Електричний струм у газах

Йонізація газів

За звичайних умов гази практично не містять вільних заряджених частинок (електронів або йонів), здатних упорядковано переміщатися під дією електричного поля. За нормальних умов гази є ізоляторами. За звичайних умов газ складається з електрично нейтральних атомів і молекул.

Проте за деяких умов можна помітно підвищити електропровідність газу. Достатньо, наприклад, подіяти полум'ям сірника на повітря біля зарядженого електроскопа, і він одразу ж розряджається. Отже, під дією полум'я повітря втрачає свої ізоляційні властивості, тобто в ньому з'являються вільні заряди. Повітря, як і гази, можна зробити електропровідним і в разі дії на нього ультрафіолетового, рентгенівського та радіоактивного випромінювань.

Для відриву електрона від атома необхідна певна енергія, яку називають енергією йонізації.

Йонізація газів — це відривання електронів від їх атомів чи молекул.

Протилежним процесу йонізації газів є процес рекомбінації — об'єднання протилежно заряджених частинок у нейтральні молекули. Йонізатор щосекунди створює в просторі між електродами деяке число іонів і електронів. Стільки ж йонів і електронів, з'єднуючись між собою, утворюють нейтральні атоми. Така динамічна рівновага існує до тих пір, поки між електродами немає електричного поля. Як тільки між електродами буде створено поле, одразу ж на частинки, які несуть заряди різних знаків, почнуть діяти сили, спрямовані в протилежні боки. Тому разом із безладним рухом заряджені частинки переміщатимуться в напрямі дії на них електричного поля. Цей спрямований рух частинок під дією електричного поля й є струмом у газі.

Однак під дією високої температури швидкості їх різко зростають і в результаті зіткнень молекула може втратити один або кілька електронів, внаслідок чого перетворюється на позитивний йон. Частина звільнених електронів захоплюється нейтральними атомами чи молекулами, що веде до утворення негативних йонів.

Процес утворення йонів називають йонізацією газу, а збудників іонізації – йонізаторами.

Поряд з йонізацією в газі може відобуватися і зворотній процес – рекомбінація іонів у нейтральні атоми чи молекул.

Процес проходження електричного струму через газ називається газовим розрядом.

Механізм проходження газів схожий на механізм провідності розчинів і розплавів електролітів. Різниця полягає в тому, що відємний заряд переноситься в основному не відємними іонами, як у водних розчинах, а електронами.

Таким чином в газах поєднується електрона провідність, подібна провідності металів, з інною провідностю, подібною провідності водних розчинів чи розплавів електролітів.

Тому для того, щоб зробити газ провідником, потрібно якимось чином внести в нього або створити в ньому вільні носії заряду (іони, електрони тощо). При цьому можливі два шляхи:

заряджені частинки створюються у газі під дією самого електричного поля, яке існує між електродами - в цьому випадку провідність газу називають самостійною.
заряджені частинки створюються дією якогось зовнішнього фактору або вводяться у газ ззовні - в цьому випадку провідність газу називають несамостійною;

Види самостійного розряду

Тліючий розряд

Цей вид розряду спостерігається в газах при низьких тисках (порядку 0,1 мм. рт. ст.).

Для збудження тліючого розряду достатньо напруги між електродами в декілька сотень (а інколи і <) вольт. При цьому розряді майже вся трубка, за виключенням невеликої ділянки біля катоду, заповнена однорідним свіченням, яке називається додатнім стовпом.

Тліючий розряд виористовують в трубках для реклами, у лампах денного світла. Використовують цей розряд і в газових лазерах.

Іскровий розряд

Якщо поступово збільшувати напругу між двома вміщеними в атмосферне повітря електродами, при певній напрузі між електродами пролітає електрична іскра. Вона має вигляд тонкого яскравого світлого, зігнутого і розгалуженого шнура. При цьому іскровий розряд з величезною швидкістю пронизує проміжок між електродами, часне і знову виникає.

Характерним прикладом потужного іскрового розряду є блискавка.

Коронний розряд

При атмосферному тиску, в дуже неоднорідних електричних полях, наприклад поблизу проводів ліній високої напруги, спостерігається розряд, світла ділянка яка нагадує корону.

Густина електричного заряду на поверхні провідника тим більша, чим більша його привизна.

Дуговий розряд

Якщо дістати іскровий розряд, а потім поступово зменшувати електричний опір кола, зменшуючи відстань між електродами, то розряд перейде з переривчасного у безперервний – виникає новий вид газового розряду, який дістав назву дугового.

При цьому сила струму різко зростає ( ~ десятків сотень ампер), а напруга на розрядному проміжку надає до кількох десятків вольтів.

Від горіння дуги електрод загострюється, а на аноді утворюється заглиблення – кратер. Температура кратера при атмосферному тиску становить близько 40000С, а під тиском 20 атм. перевищує 70000С.

Електрична дуга є потужним джерелом світла, і тому її широко використовують у проекційних, протекторних та ін. установках. Особливо широко електричну дугу використовують для зварювання й різання металів, а також у дугових електропечах.

При достатньо високих температурах починається іонізація газу за рахунок зіткнень швидкорухаючих атомів або молекул. Речовина переходить у стан плазми.