Самостоятельный и несамостоятельный газовые разряды. Ионизация газов

Процесс прохождения эл. тока через газ назыв. газовым разрядом.

Различают 2 вида разрядов: самостоятельный и несамостоятельный.

Если электропроводность газа созд. внешн. ионизаторами, то эл. ток в нем назыв. несамост. газовым разрядом. V

Рассм. эл. схему, сост. из конденсатора, гальванометра, вольтметра и источника тока.

Между пластинами плоского конденсатора находится воздух при атмосферном давлении и комнатной t. Если к конденсатору приложено U, равное нескольким сотням вольт, а ионизатор не работает, то гальванометр тока не регистрирует, однако как только пространство между пластинами начнет прониз. поток УФ – лучей, гальванометр начнет регистр. ток. Если источник тока выкл., прохождение тока по цепи прекратится, этот ток и представляет собой несамостоятельный разряд.

j = γ*E – закон Ома для эл. тока в газах.

При достаточно сильном эл. поле в газе начинается процесс самоионизации, благодаря которому ток может существовать в отсутствии внешнего ионизатора. Такого рода ток называется самостоятельным газовым разрядом. Процессы самоионизации в общих чертах заключается в следующем. В естеств. усл. в газе всегда имеется небольшое количество свободных электронов и ионов. Они создаются такими естеств. ионизаторами, как космич. лучи, излучения радиоактивных веществ, сод в почве и воде. Достаточно сильное эл. поле может разогнать эти частицы до таких скоростей, при которых их кинетическая энергия превысит энергию ионизации, когда электроны и ионы, столкнувшись на пути к электродам с нейт. молекулами будут ионизировать эти молекулы. Обр. при соударении новые вторичные электроны и ионы также разгон. полем и в свою очередь ионизируют новые нейтр. молекулы. Описанная самоионизация газов называется ударной полизацией. Свободные электроны вызывают ударную ионизацию уже при Е=10 3 В/м. Ионы же могут вызывать ударную ионизацию только при Е=10 5 В/м. Это различие обусловлено рядом причин, в частности тем, что для электронов длина свободного пробега значительно больше, чем для ионов. Поэтому ионы приобретают необходимую для ударной ионизации энергию при меньшей напряжённости поля, чем ионы. Однако и при не слишком сильных полях “+” ионы играют важную роль в самоионизации. Дело в том, что энергия этих ионов ок. достаточной для выбивания электронов из металлов. Поэтому разогнанные полем ”+“ ионы, ударяясь о металлический котод источника поля, выбивают из котода электороны. Эти выбитые электроны разг. полем и пооизводят ударную ионизацию молекул. Ионы и электроны, энергия которых недостаточна для ударной ионизации могут тем не менее при столкновении с молекулами приводить их в возб. состояние, то есть вызвать некоторые энергетические изменения в эл. оболочках нейтр. атомов и молекул. Возб. атом или молекула через некоторое время переходит в нормальное состояние, при этом она испускает фотон. Испускание фотонов проявляется в свечении газов. Кроме того, фотон, погл. какой-либо из молекул газа может ионизировать её, такого рода ионизация называется фотоннойионизацией. Часть фотонов попадает на котод, они могут выбить из него электроны, которые затем вызовут ударную ионизацию нейтр. молекул.

В результате ударной и фотонной ионизаций и выбиваний электронов из кода “+” ионами фотонами количество фотонов и электронов во всём объёме газа резко (лавинообразно) возрастает и для существования тока в газе не нужен внешний ионизатор, а разряд становится самостоятельным . ВАХ газового разряда выглядит следующим образом.

Пусть газ, находящийся между электродами (рис 81.1), подвергается непрерывному постоянному по интенсивности воздействию какого-либо ионизирующего агента (например, рентгеновских лучей). Действие ионизатора приводит к тому, что от некоторых молекул газа отщепляется один или несколько электронов, в результате чего эти молекулы превращаются в положительно заряженные ионы.

При не очень низких давлениях отщепившиеся электроны обычно захватываются нейтральными молекулами, которые таким образом становятся отрицательно заряженными ионами. Число пар ионов, возникающих под действием ионизатора за секунду в единице объема, обозначим через .

