и по достижении анода «выбывают из игры». Для существования разряда необходима эмиссия электронов с катода (эмиссия означает испускание). Эмиссия электронов может быть обусловлена несколькими причинами. Положительные ионы, образовавшиеся при столкновении свободных электронов с нейтральными атомами, при своем движении к катоду приобретают под действием поля большую кинетическую энергию. При ударах таких быстрых ионов о катод с поверхности последнего выбиваются электроны.

Кроме того, катод может испускать электроны при нагревании до высокой температуры (термоэлектронная эмиссия). При самостоятельном разряде нагрев катода может происходить за счет бомбардировки его положительными ионами.

В газах при больших напряжен-ностях электрических полей электроны достигают таких больших энергий, что начинается ионизация электронным ударом.

Разряд становится самостоятельным и продолжается без внешнего ионизатора.

Рис№1 Рис№2

Рис№3 Рис№4

РАЗЛИЧНЫЕ ТИПЫ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО РАЗРЯДА И ИХ ТЕХНИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

В зависимости от свойств и состояния газа, а также от характера и расположения электродов и приложенного к электродам напряжения возникают различные виды самостоятельного разряда в газах.

Тлеющий разряд. При низких давлениях (десятые и сотые доли миллиметра ртутного столба) в трубке наблюдается тлеющий разряд. Для возбуждения тлеющего разряда достаточно напряжения между электродами в несколько сотен (а иногда и значительно меньше) вольт. При тлеющем разряде почти вся трубка, за исключением небольшого участка возле катода, заполнена однородным свечением, называемым положительным столбом (рис.1).

Тлеющий разряд используют в трубках для реклам. Красное свечение возникает при наполнении трубки неоном. Положительный столб в аргоне имеет синевато-зеленоватый цвет, В лампах дневного света используют разряд в парах ртути. Важнейшее применение тлеющий разряд получил в сравнительно недавно созданных квантовых источниках света — газовых лазерах.

Электрическаядуга. При соприкосновении двух угольных стержней в месте их контакта из-за большого сопротивления выделяется большое количество теплоты. Температура повышается настолько, что начинается термоэлектронная эмиссия. Вследствие этого при раздвижении угольных электродов между ними начинается, разряд. Между углями возникает столб ярко светящегося газа — электрическая дуга (рис. 2). Проводимость газа в этом случае значительна и при атмосферном давлении, так как число электронов, испускаемых отрицательным электродом, очень велико.

Сила тока в небольшой дуге достигает нескольких ампер, а в больших дугах — нескольких сотен ампер при напряжении порядка 50 В.

Электрическая дуга была впервые получена в 1802 г. русским академиком В. В. Петровым.

Высокая температура катода при горении дуги поддерживается бомбардирующими катод положительными ионами. Газ в самой дуге также сильно разогревается под действием соударений с электронами и ионами, ускоряемыми полем. Из-за этого происходит термическая ионизация газа.

На положительном электроде дуги под влиянием бомбардировки электронами образуется углубление— кратер. Температура в кратере при атмосферном давлении достигает 4000 °С, а при давлении 2 • 10⁶ Па превышает 7000 °С. Чтобы представить себе, насколько велика эта температура, заметим, что температура поверхности Солнца равна приблизительно 6000°С.

Электрическая дуга может возникать не только между угольными, но и между металлическими электродами.

Если увеличивать силу тока при тлеющем разряде, то температура катода за счет бомбардировки ионами увеличится настолько, что начнется дуговой разряд. Таким образом, для возникновения дугового разряда не обязательно предварительное сближение электродов.

Дуговой разряд—мощный источник света, его используют в прожекторах (рис. 3), проекционных аппаратах и киноаппаратах.

В металлургии широко применяют электропечи, в которых источником теплоты служит дуговой разряд. Дуговой разряд используют также для сварки металлов (рис.4).

Другие типы самостоятельного разряда.При атмосферном давлении вблизи заостренных участков проводника, несущего большой электрический заряд, наблюдается газовый разряд, светящаяся область которого напоминает корону (рис. 5). Этот разряд, называемый коронным, вызывается высокой (около Зx10⁶ В/м) - напряженностью электрического поля вблизи заряженного острия.

При такой большой напряженности поля ионизация посредством электронного удара происходит при атмосферном давлении. По мере удаления от поверхности проводника напряженность быстро убывает. Поэтому ионизация и связанное с ней свечение газа наблюдаются в ограниченной области пространства. Заряженное грозовое облако индуцирует на поверхности Земли под собой электрические заряды противоположного знака. Особенно большой заряд скапливается на остриях. Поэтому перед грозой или во время ее нередко на остриях и острых углах высоко поднятых предметов вспыхивают похожие на кисточки конусы света. С давних времен это свечение называли огнями святого Эльма.

Особенно часто свидетелями этого явления становятся альпинисты. Иногда не только металлические предметы, но даже и кончики волос на голове украшаются маленькими светящимися кисточками.

С коронным разрядом приходится считаться, имея дело с высоким напряжением. При наличии выступающих частей или очень тонких проводов может начаться коронный разряд. Это приводит к утечке электроэнергии. Чем выше напряжение высоковольтной линии, тем толще должны быть провода.

При большом напряжении между электродами в воздухе возникает искровой разряд, имеющий вид пучка ярких зигзагообразных полосок, разветвляющихся от тонкого канала (рис. 6). Этот вид разряда возникает тогда, когда мощность источника тока недостаточна для поддержания дугового или тлеющего разряда. Пример гигантского искрового разряда—молния (см. рис. 7). Молнии возникают либо между двумя облаками, либо между облаком и Землей. Сила тока в молнии достигает 500 000 А, а разность потенциалов между облаком и Землей — 1 млрд. В.

