Электрический разряд в газах

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ПЛАЗМЕ ДУГОВОГО РАЗРЯДА

Проводимость твердых тел и жидкостей

Виды проводимости. Электрическим током принято называть упорядоченное движение электрических зарядов. В зависимости от состояния и состава вещества его электрическая проводимость может быть электронной - в металлах; ионной - в жидкостях (электролитах); электронно-ионной - в газах; электроннодырочной - в полупроводниках.

Твердые тела обычно имеют кристаллическое строение, характеризующееся так называемым дальним порядком в расположении частиц, а для данной массы вещества - наименьшей внутренней энергией. Внутренняя энергия системы есть сумма всей кинетической и потенциальной энергии частиц.

Жидкости и аморфные тела обладают лишь ближним порядком, а газы имеют беспорядочное расположение частиц при максимальной внутренней энергии системы.

Состояние вещества зависит от температуры Т и величины сил межмолекулярного взаимодействия. Энергия теплового движения или так называемая энергетическая температура частиц, равна kТ (энергия, приходящаяся на две степени свободы частиц вещества, k = 1,38·10^-23 дж/К - постоянная Больцмана). При высоких температурах величина kТ превосходит энергию взаимодействия молекул и вещество может быть только газом. Напротив, в кристалле частицы связаны сильно и энергия взаимодействия много больше kТ.

Электрический разряд в газах

Проводимость газов. Молекулы газа нейтральны, поэтому газ обычно является хорошим изолятором и может проводить электрический ток лишь при условии, что в него вводятся извне или генерируются внутри заряженные частицы. Приложив, например, достаточно сильное электрическое поле, можно вызвать нарушение изолирующих свойств газа и пропускать через него значительные токи.

У большинства газов в проводящем состоянии носителями зарядов являются электроны и положительные ионы, хотя в некоторых случаях эту роль выполняют и отрицательные ионы.

Виды разряда. Любой газовый разряд может быть самостоятельным и несамостоятельным, прекращающимся при устранении внешнего источника ионизации.

В дальнейшем будут рассматриваться только самостоятельные и стационарные (устойчивые) разряды.

Явления, возникающие при прохождении электрического тока через газ, зависят: от рода и давления газа; материала, из которого изготовлены электроды; геометрии электродов и соединяющего их канала; протекающего тока.

Газовый разряд может быть неустойчивым (например, искровым) и устойчивым. Последний можно классифицировать по трем видам: темный; тлеющий, в том числе коронный; дуговой разряд. Например, если в длинной цилиндрической стеклянной трубке, заполненной газом при давлении 1 мм рт. ст., медленно повышать разность потенциалов между катодом и анодом, то можно обнаружить ток, начиная с 10^-10 – 10^{-12 A}. Он появляется вследствие ионизации в газе, на стенках и электродах, вызываемой космическими лучами. С помощью ограничивающего сопротивления можно получить все три формы разряда (рис.). Темный разряд переходит в тлеющий, который отличается уже заметным свечением, используемым в газосветных трубках. При этом катодное падение U_k » 100 В; j до 1 -10 а/см². Температура газа в тлеющем разряде практически не повышается. Затем, через аномальный тлеющий разряд происходит переход к мощному дуговому разряду.

Характерными его чертами являются:

· малая, величина U_k (порядка 10 B вместо сотен для тлеющего);

· большие плотности тока, составляющие тысячи A/см²;

· высокая температура газа в проводящем канале, при 10⁵ Па Т = 5000 - 50 000° К;