Ионизация газа
Электрический ток в газах, как и ток в любой другой среде, требует наличия свободных электрических зарядов. В нормальном состоянии газа таких зарядов там нет, поэтому их необходимо создать искусственно. Существует два способа это сделать. Первый – это расщепить нейтральные атомы газа на электроны и положительные ионы. Второй – привнести в газ эти свободные носители извне. Как правило, применяется способ ионизации.
Определение. Ионизация – процесс расщепления нейтральных молекул на ионы и электроны. Для протекания процесса ионизации необходимо каким-либо способом придать частицам дополнительную энергию, чтобы они смогли разорвать внутримолекулярные связи. Для этого используется либо некоторое излучение (например световое), либо нагревание. После ионизации газа, если приложить некоторую разность потенциалов, разноименно заряженные частицы начнут движение в противоположных направлениях, что будет означать протекание тока.
Процесс ионизации происходит сложным образом: в результате него образуются как положительные ионы, так и отрицательные ионы, так и свободные электроны. Проводимость газов – ионная.
Газовый разряд
Протекание тока в газах – скоротечное движение большого количества ионов между электродами. Такое протекание тока называется газовым разрядом. В случае, если такой ток будет слишком мал и его можно засечь только очень точными приборами, такой разряд называется тихим.
Электрические разряды в газе можно разделить на два вида: самостоятельные и несамостоятельные. Несамостоятельные разряды – разряды, которые происходят только при наличии внешнего ионизатора и прекращаются при его устранении. Самостоятельные разряды – разряды, происходящие и при отсутствии ионизаторов. Примером самостоятельного разряда является шаровая молния (рис. 1).
Рис. 1. Шаровая молния (Источник)
Исследования самостоятельных и несамостоятельных разрядов
Для полной оценки механизма протекания тока в газах необходимо построить вольтамперную характеристику тока. Для этого необходимо собрать установку из резервуара с газом, источника тока, реостатом вольтметром и амперметром (рис. 2).
Рис. 2. Схема установки
Изменяя положение ползунка реостата, меняем напряжение на концах газового резервуара. В результате увеличения напряжения и снятия показателей амперметра в начальной области вольтамперной характеристики (от начала кривой до точки А) наблюдается почти линейная зависимость. То есть для небольших напряжений в газах выполняется закон Ома.
Однако при дальнейшем увеличении напряжения происходит насыщение (участок графика АВ). Сила тока достигает значения тока насыщения и практически перестает расти даже с ростом напряжения. Это вызвано тем, что все свободные ионы достигли соответствующих электродов, и больше свободным зарядам неоткуда взяться.
При дальнейшем увеличении напряжения может наступить момент, когда сила тока опять начнет увеличиваться (начиная от точки В на кривой вольтамперной характеристики, рис. 3). Свободные электроны разогнаны электрическим полем до такой степени, что самостоятельно ионизируют нейтральные атомы, выбивая из них электроны. Такое явление называется ионизацией ударом.
Существует также вероятность так называемой вторичной ионизации ударом, когда разогнанный электрон врезается в электрод и уже из него выбивает новые свободные носители заряда. В этом случае количество этих свободных носителей будет так велико, что необходимость во внешнем ионизаторе отпадает, и разряд становится самостоятельным.
Рис. 3. Вольтамперная характеристика тока в газах
Плазма
Газ в обычном своем состоянии является диэлектриком, так как в нем мало свободных носителей заряда. Однако, как мы уже знаем, при ионизации газа он может уже проводить электрический ток. Также нам известно, что при увеличении температуры степень ионизации значительно повышается. И возможно достигнуть так называемого четвертого состояния вещества – плазмы.
Определение. Плазма – состояние вещества, когда в целом оно электронейтрально, но содержит в свободном состоянии и положительно, и отрицательно заряженные носители заряда. Плазма как термин также применяется и в медицине, но обозначает составляющую часть крови и некоторых других жидкостей.
Плазма по степени ионизации делится на:
- Частично ионизованную
- Средне ионизованную
- Полностью ионизованную
Также существует деление по температурам:
- Низкотемпературная плазма (температуры порядка тысяч градусов)
- Высокотемпературная плазма (температуры порядка миллиона градусов)
Плазма обладает рядом свойств, которые отличают ее, например, от обычного ионизированного газа:
- В плазме находится большое количество заряженных частиц, и они достаточно подвижны
- Выравнивание зарядов плазмы происходит достаточно быстро, поэтому могут легко возбуждаться колебания и волны
- У плазмы чрезвычайно высокая электропроводность, что делает ее практически сверхпроводником
Применение плазмы
Плазма находит очень широкое применение в современной науке и технике. Низкотемпературная плазма используется в первую очередь в лампах рекламных вывесок (рис. 4).
Рис. 4. Применение низкотемпературной плазмы
Высокотемпературная плазма применяется в таких устройствах, как магнитогидродинамический генератор, плазмотрон (для резки и сварки твердых материалов) (рис. 5).
Рис. 5. МГД генератор, плазмотрон
Также плазма используется в различных реактивных двигателях, так как с ее помощью можно достигать огромных реактивных скоростей порядка 
. Благодаря высокой своей температуре, плазма используется как катализатор для некоторых химических реакций, протекающих только при такой температуре.
Применение газового разряда
Самым распространенным применением газового разряда в технике является электрическая дуга, которая используется для электросварки и освещения (рис. 6).
Рис. 6. Электрическая дуга
Впервые электрическая дуга была получена в 1802 году русским физиком Петровым, а первое освещение улиц с помощью дуговых ламп было предложено и спроектировано русским инженером Яблочковым (рис. 7).
Рис. 7. Петров и Яблочков соответственно (Источник), (Источник)
На следующем уроке мы рассмотрим решение задач по теме «электрический ток в жидкостях».
Список литературы
- Тихомирова С.А., Яворский Б.М. Физика (базовый уровень) – М.: Мнемозина, 2012.
- Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И. Физика 10 класс. – М.: Илекса, 2005.
- Мякишев Г.Я., Синяков А.З., Слободсков Б.А. Физика. Электродинамика. – М.: 2010.
Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет
Домашнее задание
- Чем обуславливается ионизация газа?
- Что такое ток насыщения, чем он обусловлен?
- Что такое плазма?
- *Почему плазма является неустойчивой?
