Лекция 31

Лекция 31
Тема: Электрический ток в газах и вакууме. Плазма.
Электрический ток в газах.
При нормальных условиях в газах содержится очень небольшое количество
заряженных частиц и поэтому газы являются хорошими диэлектриками. (В среднем 700
пар/см3. Движение такого количество зарядов практически невозможно обнаружить). Под
действием некоторых внешних факторов, таких, как нагревание или облучение
различного рода лучами, например рентгеновскими, часть нейтральных молекул могут
ионизироваться, то есть распасться на положительные ионы и электроны. Ионизация
нагреванием объясняется увеличением скорости теплового движения молекул, вследствие
чего при соударении друг с другом нейтральные молекулы могут терять электроны.
Количество энергии, которую необходимо затратить для ионизации нейтральной
молекулы или атома называют энергией ионизации. Эта энергия различна для различных
веществ. Электрон может присоединится к нейтральной молекуле и образовать
отрицательный ион. Следовательно, газы обладают электронно-ионной проводимостью.
Если теперь создать электрическое поле, то возникнет электрический ток. Электрический
ток в газах называется разрядом. Электрическая проводимость газов, обусловленная
внешними факторами, называется несамостоятельным разрядом. Если внешние факторы
убрать, то ток прекратится. Это объясняется тем, что электроны при встрече с
положительным ионом образуют нейтральную молекулу (рекомбинация).
Зависимость силы тока в газах от
напряжения представлена на рисунке 1. На
участке от 0 до U1 сила тока подчиняется
закону Ома. При дальнейшем увеличении
напряжения наступает насыщение (Iн) –
когда все заряженные частицы,
образовавшиеся под действием внешнего
ионизатора достигают электродов. При
некотором значении напряжения (порядка
нескольких тысяч вольт) – U2 мы можем
наблюдать скачок тока (пробой). Это
напряжение называется напряжением
пробоя.
Возникновение пробоя
объясняется следующим образом.
Небольшое количество имеющихся заряженных частиц разгоняется электрическим полем.
Если кинетическая энергия, приобретаемая ионом или электроном за время свободного
пробега  достаточна для ионизации нейтральной молекулы, то в результате столкновения
образуется электрон и положительный ион. Такой процесс называют ударной ионизацией.
Ek  eE  Eион
(1) , где А  eE - работа электрического поля по ускорению
электрона или иона (работа ионизации). В свою очередь образовавшиеся при ударной
ионизации электроны и ионы ускоряясь в электрическом поле участвуют в процессе
ионизации. Образуется ионная лавина, при этом внешний ионизатор становится
ненужным. Такой разряд называется самостоятельным газовым разрядом. Этот процесс
показан на рисунке 2. Существуют четыре вида самостоятельного разряда: искровой,
коронный, тлеющий и дуговой.
Искровой разряд.
Природным искровым разрядом является молния. Разные части грозового облака
несут различный электрический заряд. Если два облака сближаются разноименно
заряженными частями, то между ними происходит разряд. Однако разряд может
произойти и между облаком и землей, так как заряженное облако индуцирует на
поверхности земли заряд противоположного знака. На Земле ежесекундно происходит
около 100 молний.
Характеристики молнии:
 Напряжение между облаком и землей
 100 000 000 В
 Сила тока
 100 000 А
 Продолжительность разряда
 10-6 с
 Диаметр светящегося канала
 10-20 см.
Воздух внутри канала сильно разогревается, давление повышается и возникают звуковые
волны (гром).
В лабораторных условиях искровой разряд можно получить используя высоковольтные
источники. Так как расстояние между электродами в этом случае будет не столь велико,
как между землей и облаком, то и разность потенциалов между ними может быть
значительно ниже 30 кВ.
Коронный разряд.
Коронный разряд возникает в сильно неоднородном электрическом поле, возле
остриев, проводов высокого напряжения. Напряженность электрического поля в этом
случае может быть достаточной для возникновения ударной ионизации (см. формулу 1).
Ионизация происходит в небольшой области, прилегающей к электроду. Коронный
разряд может сопровождаться легким потрескиванием, шипением и свечением ("корона").
В средние века коронный разряд называли "огнями святого Эльма"
Применение коронного разряда:
1.
Электрическая очистка газов. Загрязненный газ пропускают через электрофильтры,
возле электродов которых образуется коронный разряд. Образующиеся ионы "прилипают"
