Процесс ионизации газов
Газы являются диэлектриками, если они находятся в обычных физических условиях. В этом случае газы состоят в основном из нейтральных атомов и молекул, а заряженные частицы (электроны, ионы), имеющиеся в некотором объеме газа лишь в незначительном количестве, не могут образовать заметного тока. Однако из нейтральных молекул и атомов могут образоваться заряженные частицы — ионы, если по каким-либо причинам число электронов в них изменится: этот процесс носит название ионизации. Ионизованный газ является проводником.
Если направить струю воздуха в газовый промежуток ,а на пути струи, вне промежутка, поместить ионизующее пламя, то гальванометр покажет некоторый ток.
Ионизация происходит под действием космических лучей, рентгеновского и ультрафиолетового излучения, высокой температуры, электрического поля.
Опыт показывает, что перечисленные ионизующие факторы сами по себе не могут вызывать значительного роста числа заряженных частиц в единице объема, тем более, что наряду с ионизацией идет обратный процесс образования нейтральных молекул и атомов, называемый рекомбинацией.
Электропроводность газа, возникшая в результате внешнего ионизующего воздействия, называется несамостоятельной. Если внешний ионизующий фактор перестает действовать, то в силу рекомбинации электропроводность газа исчезает. Наибольшее значение имеет ионизация атомов и молекул газа, вызываемая столкновением их с быстродвижущимися электронами. При таком столкновении энергия движущегося электрона частично или полностью передается нейтральному атому или молекуле.
Определения ионизации газов.
При достаточной энергии удара от нейтрального атома или молекулы отрывается один или несколько электронов, вместо нейтрального атома или молекулы появляются положительные ионы. Возможно также сцепление электрона с нейтральным атомом или молекулой, что приводит к образованию отрицательного иона. Процесс образования ионов при столкновении нейтральных атомов и молекул с быстродвижущимися электронами называется ударной ионизацией.
В результате ионизации количество электронов увеличивается, это приводит к росту числа столкновений и, следовательно, к еще большему увеличению числа заряженных частиц.
В ионизованном состоянии газ является проводником. Электропроводность газа, поддерживаемая благодаря ударной ионизации действием внешнего электрического поля, называется самостоятельным разрядом.
Различают несколько видов самостоятельного разряда в газе: тихий, тлеющий, искровой, дуговой.
Тихий разряд возникает при относительно больших давлениях газа (например, атмосферном), когда поле в разрядном промежутке между электродами очень неравномерно из-за малого радиуса кривизны электродов.
Тихий разряд обычно наблюдается около электродов в тех местах, где напряженность электрического поля достигает некоторого значения, называемого критическим для данного газа, и сопровождается свечением — короной.
При передаче электрической энергии на высоком напряжении вокруг проводов линии нередко можно наблюдать (особенно в сырую погоду) тихий (коронный) разряд, который приносит вред, вызывая, в частности, дополнительные потери энергии.
Рис. 1 Вольт-амперная характеристика лампы тлеющего разряда.
Тлеющий разряд. При низких давлениях (около 1 мм рт. ст.) в длинной стеклянной трубке можно получить тлеющий разряд, если между электродами, расположенными у ее концов, приложить напряжение в несколько сот вольт. Различные газы при тлеющем разряде дают свечение разного цвета. Благодаря этому лампы тлеющего разряда применяются в декоративных целях
Зависимость тока в лампе тлеющего разряда от напряжения между электродами (вольт-амперная характеристика) нелинейная, причем в некотором интервале изменения тока напряжение остается постоянным (участок БВ на рис. 1). На этом рисунке точка А характеристики соответствует зажиганию прибора, точка В — началу дугового разряда. Газоразрядные приборы тлеющего разряда используются для стабилизации напряжения.
Искровой разряд возникает между холодными электродами при большом внутреннем сопротивлении источника питания. Ионизация газа, начавшаяся под действием электрического поля, приобретает лавинообразный характер, в результате чего газовый промежуток становится проводящим, и между электродами проскакивает искра. При этом резко уменьшается сопротивление газового промежутка.
По расстоянию между электродами, при котором возникает пробой воздуха, можно судить о величине напряжения между электродами. На этой основе для измерения очень высоких напряжений применяются шаровые разрядники.
При большой мощности источника питания искровой разряд может перейти в дуговой, более устойчивый самостоятельный разряд в газе при атмосферном или повышенном давлении.
Такого рода разряд носит название электрической дуги или дуги Петрова, так как впервые наблюдался в 1803 г. профессором В. В. Петровым. Характерной особенностью дугового разряда является то, что он сопровождается ослепительным свечением и сильным нагреванием электродов (до 3000° С и более).
Световое действие электрической дуги используется для специального освещения (прожекторы, проекционные аппараты), а тепловое действие — для сварки и плавления металлов.
Электрическая дуга, возникающая при выключении электрических установок — явление нежелательное, так как ее тепловое действие разрушает контакты отключающих аппаратов (рубильников, контакторов, выключателей). Поэтому приходится принимать специальные меры, в результате чего выключающие аппараты значительно усложняются, увеличиваются их размеры.
