9.2. Ионизация газов.

Газы при не высоких температурах и при атмосферном, давлении являются хорошими изоляторами. Но газ становится проводником электричества, когда часть его молекул ионизуется, т.е. происходит расщепление нейтральных атомов и молекул на ионы и свободные электроны. Для этого газ необходимо подвергнуть действию какого-либо ионизатора.

Ионизация газов происходит под действием различных ионизаторов: сильного нагрева, коротковолнового электромагнитного излучения (света), корпускулярного излучения и т.д. Для того чтобы выбить из молекулы один электрон, необходимо затратить определенную энергию, называемую энергией ионизации, значения которой для атомов различных веществ лежат в пределах от 4 до 25 эВ. Одновременно с процессом ионизации всегда идет и обратный процесс — рекомбинации: положительные ионы и электроны, встречаясь, воссоединяются между собой с образованием нейтральных атомов и молекул.

9.3. Газовый разряд.

Прохождение электрического тока через газ называется газовым разрядом. Если ионизация газа вызывается внешним ионизатором то разряд является несамостоятельным. Вообще то электропроводность газа никогда не равна нулю, так как в нем всегда имеются свободные заряды, образующиеся, как в результате столкновений молекул газа меду собой, так и в результате действия на газ естественного излучения радиоактивных веществ Земли и космических лучей. Характер газового разряда определяется составом газа, его плотностью, температурой, конфигурацией и материалом электродов, приложенным напряжением.

9.4. Самостоятельный газовый разряд.

Разряд в газе, сохраняющийся после прекращения действия внешнего ионизатора, называется самостоятельным. При больших напряжениях возникающие под действием внешнего ионизатора электроны, сильно ускоренные электрическим полем, сталкиваясь с нейтральными молекулами газа, ионизируют их, в результате чего образуются вторичные электроны и положительные ионы. Положительные ионы движутся к катоду, а электроны — к аноду. Вторичные электроны вновь ионизируют молекулы газа, и общее количество электронов и ионов будет возрастать по мере продвижения электронов к аноду лавинообразно. Это называется ударной ионизацией. Однако ударная ионизация под действием электронов недостаточна для поддержания разряда при удалении внешнего ионизатора. Для этого необходимо, чтобы электронные лавины <воспроизводились>, т.е. чтобы в газе под действием каких-то процессов возникали все новые и новые электроны. Таких процессов несколько:

1. Ускоренные полем положительные ионы, ударяясь о катод, выбивают из него электроны.

2. Положительные ионы, сталкиваясь с нейтральными молекулами газа, ионизируют их. Переход таких молекул обратно в нейтральное состояние сопровождается испусканием фотонов.

3. Фотон, поглощенный нейтральной молекулой, ионизирует ее.

4. Выбивание электронов под действием фотонов.

При значительных напряжениях между электродами в газе наступает момент, когда положительные ионы, обладающие меньшей длиной свободного пробега, чем электроны, приобретают энергию достаточную для ионизации нейтральных молекул газа, и к катоду устремляются ионные лавины. Тогда сила тока растет уже практически без увеличения напряжения и разряд становится самостоятельным, т.е. сохраняется после прекращения действия внешнего ионизатора. Напряжение, при котором возникает самостоятельный разряд называется напряжением пробоя. В зависимости от давления газа, конфигурации электродов (т.е. поля), параметров внешней цепи бывают четыре типа самостоятельного газового разряда: тлеющем, искровом, дуговом и коронном.

1. Тлеющий разряд возникает при низких давления. Если к электродам, впаянным в стеклянную трубку длиной 30 - 50 см, приложить постоянное напряжение (1000 В/м), постепенно откачивая из трубки воздух, то при давлении 5 - 7 кПа возникает разряд в виде извилистого шнура красноватого цвета, идущего от катода к аноду. При дальнейшем понижении давления газа шнур утолщается, и при давлении 10 — 15 Па разряд заполняет весь объем трубки. При дальнейшем откачивании и достижении давления 1 Па свечение газа ослабевает, и начинают светиться стенки трубки. Тлеющий разряд применяется в технических устройствах. Свечение столба газа имеет характерный, для конкретного газа цвет и его используют в газосветных трубках. Тлеющий разряд используют также для катодного напыления металлов. Катод в таком разряде, вследствие бомбардировки положительными ионами, сильно нагревается и переходит в газообразное состояние. Помещая рядом с катодом холодные предметы, их можно покрывать равномерным слоем металла.

2. Искровой разряд возникает при больших напряженностях электрического поля ( 3.10⁶ В/м) в газе, находящемся при атмосферном давлении. Искра имеет вид ярко светящегося тонкого канала, сложным образом изогнутого и разветвленного. По стриммерной теории, возникновению ярко светящегося канала искры предшествует появление слабо светящихся скоплений ионизированного газа - стримеров. Стримеры возникают не только в результате образования электронных лавин посредством ударной ионизации, но и в результате фотонной ионизации газа. Лавины, догоняя друг друга, образуют проводящие мостики из стримеров, по которым в следующие моменты времени и устремляются мощные потоки электронов, образуя каналы искрового разряда. Из-за выделения процессах большого количества энергии, газ в искровом промежутке нагревается до очень высокой температуры (10⁴ К^о), что и приводит к его свечению. Быстрый нагрев газа ведет к резкому повышению давления и возникновению ударных волн, объясняющих звуковые эффекты при искровом разряде. Искровой разряд используется для воспламенения горючей смеси в двигателях внутреннего сгорания и предохранения электрических линий от перенапряжений. При малой длине разрядного промежутка искровой разряд вызывает разрушение (эрозию) поверхности металла и поэтому он применяется для электроискровой обработки металлов (резание, сверление).