к частицам пыли. Заряженные частицы под действием электрического поля оседают на
электродах.
2.
Счетчик Гейгера-Мюллера. (рис. 3).
Счетчик состоит из металлического
цилиндра, внутри которого натянута
проволока. Между корпусом цилиндра и
проволокой создается разность
потенциалов несколько ниже, чем
необходимо для зажигания коронного
разряда. При попадании в счетчик
частицы, которая ионизирует молекулы
газа, возникает разряд. Ток проходит
через резистор, с очень большим
сопротивлением, параллельно которому включен регистрирующий прибор. При
прохождении тока напряжение на счетчике падает, ток прекращается и прибор готов к
регистрации следующей частицы.
3.
Грозоотвод. Для защиты от попадания молнии используются грозоотводы,
представляющие заостренный электрод, который заземляется и укрепляется выше
защищаемого здания. При грозе, как было сказано, на поверхности земли индуцируются
заряды. У острия грозоотвода возникает неоднородное электрическое поле, которое
создает коронный разряд. Вследствие этого индуцированные заряды не могут
накапливаться на здании и молнии не происходит. Если же все-таки молния возникает
(это бывает крайне редко), то удар приходится на грозоотвод не причиняя вреда самому
зданию.
Тлеющий разряд.
Тлеющий разряд возникает в трубке с двумя электродами при очень низком
давлении (несколько десятых мм.рт.столба). Так как увеличивается длина свободного
пробега (формула 1), то напряжение между электродами может быть значительно ниже,
чем при искровом. Тлеющий разряд применяется в газосветных лампах.
Дуговой разряд (электрическая дуга).
В 1802 году русский ученый Петров установил, что если два кусочка древесного
угля подсоединить к полюсам батареи, привести их в соприкосновение, а потом
раздвинуть, то между ними образуется яркое пламя –электрическая дуга. Причина
возникновения тока заключается в том, что при соприкосновении электродов они
разогреваются и с катода вырываются огромное количество свободных электронов –
термоэлектронная эмиссия. При раздвижении электродов, в пространстве между ними
происходит очень сильная ударная ионизация. В дальнейшем высокая температура катода
поддерживается, главным образом, за счет бомбардировки его положительными ионами.
Дугу можно питать и от переменного тока, но при постоянном горение более устойчивое.
Благодаря большой плотности тока нет необходимости в большом напряжении,
достаточно 40-50 В. Сила тока при этом свыше 5 А. Температура в в светящемся столбе
достигает температуры поверхности Солнца: 6000-7000 0С. Основное применение дуги
это электросварка и мощные источники света (прожектора).
Плазма.
Плазмой называется особое агрегатное состояние вещества, характеризующееся
высокой степенью ионизации ее частиц. Степенью ионизации  называют отношение
концентрации заряженных частиц к общей концентрации частиц. В зависимости от
степени ионизации плазма подразделяется на:
 слабоионизированную ( < 1%);
 частично ионизированную ( - несколько процентов);
 полностью ионизированную ( близка к 100%).
Плазма во Вселенной наиболее распространенное состояние вещества, так как все звезды
пример полностью ионизированной плазмы, которая образуется при высокой температуре
(высокотемпературная плазма). Пример низкоионизированой плазмы в природе –
ионосфера. Искусственно созданной низкотемпературной плазмой является плазма в
газовых разрядах.
Электрический ток в вакууме.
Вакуумом называется высокая степень разрежения газа при которой можно
пренебрегать соударениями между молекулами. Длина свободного пробега больше
размеров сосуда.
Возникновение заряженных частиц может быть обеспечено за счет эмиссии
электронов с катода.
1. Фотоэлектронная эмиссия – вырывание электронов с катода под действием
света (внешний фотоэффект). О нем будет рассказано в 11 классе.
2. Термоэлектронная эмиссия (см. дуговой разряд).
Если между двумя электродами анодом и катодом создать электрическое поле, то
эмиссионные электроны образуют электрический ток.
Применение:

Вакуумные электронные лампы (диоды, триоды), которые используются в
радиотехнических приборах. Благодаря распространение полупроводников, область
применение электронных ламп резко сузилась.

Электронно – лучевая трубка. Электроны, испускаемые с подогретого
катода, ускорялись электрическим полем и с помощью управляющих электродов
направлялись в нужную точку экрана. Таким образом формируется изображение. В
настоящее время эти приборы практически вытеснены жидкокристаллическим аналогами.