Реферат: Ионизация газов.

Газы в естественномсостоянии не проводят электричества. Если поместить в сухом атмосферном воздухехорошо изолированное заряженное тело, например заряженный электрометр с хорошейизоляцией, то заряд электрометра долгое время практически остается неизменным.

Однако, подвергаягаз различным внешним воздействиям, можно вызвать в нем электропроводность.Так, например, помещая вблизи заряженного электрометра пламя горелки, можновидеть, что заряд электрометра быстро уменьшается. Мы сообщили газуэлектропроводность, создавая в нем высокую температуру. Если бы вместо пламенигорелки мы поместили вблизи электрометра подходящий источник света, мы такженаблюдали бы утечку зарядов с электрометра.

Это показывает, чтов газах под влиянием высокой температуры и различных излучений появляютсязаряженные частицы. Они возникают потому, что от атомов газа отщепляется одинили несколько электронов, в результате чего вместо нейтрального атома возникаютположительный ион и электроны. Часть образовавшихся электронов может быть приэтом захвачена другими нейтральными атомами, и тогда появятся еще иотрицательные ионы.

Отрыв электрона отатома (ионизация атома) требует затраты определенной энергии — энергииионизации. Она зависит от строения атома и поэтому различна для разных веществ.

После прекращениядействия ионизатора число ионов в газе с течением времени уменьшается и концеконцов ионы исчезают вовсе. Исчезновение ионов объясняется тем, что ионы иэлектроны участвуют в тепловом движении и поэтому соударяются друг с другом.При столкновении положительного иона и электрона они воссоединяются внейтральный атом. Точно так же при столкновении положительного и отрицательногоионов отрицательный ион может отдать свой избыточный электрон положительномуиону и оба они превратятся в нейтральные атомы. Это процесс взаимной ионизацииионов называется рекомбинацией ионов.

При рекомбинацииположительного иона и электрона или двух ионов высвобождается определеннаяэнергия, равная энергии, затраченной  на ионизацию. Она излучается в видесвета, и поэтому рекомбинация ионов сопровождается свечением (свечениерекомбинации). Если концентрация положительных и отрицательных ионов велика, тои число ежесекундно происходящих актов рекомбинации будет большим, и свечениерекомбинации может быть очень сильным. Излучение света при рекомбинацииявляется одной из причин свечения многих форм газового разряда.

Ионизация электронными ударами.

В явленияхэлектрического разряда в газах большую роль играет ионизация атомовэлектронными ударами. Процесс заключается в том, что движущийся электрон,обладающий достаточной кинетической энергией, при соударении с нейтральныматомом выбивает из него один или несколько атомных электронов, в результатечего нейтральный атом превращается в положительный ион, а в газе появляютсяновые электроны.

Схема типичногоопыта для изучения ионизации электронными ударами показана на рис. 1 (опытыДжеймса Франка и Густава Герца). Исследуемый газ при давлении  порядка 0,1 — 0,01мм рт.ст. вводится в стеклянную трубку, которая сначала откачивается довысокого вакуума (для удаления других газов). Трубка имеет накаливаемый катод К,сетку С и коллектор ионов Кл. На сетку подаетсяположительный ( относительно катода) потенциал, который можно изменять припомощи делителя напряжения Д1 и измерять вольтметром  V.На коллектор ионов накладывается отрицательный потенциал, на 0,5 — 1,0 Вбольший, чем потенциал катода. Эта небольшая разность потенциалов снимается сделителя напряжения Д2, положительный конец которогосоединен с катодом.

Расстояниекатод-сетка в таких трубках делают значительно меньшим, чем расстояниесетка-коллектор, и подбирают давление газа так, чтобы средняя длина свободногопробега электронов в газе была больше расстояния между сеткой и катодом.Поэтому электроны, испущенные катодом, движутся в пространстве катод-сеткапрактически без соударений, и если разность потенциалов (выраженная  ввольтах), между сеткой и катодом   равна U, токаждый электрон приобретает кинетическую энергию (выраженную вэлектронвольтах). Электроны, ускоренные сеткой, испытывают затем соударения сатомами газа в пространстве между сеткой и коллектором.

Так как потенциалколлектора ниже, чем потенциал катода, то в отсутствии ионизации все электронытормозятся, не долетая до коллектора,     и поэтому ток через гальванометрравен нулю. Если, однако, постепенно повышать разность  потенциалов Uмеждусеткойи катодом, то, когда энергия электронов сделается равнойэнергии ионизации, то в пространстве сетка — коллектор появятся положительныйионы. Поэтому, измеряя наименьший потенциал сетки U, при котором впервые появляется ток коллектора, можно найти энергиюионизацию атомов исследуемого газа.

