6. Несамостійний і самостійний розряди

Іонізація газу може відбуватися під впливом різних зовнішніх впливів (сильне нагрівання газу, рентгенівське чи радіоактивне випромінювання, космічне випромінювання, бомбардування електронами або йонами, що швидко рухаються), що називаються зовнішніми йонізаторами.

Існує 2 види газового розряду: несамостійний і самостійний. Якщо електропровідність газу виникає під дією іонізаторів, а з видаленням останнього зникає, то має місце несамостійний розряд.

Газовий розряд, який можна спостерігати тільки за наявності зовнішнього іонізатора, називають несамостійним газовим розрядом.

За певних умов струм у газах може проходити і без зовнішнього іонізатора.

Газовий розряд, що продовжується після того, як припиняється дія зовнішнього іонізатора, називають самостійним газовим розрядом.

Яка ж причина появи носіїв заряду в цьому випадку?

Електричне поле діє на заряджені частинки, що знаходяться в газі (електрони й іони). Якщо поле достатньо сильне, то електрони розганяються полем до такої швидкості, що внаслідок зіткнень з атомами чи молекулами, відбувається їхня іонізація.

Внаслідок іонізації з'являються нові заряджені частинки — іони й електрони Вони так само розганяються полем, електрони іонізують нові атоми чи молекули, що, у свою чергу, створює додаткове збільшення кількості заряджених частинок.

У результаті кількість заряджених частинок різко зростає — це явище одержало назву електронної лавини. Саме нею і пояснюється самостійний розряд у газах.

7. Іонізація електронним ударом

Отже, вільний електрон, що з'явився завдяки дії зовнішнього іонізатора, починає рухатися до анода, а позитивний йон — до катода. У проміжках між двома послідовними зіткненнями енергія електрона збільшується за рахунок роботи сил електричного поля.

Щоб електрон зміг під час зіткнення вибити електрон з нейтрального атома, він повинен набрати достатню швидкість. Досягти значної швидкості електрон може у двох випадках: якщо розганятися або довго, або сильно.

За атмосферного тиску електрон зазнає багатьох зіткнень, тому поле, у якому він рухається, має бути дуже сильним, щоб електрон устиг набути необхідної швидкості за короткий проміжок часу між зіткненнями. Наприклад, самостійний газовий розряд в атмосфері — блискавка — виникає за напруги в сотні тисяч вольт.

Якщо кінетична енергія електрона перевищує роботу, яку треба виконати, щоб іонізувати нейтральний атом, тобто

то під час зіткнення електрона з атомом відбувається йонізація. У результаті замість одного вільного електрона з'являються два. Ці електрони, у свою чергу, одержавши енергію в полі, іонізують зустрічні атоми тощо. Унаслідок цього число заряджених частинок різко зростає, виникає електронна лавина.

У газах за великих напруженостей електричних полів електрони досягають таких великих енергій, що починається йонізація

електронним ударом. Розряд стає самостійним і продовжується без зовнішнього іонізатора.

8. Плазма

Плазма — це частково або повністю йонізований газ, у якому густини позитивних і негативних зарядів практично однакові. Як правило, позитивно заряджені частинки — цс йони, а не­гативно заряджені частинки — електрони. Тому в цілому плазма є електрично нейтральною системою.

Ступінь йонізації плазми (α) визначається відношеням числа

йонізованих атомів до їх загального числа: α=N_i/N. Залежно від сту­пеня йонізації плазма поділяється на слабко йонізовану (α становить частки відсотки), частково йонізовану (α — кілька відсотків) і пов­ністю йонізовану (α =100%).

Нагадаємо, що в стані плазми перебуває більша частина ре­човини Всесвіту — зорі, зоряні атмосфери, галактичні туманності й міжзоряне середовище; плазма заповнює магнітосферу Землі та йоносферу. Процесами в навколоземній плазмі зумовлені магнітні бурі та полярні сяйва. Відбиття радіохвиль від йоносферної плазми забезпечує можливість далекого радіозв'язку на Землі.

У різкій відмінності властивостей плазми від властивостей ней­тральних газів визначальну роль відіграють два чинники.

По-перше, взаємодія частинок плазми характеризується кулонівськими силами притягання та відштовхування, які зменшуються з відстанню набагато повільніше, ніж сили взаємодії нейтральних частинок, Із цієї причини взаємодія частинок у плазмі с не парною, а колективною - одночасно взаємодіє велика кількість частинок.

По-друге, електричні та магнітні поля сильно діють на плазму, викликаючи появу в цій об'ємних зарядів і струмів та зумовлюючи цілу низку специфічних властивостей плазми. Ці відмінності дозво­ляють розглядати плазму як особливий, «четвертий», стан речовини.

Термін «плазма» був уведений у фізику на початку 1930-х рр., але особлива зацікавленість плазмою виникла після 1949 р., коли розпочалися роботи зі створення водневої бомби та керованих термо­ядерних пристроїв.

Високотемпературна плазма (Т ~10⁸ К) поки не мас широкого застосування, але саме з такою плазмою із Дейтерію й Тритію, а та­кож ізотопу Гелію ³Не пов'язана ідея створення керованого термо­ядерного синтезу.

Низькотемпературна плазма (Т~10³ К) мас застосування в га­зорозрядних джерелах світла й у газових лазерах, у пристроях пе­ретворення теплової енергії на електричну. Були також розроблені магнітогідродинамічні генератори, в яких за допомогою плазми, що рухається, створюються значні електричні поля. Пристрої під назвою плазмотрони, що створюють струмені густої низькотемпературної плазми, широко застосовуються в різних галузях техніки. Зокрема, за їхньою допомогою ріжуть і зварюють метали, наносять покриття.

9. Вакуум

Коли говорять про вакуум, то мають на увазі високий вакуум. Для створення такого вакууму необхідне розрідження, за якого в газі, що залишився, середня довжина вільного пробігу молекул більша за розміри посудини або відстані між електродами в посудині. Отже, якщо в посудині створений вакуум, то молекули в ньому майже не стикаються між собою й пролітають вільно міжелектродний простір. При цьому вони зазнають зіткнення лише з електродами або зі стінками посудини.

Слід підкреслити, що навіть при досягненні високого вакууму, наприклад при р = 10-7 мм рт. ст., в 1 см3 газу ще міститься декілька мільярдів молекул. У наш час вдалося досягти надвисокого вакууму, за якого тиск повітря, яке залишилося в посудині, становить приблизно 10-12 мм рт. ст.