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.
Электрический самостоятельный и несамостоятельный разряд возникает в различных газовых средах при наличии определенных условий. Человеком используется, как правило, самостоятельный разряд. В статье дается характеристика указанным явлениям.
Что такое в газах?
Прежде чем рассматривать газовый разряд самостоятельный и несамостоятельный, дадим определение этому явлению. Под разрядом понимают возникновение электрического тока в газе. Поскольку газовые среды по своей природе являются изоляторами, то это означает, что ток обусловлен наличием в них свободных носителей электрического заряда. Помимо них также должно существовать электрическое поле, чтобы заряды приобретали направленное движение.
Электрическое поле может быть создано путем приложения к объему газа внешней разности потенциалов (наличие электродов: отрицательный катод и положительный анод).
Источниками носителей заряда могут быть следующие процессы:
- Термоионизация. Она возникает за счет механического столкновения газовых частиц (атомов, молекул) высоких энергий и выбивания из них электронов. Этот процесс активируется при увеличении температуры.
- Фотоионизация. Ее суть заключается в поглощении электроном высокоэнергетического фотона и его отрыв от атома.
- Холодная эмиссия электронов. Возникает за счет бомбардировки ионами поверхности катода.
- Термоэлектронная эмиссия. Этот процесс обусловлен испарением электронов высоких энергий из катода и их участием в последующей ионизации плазмы.
Названные процессы лежат в основе классификации типов разрядов (самостоятельный и несамостоятельный).
Понятие о самостоятельности разряда
Рассмотрим случай с катодной трубкой. Она представляет собой запаянную емкость, в которой имеется некоторый газ под определенным давлением. На концах этой трубки находятся электроды. Если к ним приложить небольшую разность потенциалов, то практически никакого тока не возникнет. Связано это с отсутствием достаточного количества носителей заряда.
Если же нагреть газ или подвергнуть его облучению ультрафиолетом, то вольтметр сразу зафиксирует появление тока. Это яркий пример несамостоятельного разряда. Он так называется, потому что для его существования необходимым внешний источник ионизации (излучение, температура). Стоит убрать этот источник, как показания вольтметра снова станут равными нулю.
Если же при отсутствии внешних источников ионизации увеличивать напряжение между электродами трубки, то начнет появляться ток, который пройдет несколько стадий (насыщение, возрастание, убывание). В этом случае говорят о самостоятельном электрическом разряде. Он уже не требует внешних источников, необходимые носители заряда порождаются внутри самой системы. Процессы их образования остаются теми же, что и для несамостоятельного разряда. При высоких напряжениях и больших плотностях тока добавляется еще и термоэмиссия электронов катода.
Вольтамперная характеристика разряда
Газовый самостоятельный и несамостоятельный разряд удобно изучать, если использовать зависимость напряжения от силы тока (или наоборот), которую принято называть вольтамперной характеристикой. Она позволяет судить не только о величине напряжения и тока в системе, но и о происходящих в ней электрических процессах.
Ниже приведена вольтамперная характеристика, на которой отражены все основные фазы развития разряда.
Как видно их три: темный, тлеющий и дуговой. Далее в статье опишем подробнее эти фазы.
Темный разряд
Он описывается промежутком AC. При увеличении напряжения U, ток I растет за счет увеличения скорости движения ионов. Однако эти скорости невелики, поэтому имеет место несамостоятельный разряд. В области BC он выходит на насыщение и становится самостоятельным, поскольку скорость ионов становится достаточной, чтобы при бомбардировке катода выбивать из него электроны. Эти электроны приводят к дополнительной ионизации газа.
Темный заряд получил такое название потому, что его свечение практически равно нулю: низкая концентрация плазмы, малые токи (10 -8 А), отсутствие рекомбинации ионов и электронов.
Тлеющий разряд
На вольтамперной характеристике ему соответствует зона между точками C и F. Из рисунка видно, что напряжение изменяется (падает и растет), ток же постоянно увеличивается. Интерес представляют две подзоны:
- Точки OE - нормальный тлеющий разряд. Причина роста тока здесь связана с увеличением площади плазмы в газе. То есть сначала это узкие небольшие каналы, затем за счет холодной эмиссии электронов они расширяются, пока не достигнут всего объема трубки. С этого момента наступает переход в следующую подзону.