Метод Франка и Герцане является единственным методом измерения энергии ионизации. Она может бытьопределена также из исследования линейчатых спектров свечения разреженных газови паров, причем с довольно большой точностью. Значения энергии ионизации,найденные по спектрам, хорошо совпадают с ее значениями, определенными методомэлектронных ударов.

В таблице данызначения энергии ионизации некоторых атомов.

Самостоятельные и несамостоятельные разряды.

Рассмотрим цепь,содержащую источник напряжения, газовый промежуток и переменное сопротивление  r, которое можно измерять в широких пределах (рис.2). Цепь содержиттакже амперметрА и вольтметр V. Предположим сначала, что нагазовый промежуток  воздействует какой-либо ионизатор, например,ультрафиолетовые лучи, падающие на отрицательный электрод и освобождающие изнего фотоэлектроны. От этого газ приобретает некоторую электропроводность и вцепи появится ток. Если плавно уменьшать сопротивление r  в цепи газового промежутка, то сила тока будет сначала увеличиваться, что связано с увеличением напряжения между электродами иобъясняется уменьшением пространственного заряда между ними. При дальнейшемуменьшении сопротивления напряжение на электродах достигнет такого значения,при котором все образующиеся ионы доходят до положительного электрода. И мыполучим ток насыщения is, сила которого зависит только от интенсивностиионизатора (рис.3). Наблюдаемые при этом токи очень малы (обычно микроамперы и меньше, в зависимости от интенсивности ионизатора).

Если в оном изрежимов разряда, изображаемых ветвью характеристикиОа,прекратить действие ионизатора, то и разряд прекращается. Подобные разряды,существующие только при действии внешнего ионизатора, получили название несамостоятельныхгазовых разрядов.  

Если продолжатьуменьшать сопротивление цепи r, то ток черезразрядный промежуток начинает сильно возрастать, хотя напряжение повышаетсясравнительно мало. Это соответствует участку характеристики аб(рис.3). Возрастание тока на участке характеристики аб показывает,что в газовом промежутке появляются новые ионы.

Если еще уменьшитьсопротивление r, то разряд   приобретает совсем другой характер. Силатока в разряде резко возрастает (в сотни и тысячи раз) и в газе появляются сильновыраженные световые и тепловые эффекты. Ели теперь прекратить действиеионизатора, то разряд продолжается. Это значит, что ионы, необходимые дляподдержания электропроводности газа, создаются самим разрядом в результатепроцессов, происходящих в разряде. Такие газовые разряды называют самостоятельнымиразрядами. Напряжение, при котором возникает самостоятельный разряд, называется напряжением пробоя  газового промежутка или напряжениемзажигания газового разряда.

В зависимости оттого, какие именно процессы образования ионов в разряде играют главную роль, мыговорим о различных формах или типах самостоятельных разрядов. Так, например,различают коронный, искровой, дуговой, тлеющий и другие разряды. Эти разрядыотличаются друг от друга свойствами и внешним видом.

Искровой разряд.

Если постепенноувеличивать напряжение между двумя электродами, находящимися в атмосферномвоздухе и имеющими такую форму, что электрическое поле между ними не слишкомсильно отличается от однородного (например, два плоских электрода сзакругленными краями или два достаточно больших шара), то при некоторомнапряжении возникает электрическая искра. Она имеет вид ярко светящегосяканала, соединяющего оба электрода, который обычно бывает сложным образомизогнут и разветвлен (рис 4).

Рис.4

Электрическая искравозникает в том случае, если электрическое поле в газе достигает некоторогоопределенного значения Ек (критическая напряженность поля) илинапряженность пробоя. Для воздуха при нормальных условиях Ек  » 3*106 В/м

Значение Ек увеличиваетсяс увеличением давления. Отношение критической напряженности поля к давлениюгаза р для данного газа остается приблизительно постоянным в широкойобласти изменения давлений:

 Ек/р » const

Напряжение пробояпонижается при воздействии на газ внешнего ионизатора. Если приложить кгазовому промежутку напряжение, несколько меньшее пробойного, и внести впространство между электродами зажженную газовую горелку, то возникает искра.Такое же действие оказывает и освещение отрицательного электродаультрафиолетовым светом, а также другие ионизаторы.

