Электрический ток в газах

Электрический ток в газах

Газы в обычных условиях — диэлектрики. Воздух исполь¬зуют в технике как изолятор: 
а) в линиях электропередач;
б) между обкладками воздушных конденсаторов; 
в) в контактах выключателей.

Однако, при определенных условиях газы могут быть проводниками: молния, электрическая искра, дуга при сварке. Процесс протекания тока через газ называется газовым разрядом. Свободные заряды: ионы и электроны, возникают в газах только в процессе ионизации.
Все атомы нейтральны, если же электрон покинул место на оболочке, то атом будет положительным ионом, если наоборот, присоединяется электрон, то частица становится отрицательно заряженной, иначе говоря – отрицательным ионом. Т. е. происходит ионизация. 
Ионизацию газов вызывают:
1.    высокая температура,
2.    ультрафиолетовые лучи,
3.    рентгеновские лучи, γ (гамма) - лучи и т. п.
Ионизация происходит при условии: произведение заряд электрона Е малое на длину свободного пробега заряженных частиц лямбда и на напряженность Е большое больше энергии ионизации. В результате нагревания или воздействия излучением часть атомов ионизируется, т.е. распадается на положительно заряженные ионы и электроны.
Основная часть освободившихся электронов остаются свободными, остальные присоединяются к молекулам или атомам,  образуя отрицательные ионы. Таким образом, в процессе ионизации появляются положительные, отрицательные ионы и электроны.
Если создать в газе электрическое поле, то  положительные ионы начнут двигаться к катоду, а электроны и отрицательные ионы - к аноду, образуя электрический ток. В растворах электролитов образование ионов происходит в результате ослабления внутримолекулярных связей под действием молекул растворителя, в результате нагревания, воздействия внешнего ионизатора – излучения. Если ионизатор перестает действовать, то газ перестает быть проводником, так как при приближении положительных ионов и электронов они могут снова образовать нейтральный атом. Этот процесс называется рекомбинация заряженных частиц.    Вследствие рекомбинации для поддержания длительного тока необходима постоянная ионизация. 
Если разряд протекает только при действии ионизатора, то разряд является несамостоятельным. Если разряд может протекать без действия внешнего ионизатора (электронным ударом), то его называют самостоятельным.
Напряжение, при котором возникает самостоятельный разряд, называется напряжением пробоя (потенциал ионизации).
Для исследования разряда в газе при различных давлениях используем трубку с двумя электродами.
Рассмотрим опыт по получению несамостоятельных разрядов. Пусть в результате ионизации образовались несколько пар заряженных частиц: положительных ионов и электронов. При небольшой разности потенциалов между электродами трубки положительно заряженные ионы движутся к отрицательному электроду, а электроны и отрицательно заряженные ионы к положительному электроду. В результате в трубке возникает электрический ток, т.е. происходит газовый разряд.

Однако не все частицы достигнут электродов, некоторые соединятся и образуют нейтральные частицы. По мере увеличения числа достигших электрода частиц возрастет сила тока, но когда все заряженные частицы, образованные за 1 секунду, достигнут за это время электрода, ток достигнет своего насыщения. Однако, если действие ионизатора прекратить, то прекратится и разряд, так как других источников нет. 
График:
ОА — только часть заряженных час¬тиц доходит до электродов, часть рекомбинирует;
АВ—ток почти не увеличивается (ток насыщения);
ВС — самостоятельный разряд 
Существует несколько типов самостоятельного разряда, имеющих широкое техническое применение.
1. Тлеющий разряд представляет собой ток малой плотности, возникающий при низком давлении    и напряжении на электродах порядка нескольких сотен вольт. Тлеющий разряд сопровождается свечением столба газа. Его используют в светящихся трубках рекламы (заполненных неоном, аргоном), а также в лампах дневного света для возбуждения люминофора, которым покрыта внутренняя поверхность трубки.
Светящийся газ представляет собой "живую плазму". Несветящаяся часть, прилегающая к катоду, называется темным катодным пространством, светящийся столб газа, заполняющий остальную часть, называется анодным положительным столбом.
При определенных давлениях анодный столб распадается на отдельные слои, разделенные темными промежутками (страты).
Причиной ионизации газа в тлеющем разряде является ударная ионизация и выбивание электронов из катода положительными ионами.
2. Дуговой разряд. Применяется в ртутных лампах высокого давления, источниках света, при сварке металлов, в электроплавильных печах, при электролизе расплавов, в электропечах. 
Дуговой разряд горит в ртутных лампах - очень ярких источниках света.
Между электродами сварочного аппарата возникает дуговой разряд.
3. Коронный разряд представляет собой ток, проходящий через газ при атмосферном давлении, возникающий под действием неоднородного электрического поля высокой напряженности. Коронный разряд сопровождается слабым свечением и небольшим шумом. Коронный разряд наблюдается вблизи заостренных частей проводников в том случае, когда напряженность электрического поля возле проводника превышает 3 • 106 В/м. Причиной разряда является ударная ионизация газа, происходящая в области, непосредственно граничащей с проводником. Для коронного разряда характерно свечение газа, образуя "корону", окружающую электрод. Коронный разряд используют в электрических фильтрах для очистки продуктов сгорания топлива от при¬месей твердых частиц.

Применяется в счетчиках заряженных частиц Гейгера-Мюллера. Громоотвод. Есть отрица-тельное явление, характерное для коронного разряда: вызывает утеч¬ку энергии на высоковольтных линиях. Особенно нежелательно возникновение этого разряда в высоковольтных линиях электропередач, так как он приводит к потерям электрической энергии.
4. Искровой разряд наблюдаем в молниях. Здесь напряженность электрического поля достигает пробивного значения. Высокое напряжение. Применяется при обработке металлов.
Наиболее распространенное в природе состояние вещества, представляющее собой ионизированный газ, нагретый до очень высокой температуры, содержащий электроны, положительно заряженные ионы, нейтральные атомы - плазма.

Из нее состоят Солнце, звезды, верхние слои атмосферы. Существует низкотемпературная плазма, высокотемпературная плазма.
Кроме бытовых плазменных приборов, на Земле так же часто можно видеть природную плазму.  Это молния, север¬ное сия¬ние, “огни свя¬того Эльма”, ионосфера Земли и, конечно, огонь. Большое значение плазма имеет при получении термоядерной реакции.