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 Uk » 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 Uk (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;
·
 |
высокие концентрации частиц в катодной области.
Рис. 2.6. Статическая вольтамперная характеристика различных видов газового разряда