Для объясненияискрового разряда вначале казалось естественным предположить, что основнымипроцессами в искре являются ионизация электронными ударами в объеме и ионизация положительными ионами (в объеме или на катоде). Однако впоследствии  выяснилось, что эти процессы не могут объяснить многие особенности образованияискры. Остановимся для примера на скорости развития искрового заряда. Если бы вискре существенную роль играла ионизация положительными ионами, то времяразвития искры  было бы по крайней мере того же порядка, что и времяперемещения положительных ионов от анода до катода. Это время легко оценить — оно оказывается порядка 10-4 — 10-5 с. Между тем, опытпоказывает, что время ее развития на несколько порядков меньше.

Объяснение большойскорости развития искры дано так называемой стримерной теорией  искры, внастоящее время обоснованной экспериментальными данными. Согласно этой теории,возникновению ярко светящегося канала искры предшествует появление слабосветящихся скоплений ионизированных частиц (стримеров).Пронизывая газоразрядный промежуток, стримеры образуют проводящие мостики, покоторым в последующие стадии разряда и устремляются мощные потоки электронов.Причиной возникновения стримеров является не только образование электронныхлавин посредством ударной ионизации, но еще и ионизация газа излучением,возникающим в самом разряде (фотоионизация).

Наряду со стримерами,распространяющимися от катода к аноду (отрицательные стримеры), существуюттакже стримеры, движущиеся от анода к катоду (положительные стримеры).

Молния как пример искрового разряда.

Молния представляетсобой гигантскую электрическую искру. Электрическая природа молнии была впервыедоказана известными опытами Франклина с воздушным змеем и многочисленнымиисследованиями Ломоносова и Рихмана. Ломоносов создал первую теориювозникновения электрических разрядов в атмосфере и этим положил начало науки обатмосферном электричестве.

Молнии возникаютлибо между облаками, либо между облаком и землей. Сила тока в молнии огромна(от 10 до 1000 кА), а напряжение между облаком и землей перед возникновениеммолнии достигает 108 до 109 В. Длительность отдельногоразряда порядка микросекунды. Поэтому общий заряд, переносимый отдельноймолнией, обычно невелик (0,1 — 10 Кл). Число разрядов молнии может достигатьнескольких десятков, а общая длительность — 1 секунду.

Кроме обычныхмолний, наблюдаются так называемые  шаровые молнии. Они имеют вид светящихсяшаров диаметром  10-20 см, которые либо медленно движутся, либо прикрепляются кнеподвижным предметам. Шаровые молнии обычно зарождаются при ударе оченьсильных молний и через несколько секунд исчезают с сильным взрывом.

Коронный разряд.

Разряд, получившийтакое название, наблюдается при сравнительно высоких давлениях газов в сильнонеоднородном поле. Для получения значительной неоднородности поля электродыдолжны иметь очень неодинаковую поверхность, то есть, один — очень большую,другой — очень малую.

Линии напряженностиэлектрического поля сгущаются по мере приближения к проволоке, а,следовательно, напряженность поля возле проволоки имеет наибольшее значение.Когда она достигает приблизительно 3*106 В/м, между проволокой ицилиндром зажигается разряд и в цепи появляется ток. При этом возле проволокивозникает свечение, имеющее вид оболочки или короны, окружающей проволоку,откуда и произошло название разряда.

Коронный разрядвозникает как при отрицательном потенциале на проволоке (отрицательная корона),так и при положительном (положительная корона), а также при переменномнапряжении между проволокой и цилиндром. При увеличении напряжения междупроволокой   и цилиндром растет и ток в коронном разряде. При этомувеличивается толщина светящегося слоя короны.

Процессы внутрикороны сводятся к следующему: если проволока заряжена отрицательно, то подостижении напряженности пробоя у поверхности проволоки зарождаются электронныелавины, которые распространяются от проволоки к цилиндру. В случаеположительной короны электронные лавины зарождаются на внешней поверхностикороны и движутся по направлению к проволоке.

Коронный разрядвозникает не только возле проволок, но и возле любых проводников с малойповерхностью. Корона возникает также  в природе под влиянием атмосферногоэлектрического поля и появляется на верхушках деревьев, корабельных мачт и т.п.

Тлеющий разряд.