- Точки EF - аномальный разряд. Ток этого самостоятельного разряда в газе начинает расти за счет горячей электронной эмиссии. Температура катода постепенно повышается, и он начинает испускать отрицательно заряженные частицы.
В нормальной области тлеющего разряда работают все неоновые и люминесцентные лампы.
Искровой и дуговой разряды
Эти виды самостоятельных разрядов охватывают зону FG на рисунке. Здесь происходят самые сложные процессы.
Когда напряжение между электродами вырастет на максимальную величину (точка F), и произойдет активация термоэмиссии электронов с катода, тогда создадутся благоприятные условия для формирования нестабильного искрового разряда. Он представляет собой кратковременные пробои (микросекунды), которые имеют характерную зигзагообразную форму. Яркий пример в природе - молния в атмосфере.
Разряд происходит по узким каналам, которые называют стримерами. Они представляют собой узкие ломаные линии высокоионизированной плазмы, которые соединяют катодную поверхность с анодной. Сила тока достигает в них десятков тысяч ампер.
Стабилизация искрового заряда ведет к формированию устойчивой дуги (область точки G). В этом случае весь объем газа в трубке - это высокоионизированная плазма. Поверхность катода разогревается до 5000-6000 К, а анода - до 3000 К. Такой сильный нагрев катода приводит к образованию на нем так называемых "горячих пятен", которые становятся мощным источником термоэлектронов и являются причиной эрозионного износа этого электрода. Напряжение при дуговом разряде не является высоким (несколько десятков вольт), а вот сила тока может достигать 100 А и больше. Сварочная дуга - яркий пример этого типа разряда.
Таким образом, существование самостоятельного и несамостоятельного разрядов в газах обусловлено механизмами его ионизации и формирования плазмы при увеличении напряжения и силы тока в системе.
При не слишком высоких температурах и атмосферном давлении газ – хороший изолятор.
Газ становится проводником , когда некоторая часть его молекул ионизируется . При ионизации газа под действием какого-либо ионизатора происходит вырывание электронов из электронной оболочки атомов или молекул. Некоторые электроны могут присоединиться к нейтральным атомам, образуя отрицательные ионы .
Следовательно, при ионизации газа образуются положительные и отрицательные ионы и свободные электроны . Таким образом, газ становится проводником .
Прохождение электрического тока через газ называется газовым разрядом .
Ионизация газов может происходить под действием различных ионизаторов, например:
· сильное нагревание,
· электромагнитное излучение,
· потоки высокоэнергичных заряженных частиц.
Для того, чтобы выбить электрон из электронной оболочки атома или молекулы нужно затратить определенную энергию, которая называется энергией ионизации .
Значение энергии ионизации лежит в пределах от 1 до 30 эВ. Наряду с явлением ионизации всегда идет обратный процесс. так называемый процесс рекомбинации , то есть воссоединение положительных и отрицательных ионов и электронов. в результате которого образуются нейтральные атомы. процесс рекомбинации идет в отсутствии ионизатора.
12.4. Воль-амперная характеристика газового разряда
Характер газового разряда определяется его вольт-амперной характеристикой.
На участке ОА сила тока увеличивается прямо пропорционально напряжению – выполняется закон Ома.
На участке АВ рост тока замедляется, закон Ома нарушается.
На участке ВС рост тока прекращается – явление «ток насыщения» . Это объясняется тем, что все электроны, созданные внешним ионизатором достигают соответствующих электродов.
Начиная с точки С рост тока возобновляется, это связано с тем, что при больших напряжениях электроны, возникающие под действием внешнего ионизатора, ускоряются электрическим полем настолько, что при столкновении с нейтральным атомом ионизируют их, потому, что масса электрона намного меньше массы иона, а электроны обладают большой кинетической энергией.
Если на участке ОС прекратить действие ионизатора, то газовый разряд прекратится. Значение тока насыщения служит характеристикой ионизатора. Заряженные положительные и отрицательные ионы и электроны появляются благодаря ускоренным электронам.
Ускоренные электроны, двигаясь к электродам, вновь ионизируют атомы и молекулы. Этот процесс называется ударной ионизацией .
Однако, ударной ионизации еще недостаточно для создания лавины (участок ДЕ на вольт-амперной характеристике). Для лавины необходимо наличие следующих процессов:
· ускоренные электрическим полем положительные ионы, достигая катода, выбивают из него вторичные электроны;
· положительные ионы, сталкиваясь с нейтральными атомами, переводят их в возбужденное состояние.
