ГАЗ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ
В нормальных условиях газ является диэлектриком, так как число свободных электронов и ионов в нем ничтожно.
Воздействие на газ рентгеновских, радиоактивных, космических и других лучей, электрического поля, высокой температуры и других агентов вызывает ионизацию газа. Например, в электрическом поле столкновение (соударение) электрона с нейтральным атомом или молекулой газа может привести к расщеплению нейтрального атома газа на электрон и положительный ион. При этом соударении часть энергии движущегося электрона передается атому газа. Наименьшее количество энергии, необходимое для ионизации атома, определяется потенциалом ионизации. Отщепленный от атома электрон может остаться свободным или присоединиться к нейтральному атому, образуя отрицательный ион.
Рис. 4-11 Схема получения характеристики газового промежутка.
Обратный процесс воссоединения ионов и электронов в нейтральные атомы, называемый деионизацией или рекомбинацией, происходит одновременно с ионизацией газа. Таким образом, при непрерывном действии ионизатора степень ионизации газа остается примерно неизменной.
Если к двум металлическим электродам (рис. 4-11), расположенным в ионизированном газе, приложить постоянное напряжение, то электрическое поле вызовет перемещение положительных ионов в направлении поля, а электронов и отрицательных ионов — в противоположном направлении, т. е. в газовом промежутке будет электрический ток.
Несамостоятельная проводимость
Называется проводимость газа, вызванная действием постороннего ионизатора, наблюдаемая только в течение времени его действия.
При неизменной ионизации постоянным ионизатором повышение напряжения между электродами сначала вызывает пропорциональное увеличение тока (рис. 4-12), затем наблюдается замедление его роста и далее прекращение роста. Ток достигает значения насыщения, при котором не происходит деионизации, а все ионы и электроны, возникающие в процессе ионизации, достигают электродов.
При увеличении напряжения можно получить между двумя электродами напряженность поля, при которой кинетическая энергия электронов mυ2/2 будет достаточной для ионизации нейтральных атомов, т. е. ионизации толчком или ударом. Отщепившиеся электроны, получив достаточное ускорение, ионизируют новые нейтральные атомы и т.д. Процесс образования ионов и электронов развивается лавинообразно и сопровождается резким увеличением тока (рис. 4-12, участок ВГ) до значения, определяемого сопротивлением r0 (рис. 4-11). Напряжение на электродах при этом уменьшается.
Пространство между электродами при разряде заполняется ионизированным газом, в котором содержится примерно одинаковое количество электронов и положительных ионов. Такая среда называется электронно-ионной плазмой или просто плазмой. Плазма обладает хорошей электропроводностью, близкой к электропроводности металлов.
У части электронов кинетическая энергия недостаточна для ионизации атомов газа. В этом случае энергия, полученная атомом при соударений, только возбуждает атом.
Возбужденный атом вскоре отдает избыточную энергию в виде светового излучения, воспринимаемого глазом как свечение газа.
Самостоятельный разряд
В газе может быть вызван электрическим полем достаточно высокой напряженности. При некоторой напряженности, а следовательно, и напряжении, называемом напряжением зажигания, происходит резкое увеличение тока (рис. 4-12, участок ВГ) и начинается свечение газа.
Рис 4-12. Вольт-амперная характеристика газового промежутка.
Различают несколько стадий самостоятельного разряда в газах : темный, тлеющий, искровой и дуговой.
Темный разряд
Возникает, если напряженность поля в какой-либо части его достигает критического значения для данного газа, например на заостренных частях или у поверхности провода малого диаметра. Иногда этот разряд сопровождается свечением — короной и характерным шипящим звуком.
Тлеющий разряд
Как переходящий из темного, получается в приборах при низких давлениях. Он характерен светящимся слоем газа, прилегающего к аноду,— анодное свечение. В длинных стеклянных трубках анодное свечение занимает большую часть трубки и имеет различный цвет в зависимости от газа, например неон дает красный цвет. Такие трубки применяются для рекламного освещения.
Лампы с тлеющим разрядом применяются как индикаторы напряжения. В баллоне, заполненном неоном или аргоном, расположены два металлических электрода. Зажигание лампы происходит при определенном напряжении. Мощность лампы составляет доли ватта.
Искровой разряд
Развивается из темного при повышении напряжения, а следовательно, и напряженности поля и распространения ионизации на всю длину участка между электродами. Искровой разряд проходит по отдельным каналам — путям наименьшего сопротивления. Лавина электронов, движущихся в искровом канале, вызывает резкое повышение температуры и давления, вследствие чего искровой разряд сопровождается характерным треском. Молния представляет собой гигантский искровой разряд.
Искровой разряд вызывает электроэрозию, т.е. вырывание частиц веществ анода. Это явление используется для электроискровой обработки металлов.
Дуговой разpяд
Можно получить и без предварительной стадии, например, между двумя угольными электродами, соединенными с источником питания через ограничивающее сопротивление. Для получения дуги концы углей сближают до соприкосновения. Возникающий ток нагревает до высокой температуры сближенные концы. При раздвигании углей промежуток между ними ионизируется электронами и заполняется плазмой, замыкающей цепь тока. Происходит дальнейший разогрев электродов и в особенности анода, бомбардируемого электронами. Температура анода и плазмы превышает 4 000° С, излучается мощный световой поток.
Плазма имеет большею проводимость, поэтому и при малых напряжениях 15—30 в в цепи проходит большой ток.
При увеличении тока температура и проводимость плазмы увеличиваются, а напряжение на дуге падает. Вольт-амперная характеристика дуги имеет падающий характер (рис. 4-13).
Искровой и дуговой разряды возникают при размыкании электрических цепей, при выключении приемников энергии.
Рис. 4-13. Вольт-амперная характеристика дуги.
Дуговой разряд был открыт в 1802 г, академиком В. В. Петровым. Им же была исследована возможность практического применения ее для освещения и других целей.
Электрическая дуга была применена для освещения П. Н. Яблочковым в 1876 г.
Электрическая дуговая сварка металлов, широко применяемая в нашей стране, является одним из прогрессивных технологических процессов.
Статья на тему Газ в электрическом поле