Наряду с процессом ионизации в газе происходит рекомбинация ионов, т. е. нейтрализация разноименных ионов при их встрече или воссоединение положительного иона и электрона в нейтральную молекулу. Вероятность встречи двух ионов разных знаков пропорциональна как числу положительных, так и числу отрицательных ионов. Поэтому количество рекомбинирующих за секунду в единице объема пар ионов пропорционально квадрату числа имеющихся в единице объема пар ионов :

( - коэффициент пропорциональности).

Всостояниц равновесия число возникающих ионов равно числу рекомбинирующих, следовательно,

Отсюда для равновесной концентрации ионов (числа пар ионов в единице объема) пблучается следующее выражение:

Под действием космического излучения и следов радиоактивных веществ, имеющихся в земной коре, в 1 см3 атмосферного воздуха возникает в среднем несколько пар ионов в секунду. Коэффициент для Еоздуха равен Подстановка этих чисел в формулу (81.3) дает для равновесной концентрации ионов в воздухе значение порядка . Эта концентрация недостаточна для того, чтобы обусловить заметную проводимость. Чистый сухой воздух является очень хорошим изолятором.

Если подать напряжение на электроды, то убыль ионов будет происходить не только вследствие рекомбинации, но и за счет отсасывания ионов полем к электродам. Пусть из единицы объема отсасывается ежесекундно пар ионов. Если заряд каждого иона , то нейтрализация на электродах одной пары ионов сопровождается переносом по цепи заряда е. Каждую секунду электродов достигает пар ионов (S - площадь электродов, l - расстояние между ними; произведение равно объему меж электродного пространства). Следовательно, сила тока в цепи равна

где - плотность тока.

При наличии тока условие равновесия выглядит следующим образом:

Подставив сюда выражения (81.1) и (81.4) для , придем к соотношению

Плотность тока определяется выражением

где - подвижности положительных и отрицательных ионов (см. формулу (79.5)).

Рассмотрим два предельных случая - случай слабых и случай сильных полей.

В случае слабых полей плотность тока будет очень мала, и слагаемым в соотношении (81.5) можно пренебречь по сравнению с (это означает, что убыль ионов из межэлектродного пространства происходит в основном за счет рекомбинации). Тогда (81.5) переходит в (81.2), и для равновесной концентрации ионов получается выражение (81.3). Подстановка этого значения в формулу (81.6) дает

Множитель при Е в полученной формуле не зависит от напряженности поля. Следовательно, в случае слабых полей несамостоятельный газовый разряд подчиняется закону Ома.

Подвижность ионов в газах имеет значение Следовательно, при равновесной концентрации и напряженности поля плотность тока составит

(см. формулу (81.6); ионы предполагаются однозарядными).

В случае сильных полей слагаемым в формуле (81.5) можно пренебречь по сравнению с Это означает, что практически все возникающие ионы достигают электродов, не успев рекомбинировать. При этом условии соотношение (81.5) имеет вид

Эта плотность тока создается всеми ионами, порождаемыми ионизатором в заключенном между электродами столбе газа с единичным поперечным сечением. Следовательно, эта плотность тока является наибольшей при данной интенсивности ионизатора и заданном расстоянии между электродами. Ее называют плотностью тока насыщения

Вычислим при следующих условиях: (примерно такова скорость образования ионов в атмосферном воздухе при обычных условиях), Подстановка этих данных в формулу (81.8) дает

Этот расчет показывает, что проводимость воздуха в обычных условиях ничтожно мала.

При промежуточных значениях Е происходит плавный переход от линейной зависимости от Е к насыщению, по достижении которого перестает зависеть от Е (см. сплошную кривую на рис. 81.2). За областью насыщения лежит область резкого возрастания тока (см. показанный штриховой линией участок кривой). Это возрастание объясняется тем, что, начиная с некоторого значения Е, порождаемые внешним, ионизатором электроны успевают за время свободного пробега приобрести энергию, достаточную для того, чтобы, столкнувшись с молекулой, вызвать ее ионизацию. Возникшие при ионизации свободные электроны, разогнавшись, в свою очередь вызывают ионизацию. Таким образом, происходит лавинообразное размножение первичных ионов, созданных внешним ионизатором, и усиление разрядного тока. Однако процесс не утрачивает характера несамостоятельного разряда, так как после прекращения действия внешнего ионизатора разряд продолжается только до тех пор, пока все электроны (первичные и вторичные) НЕ достигнут анода (задняя граница пространства, в котором имеются ионизирующие частицы - электроны, перемещается к аноду). Для того чтобы разряд стал самостоятельным, необходимо наличие двух встречных лавин ионов, что возможно только в том случае, если ионизацию ударом способны вызывать носители обоих знаков.