На рисунке 8 показано свечение верхних, слоев атмосферы, бомбардируемых заряженными космическими частицами (полярное сияние).

При низких давлениях происходит тлеющий разряд. При атмосферном давлении можно получить электрическую дугу, наблюдать коронный и искровой разряды.

Рис№1 Рис№2

Рис№3

Рис№4

Рис№5

Рис№6

Рис№8

Рис№7

ПЛАЗМА

Сейчас вы познакомитесь с четвертым состоянием вещества — плазмой. Это состояние не является экзотическим. Подавляющая часть вещества Вселенной находится в состоянии плазмы.

При очень низких температурах все вещества находятся в твердом состоянии. Нагревание вызывает переход вещества из твердого состояния в жидкое. Дальнейшее повышение температуры приводит к превращению жидкости в газ.

При достаточно больших температурах начинается ионизация газа за счет столкновений быстро движущихся атомов или молекул. Вещество переходит в новое состояние, называемое плазмой. Плазма — это частично или полностью ионизованный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически совпадают. Таким образом, плазма в целом является электрически нейтральной системой. В зависимости от условий степень ионизации плазмы (отношение числа ионизованных атомов к их полному числу) может быть различной. В полностью ионизованной плазме нейтральных атомов нет.

Наряду с нагреванием ионизация газа и образование плазмы могут быть вызваны различными излучениями или бомбардировкой атомов газа быстрыми заряженными частицами. При этом получается так называемая низкотемпературная плазма.

Свойства плазмы. Плазма обладает рядом специфических свойств, что позволяет рассматривать ее как особое четвертое состояние вещества.

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. Возникающие электрические поля перемещают заряженные частицы до тех пор, пока электрическая нейтральность не восстановится и электрическое поле не станет равным нулю.

В отличие от нейтрального газа, между молекулами которого существуют короткодействующие силы, между заряженными частицами плазмы действуют кулоновские силы, сравнительно медленно убывающие с расстоянием. Каждая частица взаимодействует сразу с большим количеством окружающих частиц. Благодаря этому наряду с беспорядочным (тепловым) движением частицы плазмы могут участвовать в разнообразных упорядоченных (коллективных) движениях. В плазме легко возбуждаются разного рода колебания и волны.

Проводимость плазмы увеличивается по мере роста степени ионизации. При высокой температуре полностью ионизованная плазма по своей проводимости приближается к сверхпроводникам.

Плазма в космическом пространстве. В состоянии плазмы находится подавляющая (около 99%) часть вещества Вселенной. Вследствие высокой температуры Солнце и другие звезды состоят в основном из полностью ионизованной плазмы.

Из плазмы состоит и межзвездная среда, заполняющая пространство между звездами и галактиками. Плотность межзвездной среды очень мала -в среднем менее одного атома на 1 см³. Ионизация атомов межзвездной среды вызывается излучением звезд и космическими лучами — потоками быстрых частиц, пронизывающими пространство Вселенной по всем направлениям. В отличие от горячей плазмы звезд температура межзвездной плазмы очень мала.

Плазмой окружена наша планета. Верхний слой атмосферы на высоте 100—300 км представляет собой ионизованный газ — ионосферу. Ионизация воздуха верхних слоев атмосферы вызывается преимущественно излучением Солнца и потоком заряженных частиц, испускаемых Солнцем. Выше ионосферы простираются радиационные пояса Земли, открытые с помощью спутников. Радиационные пояса также состоят из плазмы.

Многими свойствами плазмы обладают свободные электроны в металлах. В отличие от обычной плазмы в плазме твердых тел положительные ионы не могут перемещаться по всему телу.

Практическое применение плазмы. Плазма возникает при всех видах разряда в газах: тлеющем, дуговом, искровом и т. д.

В светящихся трубках для рекламных надписей и в лампах дневного света используют плазму положительного столба тлеющего разряда. В лампах дневного света происходит разряд в парах ртути. Стеклянную трубку покрывают специальным составом — люминофором, который под действием излучения плазмы сам начинает светиться. Люминофор подбирают таким, чтобы его свечение было близко по составу к Полому свету.

Газоразрядную плазму используют во многих приборах, например и газовых лазерах— квантовых источниках света. Лазеры наиболее мощные источники света. С ними вы познакомитесь в XI классе.

Горячая струя плазмы, движущейся в магнитном поле, применяется в магнитогидродинамических генераторах (МГД).

Для космических кораблей перспективно применение маломощных плазменных двигателей.

Сравнительно недавно был создан новый прибор — плазмотрон. В плазмотроне создаются мощные струи плотной плазмы, широко применяемые в различных областях техники: для резки и сварки металлов, бурения скважин в твердых породах и т.д. (рис. 1). В плазменной струе ускоряются многие химические реакции, а также могут происходить такие реакции, которые в обычных условиях не наблюдаются.

Наиболее значительные перспективы физики видят в применении высокотемпературной плазмы (с температурой в десятки миллионов градусов) для создания управляемых термоядерных реакций.

В настоящее время ведутся интенсивные исследования по осуществлению термоядерных реакций, сопровождающихся выделением огромной энергии. Решение этой грандиозной задачи даст в руки человечества практически неисчерпаемый источник энергии.

Частично или полностью ионизованный газ называют плазмой. Звезды состоят из плазмы. Расширяется техническое применение плазмы: МГД-генераторы, плазмотроны, управляемые термоядерные реакции и др.

Рис№1