Переходя в основное состояние, возбужденные атомы излучают фотоны, эти фотоны вызывают ионизацию нейтральных атомов и молекул.
Процесс лавинообразно нарастает. Напряжение, при котором наблюдается лавинообразное нарастание тока, называется напряжением пробоя .
Газовый разряд, который прекращается после прекращения действия ионизатора, называется несамостоятельным газовым разрядом.
Самостоятельным газовым разрядом называется разряд, который сохраняется после прекращения действия ионизатора.
Таким образом, напряжение пробоя – напряжение, при котором несамостоятельный газовый разряд переходит в самостоятельный .
Различают несколько форм самостоятельных газовых разрядов, происходящих при нормальном и повышенном давлении.
12.5. Газовые разряды
Коронный разряд
~ возникает при нормальном давлении в газе, находящемся в сильно неоднородном электрическом поле , например около острия, около линии электропередач.
При коронном разряде ионизация газа и его свечение происходит только вблизи коронирующих электродов.
В случая коронирования катода образуется так называемая отрицательная корона. Электроны, вызывающие ударную ионизацию молекул газа выбиваются из катода ускоренными положительными заряженными ионами.
Если коронирует анод, то образуется положительная корона, а рождение электронов происходит в результате фотоионизации вблизи анода.
Отрицательное значениекоронного разряда : утечка тока в линиях высокого напряжения, которая ведет к потерям электроэнергии.
Применяется для очистки газа в установках электрогазоочистки.
При повышенном напряжении коронный разряд на острие приобретает вид исходящих из острия перемещающихся во времени светящихся линий. Эти линии имеют ряд изломов и изгибов и образуют подобие кисти, вследствие чего этот разряд называют кистевой разряд . Если напряжение между электродами увеличивать, то при очень высоком напряжении коронный разряд переходит в искровой .
Искровой разряд представляет собой нестационарный самостоятельный разряд в газе, имеющий вид ярких зигзагообразных нитей-каналов, которые появляются и исчезают, сменяясь новыми. Каналы искрового разряда начинают расти – от отрицательного или положительного электрода. а иногда от какой-либо точки между электродами.
Это объясняется тем, что ионизация ударом происходит не по всему объему газа, а по отдельным каналам. проходящих в тех местах, в которых концентрация ионов случайно оказалась наибольшей.
Искровой разряд сопровождается выделением большого количества теплоты, ярким свечением газа, треском.
Пример искрового разряда – молния . Все разряды вызываются электронными и ионными лавинами, которые возникают в искровых каналах и приводят к увеличению давления и температуры.
Применение искрового разряда :
1. искровой разряд лежит в основе электроискровой обработки металлов и сплавов;
2. для воспламенения горючей смеси в карбюраторных двигателях;
3. для защиты электрических сетей от перенапряжения;
4. для измерения больших разностей потенциалов с помощью шарового разрядника.
В шаровом разряднике существуют два электрода, представляющие собой два полированных металлических шара. Шары раздвигают, и на них подается измеряемое напряжение. Затем шары сближают до тех пор, пока между ними не проскочит искра. Зная диаметр шаров, расстояние между ними, давление, температуру и влажность воздуха можно определить разность потенциалов шаров с помощью специальных таблиц. Таким способом можно измерять напряжение порядка сотен киловольт.
Дуговой разряд
~ происходит при большой плотности тока и сравн. небольшом напряжении .
Основная причина возникновения дугового разряда – интенсивное испускание термоэлектроновраскаленным катодом .
Эти электроны ускоряются электрическим полем и проводят ударную ионизацию молекул газа, благодаря чему сопротивление между электродами оказывается сравнительно маленьким.
Если, уменьшив сопротивление внешней цепи, увеличить силу тока, то проводимость газового промежутка значительно увеличивается, и, следовательно, уменьшается напряжение между электродами.
Таким образом, дуговой разряд имеет падающую вольт-амперную характеристику. При атмосферном давлении температура катода достигает 3000 0 С; электроны интенсивно испускаются нагретым катодом и бомбардируют анод, создают в нем углубление, так называемый кратер. Температура кратера 4000 0 С, а при большом давлении – 7000 0 С. Температура в канале между электродами также чрезвычайно высока. Это приводит к интенсивной термоионизации.