Весьма важно, что несамостоятельные разрядные токи, усиленные за счет размножения носителей, пропорциональны числу первичных ионов, создаваемых внешним ионизатором. Это свойство разряда используется в пропорциональных счетчиках (см. следующий параграф).

Газы при не слишком высоких температу­рах и при давлениях, близких к атмосфер­ному, являются хорошими изоляторами. Если поместить в сухой атмосферный воздух, заряженный электрометр, то его заряд долго остается неизменным. Это объясняется тем, что га­зы при обычных условиях состоят из ней­тральных атомов и молекул и не содержат свободных зарядов (электронов и ионов). Газ становится проводником электричест­ва только, когда некоторая часть его молекул ионизуется. Для ионизации газ надо подвергнуть воздействию какого-либо ионизатора: например, электрический разряд, рентгеновское излучение, радиации или УФ-излучение, пламя свечи и т.д. (в последнем случае электро­проводность газа вызвана нагреванием).

При ионизации газов происходит вырывание из внешней электронной оболочки атома или молекулы одного или нескольких электронов, что приводит к об­разованию свободных электронов и поло­жительных ионов. Электроны могут при­соединяться к нейтральным молекулам и атомам, превращая их в отрицательные ионы. Следовательно, в ионизованном газе имеются положительно и отрицательно заряженные ионы и свободные электроны. Электрический ток в газах на­зывается газовым разрядом. Т.о., ток в газах создается ионами обоих знаков и электронами. Газовый разряд при таком механизме будет сопровождаться переносом вещества, т.е. ионизированные газы относятся к проводникам второго рода.

Для того чтобы оторвать от молекулы или атома один электрон, необходимо совершить оп­ределенную работу А и, т.е. затратить оп­ределенную энергию. Эту энер­гию называют энергией ионизации , значения которой для атомов различных веществ лежат в преде­лах 4÷25 эВ. Количественно процесс ионизации принято характеризовать величиной, которая называется потенциал ионизации :

Одновременно с процессом ионизации в газе всегда идет и обратный процесс – процесс рекомбинации: положительные и отрицательные ионы или положительные ионы и электроны, встречаясь, воссоединя­ются между собой с образованием ней­тральных атомов и молекул. Чем больше ионов возникает под действием ионизато­ра, тем интенсивнее идет и процесс ре­комбинации.

Строго говоря, электропроводность га­за никогда не равна нулю, так как в нем всегда имеются свободные заряды, обра­зующиеся в результате действия излучения радиоактивных веществ, имею­щихся на поверхности Земли, а также космического излучения. Интен­сивность ионизации под действием указан­ных факторов невелика. Эта незначитель­ная электропроводность воздуха является причиной утечки зарядов наэлектризованных тел да­же при хорошей их изоляции.

Характер газового разряда определяется составом газа, его температурой и давлением, размерами, конфигурацией и материалом электродов, а так же приложенным напряжением и плотностью тока.

Рассмотрим цепь, содержащую газо­вый промежуток (рис.), подвергаю­щийся непрерывному, постоянному по ин­тенсивности воздействию ионизатора. В результате действия ионизатора газ приобретает некоторую электропровод­ность и в цепи потечет ток. На рис приведены вольт-амперные характеристики (зависимость тока от приложенного напряжения) для двух ионизаторов. Производительность (число пар ионов произведенных ионизатором в газовом промежутке за 1 секунду) второго ионизатора больше чем первого. Будем считать, что производительность ионизатора величина постоянная и равная n 0 . При не очень низком давлении практически все отщепившиеся электроны захватываются нейтральными молекулами, образуя отрицательно заряженные ионы. С учетом рекомбинации, примем, что концентрации ионов обоих знаков одинаковы и равны n. Средние скорости дрейфа ионов разных знаков в электрическом поле разные: , . b - и b + – подвижности ионов газа. Теперь для области I, c учетом (5), можно записать:

Как видно, в области I с увеличением напряжения ток возрастает, так как растет скорость дрейфа. Число пар рекомбинирующих ионов с ростом их скорости, при этом будет уменьшаться.