Тлеющий разрядудобно наблюдать при пониженном давлении газа. Если к электродам, впаянным встеклянную трубку длиной 30-50 см, приложить постоянное напряжение в несколькосот ампер и затем постепенно откачивать воздух из трубки, то наблюдаетсяследующее явление: при атмосферном давлении приложенное напряжениенедостаточно для пробоя газа и трубка остается темной. При уменьшении давлениягаза в некоторый момент в трубке возникает разряд, имеющий вид светящегосяшнура. При дальнейшем уменьшении давления этот шнур расширяется и заполняет всесечение трубки.

Особое значение втлеющем разряде имеют только две его части — катодное темное пространство итлеющее свечение, в которых и происходят основные процессы, поддерживающиеразряд.

Характерным длятлеющего разряда является особое распределение потенциала по длине трубки. Егоможно определить, впаивая в трубку ряд дополнительных электродов — зондов,расположенных в различных местах трубки, и присоединяя между катодом исоответствующим зондом вольтметр с большим сопротивлением. Тогда получаетсякривая распределения потенциала, изображенная на рисунке 5. Она показывает,что  почти все падения потенциала в разряде приходятся на область катодноготемного пространства. Эта разность потенциалов между катодом и границейтлеющего свечения  получила название катодного падения потенциала.

Существованиекатодного темного пространства объясняется тем, что электроны начинаютсталкиваться с атомами газа не сразу, а лишь на некотором расстоянии от катода.Ширина катодного темного пространства приблизительно равна средней длинесвободного пробега электронов: она увеличивается с уменьшением давления газа.Следовательно, в катодном темном пространстве электроны движутся практическибез соударения.

Катодное падениепотенциалов необходимо для поддержания тлеющего разряда. Именно благодаря егоналичию положительные ионы приобретают необходимую энергию для образованияинтенсивной вторичной электронной эмиссии с катода, без которой тлеющий разрядне мог бы существовать. Поэтому катодное падение потенциала есть наиболеехарактерный признак тлеющего разряда, отличающий эту форму газового разряда отвсех других форм.

Тлеющий разрядшироко используют в качестве источника света в различных газоразрядных трубках.В лампах дневного света излучение тлеющего разряда поглощается слоемспециальных веществ, нанесенных на внутреннюю поверхность трубки, которые поддействием поглощенного излучения в свою очередь начинают светиться. Такиетрубки оказываются более экономичными нежели обычные лампы накаливания.

Газоразрядные трубкиприменяются также для рекламных и декоративных целей, для чего им придаюточертания различных фигур и букв. Наполняя трубки различными газами, можнополучить свечение разной окраски.

В лабораторнойпрактике используют тлеющий разряд для катодного распыления металлов, так каквещество катода в тлеющем разряде постепенно переходит в парообразное состояниеи оседает в виде металлического налета на стенках трубки.    

Дуговой разряд.

Если после зажиганияискового разряда постепенно уменьшат сопротивление цепи, то сила тока в искребудет увеличиваться. Когда сопротивление цепи станет достаточно малым,возникает новая форма газового разряда, называемая дуговым разрядом. При этомсила тока резко увеличивается, а напряжение на разрядном промежутке уменьшаетсядо нескольких десятков вольт. Это показывает, что в разряде возникают новыепроцессы, сообщающие газу очень большую проводимость.

В настоящее времяэлектрическую дугу чаще всего получают между специальными угольнымиэлектродами. Наиболее горячим местом дуги является углубление, образующееся наположительном электроде и называемое «кратером дуги».  Его температура равна4000 К, а при давлении в 20 атм превышает 7000 К.

Дуговой разрядвозникает во всех случаях, когда вследствие разогревания катода основнойпричиной ионизации газа становится термоэлектронная эмиссия. Например, втлеющем разряде положительные ионы, бомбардирующие катод, не только вызываютвторичную эмиссию электронов, но и нагревают катод. Поэтому, если увеличиватьсилу тока в тлеющем разряде, то температура катода увеличивается, и когда онадостигает такой величины, что начинается заметная термоэлектронная эмиссия,тлеющий разряд переходит в дуговой. При этом исчезает и катодное падениепотенциала.

Электрическая дугаявляется мощным источником света и широко применяется  в проекционных,прожекторных и других установках. Расходуемая ею удельная мощность меньше, чему ламп накаливания.

В качествеисточников света употребляют также дуговые лампы высокого давления. Зажиганиедуги производится разрядом от источника высокого   напряжения с помощьютретьего электрода. Вследствие высокой температуры дуги ее применяют для сваркии резанья металлов. Автоэлектронные дуги с ртутным катодом применяют  длявыпрямления переменного электрического тока.