Использование: при электросварке металлов.
Тлеющий разряд
~самостоятельный газовый разряд, который возникает в разреженном газе, то есть при пониженном давлении и в электрическом поле значительно меньшей напряженности.
Стеклянную трубку с двумя электродами подключают к вакуумному насосу, а электроды подключают к источнику напряжения. При атмосферном давлении тока в цепи нет или ток очень мал. Но если при помощи насоса откачать газ из трубки, в ней возникает разряд, сопровождающийся свечением газа.
Это объясняется тем. что в разреженном газе электроны редко сталкиваются с атомами, поэтому в промежутке между соударениями они успевают приобрести достаточную для ионизации энергию несмотря на то, что напряженность поля может быть невысокой.
За счет электронной лампы в газе возникает разряд, в результате которого между электродами образуется светящийся шнур. По мере дальнейшего уменьшения давления, канал разряда расширяется и заполняет почти все пространство трубки, а около катода образуется темное пятно.
Тлеющий разряд применяют в светящихся газовых трубках.
Понятие о плазме
Плазма – сильно ионизированный газ , в котором концентрации положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы.
Высокотемпературная плазма – плазма, возникающая при сверхвысоких температурах. Убыль числа заряженных частиц в процессе рекомбинации восполняется термической ионизацией. В такой плазме соблюдается равенство средних кинетических энергиий заряженных частиц.
В состоянии высокотемпературной плазмы находятся звезды, звездные атмосферы, Солнце. Их температура достигает десятков миллионов градусов.
Газоразрядная плазма – плазма, возникающая при газовом разряде.
Заряженные частицы (электроны, ионы) находясь в ускоряющем электрическом поле, обладают различной средней кинетической энергией. Это означает, что температура электронного газа Т е одна, а температура ионного газа Т и – другая, причем Т е > Т и.
Несоответствие этих температур указывает на то, что газоразрядная плазма является неравновесной , поэтому она называется также неизотермической .
Убыль числа заряженных частиц в процессе рекомбинации восполняется ударной ионизацией электронами, ускоренными электрическим полем.
Прекращение действия электрического поля приводит к исчезновению газоразрядной плазмы.
Степень ионизации плазмы (α ) – отношение числа ионизированных частиц к полному их числу в единице объема плазмы.
Слабо ионизированная плазма – α составляет доли процента.
Умеренно ионизированная плазма – α составляет несколько процентов.
Полностью ионизированная плазма – α близко к 100%.
Свойства плазмы:
§ высокая степень ионизации газа;
§ равенство нулю результирующего пространственного заряда – концентрация положительно и отрицательно заряженных частиц примерно одинакова;
§ большая электропроводность;
§ свечение;
§ сильное взаимодействие с электрическим и магнитными полями;
§ высокая частота колебаний электронов – до 10 8 Гц, что вызывает вибрационное состояние плазмы;
§ «коллективное» - одновременное взаимодействие громадного числа частиц (в обычных условиях частицы взаимодействую друг с другом попарно).
Эти свойства определяют качественное своеобразие плазмы , позволяющее считать ее особым, четвертым состоянием вещества.
_______________________________
Конец 12 лекции
В отличие от растворов электролита газ при нормальных условиях состоит из нейтральных молекул (или атомов) и потому является изолятором. Проводником электрического тока газ становится только в том случае, когда хотя бы часть его молекул ионизируется (превращается в ионы) под влиянием внешнего воздействия (ионизатора). При ионизации из молекулы газа вырывается обычно один электрон, в результате чего молекула становится положительным ионом. Вырвавшийся электрон либо остается некоторое время свободным, либо сразу же присоединяется («прилипает») к одной из нейтральных молекул газа, превращая ее в отрицательный ион. Таким образом, в ионизированном газе имеются положительные и отрицательные ионы и свободные электроны.
Для того чтобы выбить из молекулы (атома) один электрон, ионизатор должен совершить определенную работу, называемую работой ионизации; для большинства газов она имеет значения, лежащие в пределах от 5 до 25 эВ. Ионизаторами газа могут служить рентгеновские лучи (см. § 125), радиоактивные излучения (см. § 139), космические лучи (см. § 145), интенсивное нагревание, ультрафиолетовые лучи (см. § 120) и некоторые другие факторы.