Область II – область тока насыщения – все созданные ионизатором ионы достигают электродов, не успевая рекомбинировать. Плотность тока насыщения

j н = q n 0 d, (28)

где d – ширина газового промежутка (расстояние между электродами). Как видно из (28) ток насыщения является мерой ионизирующего действия ионизато­ра.

При напряжении больше U п p (область III) скорость электронов достигает такой величины, что при столкновении с нейтральными молекулами они способны вызвать ударную ионизацию. В результате образуется дополнительно Аn 0 пар ионов. Величина А называется коэффициентом газового усиления . В области III этот коэффициент не зависит от n 0 , но зависит от U. Т.о. заряд, достигающий электродов при постоянном U прямо пропорционален производительности ионизатора – n 0 и напряжению U. По этой причине область III называется областью пропорциональности. U пр – порог пропорциональности. Коэффициент газового усиления А имеет значения от 1 до 10 4 .

В области IV, области частичной пропорциональности, коэффициент газового усиления начинает зависеть от n 0. Эта зависимость растет с ростом U. Ток резко увеличивается.

В диапазоне напряжений 0 ÷ U г, ток в газе существует только при действующем ионизаторе. Если дейст­вие ионизатора прекратить, то прекращается и раз­ряд. Разряды, существующие только под действием внешних ионизаторов, называ­ются несамостоятельными.

Напряжение U г – порог области, области Гейгера, которая соответствует состоянию, когда процесс в газовом промежутке не исчезает и после выключения ионизатора, т.е. разряд приобретает характер самостоятельного разряда. Первичные ионы только дают толчок для возникновения газового разряда. В этой области способность ионизировать приобретаю уже и массивные ионы обоих знаков. Величина тока не зависит от n 0 .

В области VI напряжение настолько велико, что разряд, однажды возникнув, больше не прекращается – область непрерывного разряда.

Несамостоятельным разрядом называется такой разряд, в котором ток поддерживается только за счет непрерывного образования заряженных частиц по какой-либо внешней причине и прекращается после прекращения действия источника образования зарядов. Заряды могут создаваться как на поверхности электродов, так и в объеме разрядной трубки. Самостоятельные разряды характеризуются тем, что заряженные частицы, необходимые для поддержания разряда, создаются в процессе самого разряда, то есть их количество по крайней мере не уменьшается с течением времени (при неизменном приложенном напряжении). Можно снять ВАХ самостоятельного разряда (см Рохлин Г.Н, рис 5.1, стр 156).

Механизм перехода несамостоятельного разряда в одну из форм самостоятельного зависит от многих причин, но общим критерием перехода является условие, чтобы в среднем каждая исчезающая по тем или иным причинам заряженная частица создавала себе за время своего существования по крайней мере одного заместителя.

Опишем процессы, происходящие в разрядной трубке при обоих видах разрядов.

Несамостоятельный разряд - возможен только при наличии «искусственного» эмиттирования электронов из катода (нагревание, воздействие коротковолнового излучения).

Таунсендовская лавина. Электрон, так или иначе вышедший с катода, под воздействием электрического поля между электродами разгоняется, приобретает энергию. Возникает вероятность ионизации атомов и возникновения новых электронов и ионов. Так, «освободившиеся» электроны под воздействием поля приобретают некоторую энергию и тоже ионизируют атомы. Таким образом, количество свободных электронов растет в степенной прогрессии (не рассматриваем механизмы деионизации).

Самостоятельный разряд. Вышеприведенного процесса недостаточно для описания возникновения самостоятельного разряда: этот механизм не объясняет появление новых электронов с катода. Вообще, чтобы разряд стал самостоятельным, каждый вырванный с катода электрон в результате цепочки взаимодействий должен вырвать с катода по крайней мере еще 1 электрон. Вспомним, что при ионизации атома электроном помимо свободного электрона возникает еще и ион, который движется под действием поля в противоположном электронам направлении - к катоду. В результате столкновения иона с катодом с последнего может быть эмитирован электрон (этот процесс называется вторичной электронной эмиссией ). Сам механизм соответствует темному самостоятельному разряду . То есть при таких условиях не происходит генерация излучения. Падающий характер этого участка (см Рохлин Г.Н, рис 5.1, стр 156) объясняется тем, что при бОльших токах нужны меньшие энергии электронов для сохранения самостоятельности разряда и, следовательно, меньшие ускоряющие поля.

