Лекции для студентов

Электричество и магнетизм. Часть 2

2.15. Электропроводность газов. Основные виды газового разряда. Плазма.

В естественном состоянии газы не являются проводниками электрического тока. Для получения электрического тока в газе его необходимо ионизировать, то есть создать в нем носители заряда. При ионизации молекул газа образуются положительно и отрицательно заряженные ионы и свободные электроны. Следовательно, носителями тока в газах являются ионы и электроны. Процесс, обратный ионизации, называется рекомбинацией. При рекомбинации ионы и электроны вновь объединяются, образуя нейтральные молекулы. Постоянный электрический ток в газе возможен лишь тогда, когда процессы ионизации превалируют над процессами рекомбинации.

Протекание электрического тока в газе называют газовым разрядом. Различают несамостоятельный и самостоятельный газовые разряды. Для поддержания несамостоятельного газового разряда требуется внешний ионизатор. Внешними ионизаторами могут служить ультрафиолетовые и рентгеновские лучи, пучки быстрых заряженных частиц, ионизирующие излучения радиоактивных веществ (α- ,β-, γ- лучи); нагрев газа до высокой температуры (термическая ионизация). Самостоятельный газовый разряд поддерживается за счет внутренних процессов ионизации, которые протекают в газе при приложении электрического поля.

В таблице 1 перечислены основные типы самостоятельного газового разряда и процессы, обусловливающие их.

Таблица 1. Типы самостоятельного газового разряда.

Тип разряда	Давление	Факторы, поддерживающие разряд
Тлеющий	<1-2 мм. рт.ст.	Ионизация электронными ударами, вторичная эмиссия электронов с катода.
Коронный	атмосферное	Ионизация электронными ударами при высокой напряженности электрического поля (> 3∙106 В/м).
Искровой	атмосферное	Ионизация электронными ударами при высокой напряженности электрического поля (> 3∙106 В/м), ионизация газа излучением искры.
Дуговой	атмосферное	Термоэлектронная эмиссия

К самостоятельному виду газового разряда следует отнести также такое явление, как шаровая молния. Следует сказать, что природа этого явления до сих пор не установлена. Существуют десятки моделей шаровой молнии, но ни одна из них не объясняет полностью всех особенностей этого необычного явления.

Для снятия ВАХ газового разряда применяют установку, упрощенная схема которой показана на рис.7.3. В трубке, заполненной исследуемым газом, имеется специальное окошко, через которое поступает ионизирующее излучение (обычно используют ультрафиолетовые или рентгеновские лучи). Газоразрядная трубка снабжена двумя электродами (катодом и анодом), включенными в измерительную цепь, содержащую источник напряжения, которое подается на трубку.

Рис.7.3. Установка для снятия вольтамперной характеристики газового разряда.

Типичная ВАХ газового разряда приведена на рис.7.4. Зависимость силы тока от напряжения имеет сложный нелинейный вид, то есть она не подчиняется закону Ома.

Рис.7.4. Вольтамперная характеристика газового разряда.

Области несамостоятельного газового разряда соответствует область напряжений U<U_гаш; области самостоятельного газового разряда — область U>U_зажиг. Отметим, что всегда U_гаш<U_зажиг, что обусловлено присутствием остаточных носителей тока при снятии обратной ветви ВАХ. Насыщение тока наступает тогда, когда все носители тока достигают электродов при данной мощности внешнего ионизатора.

Особым состоянием вещества является плазма. Плазма — это практически полностью ионизированный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов одинаковы. Плазма, возникающая при газовом разряде называется низкотемпературной или газоразрядной. Плазма, возникающая вследствие высокой температуры разогрева вещества, называется высокотемпературной или изотермической. Также плазму характеризуют по степени ионизации (см. таблицу 2).

Таблица 2. Классификация плазмы.

По степени ионизации	По температуре
Слабо ионизованная (α~ долей %). Частично ионизованная (α~ 1%). Сильно ионизованная (α~ 100%).	Низкотемпературная (Тi < 105 К) Высокотемпературная (Тi~ 106 -108 К)

Концентрация носителей тока в плазме очень велика, поэтому плазма обладает хорошей электропроводностью. А поскольку подвижность электронов примерно на три порядка величины больше, чем у ионов, электропроводность плазмы обусловлена в основном электронами.