Наряду с ионизацией в газе идет процесс рекомбинации ионов. В результате устанавливается равновесное состояние, характеризующееся определенной концентрацией ионов, величина которой зависит от мощности ионизатора.
При наличии внешнего электрического поля в ионизированном газе возникает ток, обусловленный движением разноименных ионов во взаимно противоположных направлениях и движением электронов.
Благодаря малой вязкости газа подвижность газовых ионов в тысячи раз больше, чем ионов электролита, и составляет примерно
При прекращении действия ионизатора концентрация ионов в газе быстро падает до нуля (в связи с рекомбинацией и выносом ионов к электродам источника тока) и ток прекращается. Ток, для существования которого необходим внешний ионизатор, называется несамостоятельным газовым разрядом.
При достаточно сильном электрическом поле в газе начинаются процессы самоионизации, благодаря которым ток может существовать и в отсутствие внешнего ионизатора. Такого рода ток называется самостоятельным газовым разрядом.
Процессы самоионизации в общих чертах заключаются в следующем. В естественных условиях в газе всегда имеется небольшое количество свободных электронов и ионов, создаваемых такими естественными ионизаторами, как космические лучи и излучения радиоактивных веществ, содержащихся в атмосфере, почве и воде. Достаточно сильное электрическое поле может разогнать эти частицы до таких скоростей, при которых их кинетическая энергия превысит работу ионизации. Тогда электроны и ионы, сталкиваясь (по пути к электродам) с нейтральными молекулами, будут ионизировать их. Образующиеся при соударениях новые (вторичные) электроны и ионы также разгоняются полем и в свою очередь ионизируют новые нейтральные молекулы и т. д. Описанная самоионизация газа называется ударной ионизацией.
Свободные электроны вызывают ударную ионизацию уже при напряженности поля порядка Что касается ионов, то они могут вызвать ударную ионизацию только при напряженности поля порядка Это различие обусловлено рядом причин, в частности тем, что для электронов длина свободного пробега в газе значительно больше, чем для ионов. Поэтому электроны приобретают необходимую для ударной ионизации кинетическую энергию при меньших напряженностях поля, чем ионы. Однако и при не слишком сильных полях положительные ионы играют весьма важную роль в самоионизации газа. Дело в том, что энергия этих ионов оказывается достаточной для выбивания электронов из металла. Поэтому разогнанные полем положительные ионы, ударяясь о металлический катод источника поля, выбивают из него электроны, которые в свою очередь разгоняются полем и производят ударную ионизацию нейтральных молекул.
Ионы и электроны, энергия которых недостаточна для ударной ионизации, могут, тем не менее, при столкновении с молекулами приводить их в возбужденное состояние, т. е. вызывать некоторые энергетические изменения в их электронных оболочках. Возбужденная молекула (или атом) переходит затем в нормальное состояние, испуская при этом порцию электромагнитной энергии - фотон (процессы
возбуждения атомов и испускания и поглощения ими фотонов будут рассмотрены в § 132-136). Испускание фотонов проявляется в свечении газа. Кроме того, фотон, поглощаемый какой-нибудь из молекул газа, может ионизировать ее; такого рода ионизация называется фотонной. Наконец фотон, попадающий на катод, может выбивать из него электрон (внешний фотоэффект), который затем вызовет ударную ионизацию нейтральной молекулы.
В результате ударной и фотонной ионизаций и выбивания электронов из катода положительными ионами и фотонами количество ионов и электронов во всем объеме газа резко (лавинообразно) возрастает. Для существования тока в газе теперь уже не нужен внешний ионизатор. Газовый разряд становится самостоятельным. Описанный процесс самоионизации газа схематически показан на рис. 208, где нейтральные молекулы изображены белыми кружками, положительные ионы - кружками со знаком плюс, электроны - черными кружками, фотоны - волнистыми линиями.
На рис. 209 представлен экспериментальный график зависимости силы тока в газе от напряженности поля или от напряжения между катодом и анодом источника поля, поскольку
где расстояние между электродами. На участке кривой ток возрастает приблизительно пропорционально напряженности поля по закону Ома). Это объясняется тем, что с увеличением напряженности возрастает скорость упорядоченного движения ионов и электронов, а следовательно, и количество электричества, проходящее за 1 с к электродам (ток). Очевидно, что возрастание тока прекратится тогда, когда напряженность поля достигнет величины, при которой все ионы и электроны, создаваемые внешним ионизатором за 1 с, будут за это же время подходить к электродам.