Нормальный тлеющий разряд - плотность тока на катоде и падение напряжения постоянны. При увеличении общего тока возрастает эмиттирующая площадь электрода при постоянной плотности тока. При таких токах уже возникает свечение положительного столба и приэлектродных областей. Генерация электронов с катода происходит все еще за счет вторичных процессов (бомбардировка ионами, быстрыми атомами; фотоэмиссия). Приэлектродные области и столб разряда формируются при переходе от темного самостоятельного разряда к тлеющему.

Аномальный тлеющий разряд . Вся площадь катода эмитирует электроны, поэтому при возрастании тока уже растет его плотность. Катодное падение напряжения при этом растет очень резко, поскольку всякий раз для увеличения количества эмитируемых электронов с единицы площади (т.е. плотности тока) требуется приложить все больше и больше энергии. Механизм эмиссии электронов с катода остался неизменным.

При переходе к дуговому разряду появляется термоэмиссия с катода - ток оказывает на него тепловое воздействие. То есть механизм эмиссии уже принципиально отличается от предыдущих случаев. Катодное падение напряжения уменьшается, становится порядка потенциала наполняющего газа (до этого прибавлялось падение напряжения, возникающее в процессе вторичной эмиссии).

Дуговой разряд . Большие токи, малое падение напряжения, большой световой поток столба разряда.

При подогретом катоде ВАХ будет выглядеть иначе. Она не зависит от процессов вторичной эмиссии, все определяется только ионизациями в разрядном промежутке (их описывает к-т α). После зажигания разряда катод подогревается еще и ионами, приходящими из разрядного промежутка.

Форма самостоятельного разряда, которая устанавливается после пробоя газового промежутка, зависит от условий во внешней цепи, процессов на электродах и в газовом промежутке.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2.5

«Изучение газового разряда с помощью тиратрона»

Цель работы : изучить процессы, протекающие в газах при несамостоятельном и самостоятельном разряде в газах, изучить принцип работы тиратрона, построить вольт-амперную и пусковую характеристики тиратрона.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Ионизация газов. Несамостоятельный и самостоятельный газовый разряд

Атомы и молекулы газов в обычных повседневных условиях электронейтральны, т.е. не содержат свободных носителей заряда, а значит, подобно вакуумному промежутку не должны проводить электричество. В действительности газы всегда содержат некоторое количество свободных электронов, положительных и отрицательных ионов и поэтому, хотя и плохо, но проводят эл. ток.

Свободные носители заряда в газе обычно образуются в результате вырывания электронов из электронной оболочки атомов газа, т.е. в результате ионизации газа. Ионизация газа является результатом внешнего энергетического воздействия: нагревания, бомбардировки частицами (электронами, ионами, т.п.), электромагнитного облучения (ультрафиолетового, рентгеновского, радиоактивного, т.п.). При этом газ, находящийся между электродами, проводит электрический ток, что называется газовым разрядом . Мощностью ионизирующего фактора (ионизатора ) называется число пар противоположно заряженных носителей заряда, возникающих в результате ионизации в единице объема газа в единицу времени. Наряду с процессом ионизации идет и обратный процесс – рекомбинация : взаимодействие противоположно заряженных частиц, в результате которого появляются электронейтральные атомы или молекулы и излучаются электромагнитные волны. Если для электропроводности газа необходимо наличие внешнего ионизатора, то такой разряд называется несамостоятельным . Если же приложенное электрическое поле (ЭП) достаточно велико, то количество свободных носителей заряда, образующихся в результате ударной ионизации за счет внешнего поля, оказывается достаточным для поддержания электрического разряда. Такой разряд не нуждается во внешнем ионизаторе и называется самостоятельным .

Рассмотрим вольт-амперную характеристику (ВАХ) газового разряда в газе, находящемся между электродами (рис. 1).

При несамостоятельном газовом разряде в области слабых ЭП (I) количество зарядов, образующихся в результате ионизации, равно количеству рекомбинирующих между собой зарядов. Благодаря этому динамическому равновесию концентрация свободных носителей заряда в газе остается практически постоянной и, как следствие, выполняется закон Ома (1):

где Е – напряженность электрического поля; n – концентрация; j – плотность тока.

и ( ) – соответственно подвижности положительных и отрицательных носителей заряда; <υ > – дрейфовая скорость направленного движения заряда.

В области высоких ЭП (II) наблюдается насыщение тока в газе (I), так как все носители, создаваемые ионизатором, участвуют в направленном дрейфе, в создании тока.

При дальнейшем росте поля (III) носители заряда (электроны и ионы), двигаясь ускоренно, ионизируют нейтральные атомы и молекулы газа (ударная ионизация ), в результате чего образуются дополнительные носители заряда и формируется электронная лавина (электроны легче ионов и значительно ускоряются в ЭП) – плотность тока растет (газовое усиление ). При выключении внешнего ионизатора вследствие процессов рекомбинации газовый разряд прекратится.

В результате этих процессов образуются потоки электронов, ионов и фотонов, количество частиц нарастает лавинообразно, идет резкий рост тока практически без усиления ЭП между электродами. Возникает самостоятельный газовый разряд . Переход от несостоятельного газового разряда к самостоятельному называется эл. пробоем , а величина напряжения между электродами , где d – расстояние между электродами, называется напряжением пробоя .

Для эл. пробоя необходимо, чтобы электроны на длине своего пробега успевали набрать кинетическую энергию, превышающую потенциал ионизации молекул газа, а с другой стороны, чтобы положительные ионы на длине своего пробега успевали приобрести кинетическую энергию больше работы выхода из материала катода. Так как длина свободного пробега зависит от конфигурации электродов, расстояния между ними d и количества частиц в единице объема (а, следовательно, от давления), то управлять зажиганием самостоятельного разряда можно как меняя расстояние между электродами d при их неизменной конфигурации, так и изменяя давление P . Если произведение Pd окажется одинаковым при прочих равных условиях, то и характер наблюдаемого пробоя должен быть один и тот же. Указанный вывод нашел отражение в экспериментальном закон е (1889г.) нем. физика Ф. Пашена (1865–1947):

Напряжение зажигания газового разряда для данного значения произведения давления газа на расстояние между электродами Pd есть величина постоянная, характерная для данного газа .

Различают несколько видов самостоятельного разряда.

Тлеющий разряд возникает при низких давлениях. Если к электродам, впаянным в стеклянную трубку длиной 30–50см, приложить постоянное напряжение в несколько сотен вольт, постепенно откачивая воздух из трубки, то при давлении 5,3-6,7 кПа возникает разряд в виде светящегося извилистого шнура красноватого цвета, идущего от катода к аноду. При дальнейшем понижении давления шнур утолщается, и при давлении » 13 Па разряд имеет вид, схематически изображенный на рис. 2.

Непосредственно к катоду прилагается тонкий светящийся слой 1 – катодная плёнка , затем следует 2 – катодное тёмное пространство , переходящее в дальнейшем в светящийся слой 3 – тлеющее свечение , имеющее резкую границу со стороны катода, постепенно исчезающую со стороны анода. Слои 1-3 образуют катодную часть тлеющего разряда. За тлеющим свечением идет фарадеево тёмное пространство – 4. Вся остальная часть трубки заполнена светящемся газом – положительный столб - 5.

Потенциал изменяется вдоль трубки неравномерно (см. рис. 2). Почти все падение напряжения приходится на первые участки разряда, включая темное катодное пространство.

Основные процессы, необходимые для поддержания разряда происходят в его катодной части:

1) положительные ионы, ускоренные катодным падением потенциала бомбардируют катод и выбивают из него электроны;

2) электроны ускоряются в катодной части и набирают достаточную энергию и ионизируют молекулы газа. Образуется много электронов и положительных ионов. В области тлеющего свечения идет интенсивная рекомбинация электронов и ионов, выделяется энергия, часть которой идет на дополнительную ионизацию. Проникшие в фарадеево темное пространство электроны постепенно накапливают энергию, так что возникают условия необходимые для существования плазмы (высокая степень ионизации газа). Положительный столб представляет собой газоразрядную плазму. Он выполняет роль проводника, соединяющего анод с катодными частями. Свечение положительного столба вызвано в основном переходами возбужденных молекул в основное состояние. Молекулы разных газов испускают при таких переходах излучение разной длины волны. Поэтому свечение столба имеет характерный для каждого газа цвет. Это используется для изготовления светящихся трубок. Неоновые трубки дают красное свечение, аргоновые – синевато-зеленое.