Молекулы газов при обычных условиях нейтральны, поэтому газы являются диэлектриками. Газ становится проводником при ионизации части его молекул. Ионизация - потеря молекулой или атомом одного или нескольких электронов - может происходить при нагревании газа, при внесении его в сильное электромагнитное поле, при воздействии рентгеновских, ультрафиолетовых лучей, радиоактивных излучений. Нейтральная молекула, потерявшая один или несколько электронов, превращается в положительно заряженный ион. Часть свободных электронов захватывается нейтральными атомами и молекулами, при этом образуются отрицательные ионы. Следовательно, ионы возникают парами.
Так как нейтральные атомы и молекулы представляют собой устойчивые образования, то для ионизации их необходимо затратить определенную энергию. Минимальная энергия, которую нужно затратить для ионизации атома или молекулы, называется энергией ионизации . Она зависит от химической природы вещества и энергетического состояния электрона, удаляемого из атома или молекулы.
Если молекула получает энергию, меньшую энергии ионизации, она переходит в возбужденное состояние. Спустя время порядка она возвращается в основное состояние, а избыточная энергия излучается в виде кванта света.
Одновременно с ионизацией в газах происходит обратный процесс - рекомбинация ионов с образованием нейтральных молекул. Исчезновение ионов при рекомбинации также происходит парами. Энергия, затраченная на ионизацию молекул, при рекомбинации ионов выделяется обычно в виде квантов излучения.
Ионы и свободные электроны делают газ проводником электричества. Если в ионизированном газе создать электрическое поле, то возникнет упорядоченное движение ионов и электронов - электрический ток. Процесс прохождения электрического тока в газе называется газовым разрядом . Различают два вида газовых разрядов: несамостоятельный и самостоятельный .
Если электрический ток в газе обусловлен действием внешнего ионизатора и исчезает после прекращения действия ионизатора, то такой разряд называется несамостоятельным .
Несамостоятельный газовый разряд протекает при слабой ионизации газа. Для него характерна малая плотность тока и отсутствие световых и звуковых эффектов. Поэтому несамостоятельный разряд называется также тихим разрядом . Используется он в ионизационных камерах и счетчиках элементарных частиц.
Рассмотрим физические процессы, имеющие место при несамостоятельном газовом разряде между параллельными электродами (рис. 60.1). Предположим, что за каждую секунду в единице объ-ема образуется пар ионов. В это же время в единице объема рекомбинируют пар ионов. Кроме того, за единицу времени из единицы объема к электродам уходят пар ионов.
Нарастание концентрации ионов сопровождается усилением рекомбинации. В результате наступает состояние равновесия:
Рассмотрим предельные случаи.
1. Если напряжение между электродами мало, то электрическое поле слабое () и соответственно будет мала плотность тока ( , ). В этом случае и . Тогда, используя формулы (55.3) и (55.9), находим:
где - заряд ионов, n - их концентрация, , - подвижности ионов.
Таким образом, при малых значениях напряженности электрического поля несамостоятельный газовый разряд подчиняется закону Ома: плотность тока прямо пропорциональна напряженности.
С увеличением напряженности поля между электродами ионы уходят к электродам, не успевая рекомбинировать (). Поэтому
Если площадь электродов S , а расстояние между ними l , то каждую секунду электродов достигает пар ионов. Они создают ток, сила которого равна
. (60.3)
Объединяя формулы (53.4) и (60.3), рассчитаем плотность тока
Следовательно, при больших значениях напряженности поля между электродами плотность тока не зависит от напряженности. Это означает, что формула (60.4) определяет плотность тока насыщения.
При некотором достаточно большом значении напряженности наблюдается резкое возрастание плотности тока. Это объясняется тем, что свободные электроны, образующиеся при ионизации газа внешним источником, за время свободного пробега успевают приобрести энергию, достаточную для ионизации молекул при столкновении с ними. Такая ионизация называется ударной. В результате ионизации образуются вторичные электроны, которые тоже ускоряются электрическим полем и в свою очередь ионизируют новые молекулы газа. В газе возникают электронные лавины, его проводимость возрастает. Однако и в этом случае при прекращении действия внешнего ионизатора разряд продолжается лишь до тех пор, пока полученные при ионизации электроны достигнут анода, т. е. и при этих условиях разряд носит характер несамостоятельного.