Дуговой разряд наблюдается при нормальном и повышенном давлении. При этом ток достигает десятков и сотен ампер, а напряжение на газовом промежутке падает до нескольких десятков вольт. Такой разряд можно получить от источника низкого напряжения, если предварительно сблизить электроды до их соприкосновения. В месте контакта электроды сильно разогреваются за счет джоулева тепла и после их удаления друг от друга катод становится источником электронов за счет термоэлектронной эмиссии. Основными процессами, поддерживающими разряд, являются термоэлектронная эмиссия из катода и термическая ионизация молекул, обусловленная высокой температурой газа в межэлектродном промежутке. Почти все межэлектродное пространство заполнено высокотемпературной плазмой. Она служит проводником, по которому электроны, испущенные катодом, достигают анода. Температура плазмы составляет ~6000 К. Высокая температура катода поддерживается за счет его бомбардировки положительными ионами. В свою очередь, анод под действием быстрых электронов, налетающих на него из газового промежутка, разогревается сильнее и может даже плавиться и на его поверхности образуется углубление – кратер – самое яркое место дуги.. Электрическая дуга впервые была получена в 1802г. русским физиком В.Петровым (1761–1834), который в качестве электродов использовал два куска угля. Раскаленные угольные электроды давали ослепительное свечение, а между ними возникал яркий столб светящегося газа – электрическая дуга. Дуговой разряд используется в качестве источника яркого света в прожекторах проекционных установках, а также для резки и сварки металлов. Существует дуговой разряд с холодным катодом. Электроны появляются за счет автоэлектронной эмиссии с катода, температура газа невелика. Ионизация молекул происходит за счет электронных ударов. Между катодом и анодом возникает газоразрядная плазма.

Искровой разряд возникает между двумя электродами при большой напряженности ЭП между ними . Между электродами проскакивает искра, имеющая вид ярко светящегося канала, соединяющая оба электрода. Газ вблизи искры нагревается до высокой температуры, возникает перепад давлений, что приводит к возникновению звуковых волн, характерный треск.

Возникновению искры предшествует образование в газе электронных лавин. Родоначальником каждой лавины служит электрон, разгоняющийся в сильном ЭП и производящий ионизацию молекул. Образовавшиеся электроны в свою очередь разгоняются и производят следующую ионизацию, происходит лавинное нарастание количества электронов – лавина.

Образующиеся положительные ионы не играют существенной роли, т.к. они малоподвижны. Электронные лавины пересекаются и образуются проводящий канал стример, по которому от катода к аноду устремляются электроны – происходит пробой.

Примером мощного искрового разряда может служить молния. Разные части грозового облака несут заряды различных знаков ("–" обращен к Земле). Поэтому если облака сближаются разноименно заряженными частями, между ними возникает искровой пробой. Разность потенциалов между заряженным облаком и Землей ~10 8 B.

Искровой разряд применяется для инициирования взрывов и процессов горения (свечи в двигателях внутреннего сгорания), для регистрации заряженных частиц в искровых счетчиках, для обработки поверхности металлов и т.п.

Коронный (коронарный) разряд возникает между электродами, имеющимися разную кривизну (один из электродов тонкая проволока или острие). При коронном разряде ионизация и возбуждение молекул происходит не во всем межэлектродном пространстве, а вблизи острия, где напряженность велика и превышает Е пробоя. В этой части газ светится, свечение имеет вид короны, окружающей электрод.

Плазма и ее свойства

Плазмой называется сильно ионизованный газ, в котором концентрация положительных и отрицательных зарядов практически одинакова. Различают высокотемпературную плазму , возникающую при сверхвысоких температурах, и газоразрядную плазму , возникающую при газовом разряде.

Плазма обладает следующими свойствами:

Высокой степенью ионизации, в пределе – полной ионизацией (все электроны отделены от ядер);

Концентрация положительных и отрицательных частиц в плазме практически одинаково;

большой электропроводностью;

Свечением;

Сильным взаимодействием с электрическими и магнитными полями;

Колебаниями электронов в плазме с большой частотой (»10 8 Гц), вызывающими общую вибрацию плазмы;

Одновременным взаимодействием огромного числа частиц.