Електричний струм в газах: визначення, особливості та цікаві факти

У природі не існує абсолютних діелектриків. Впорядкований рух частинок – носіїв електричного заряду, — тобто струм, можна викликати в будь-якому середовищі, проте для цього потрібні особливі умови. Ми розглянемо тут, як протікають електричні явища в газах і як газ можна з дуже хорошого діелектрика перетворити в дуже хороший провідник. Нас буде цікавити, при яких умовах виникає, а також якими особливостями характеризується електричний струм у газах.

Електричні властивості газів

Діелектрик – це речовина (середа), в якому концентрація частинок – вільних носіїв електричного заряду – не досягає скільки-небудь значущої величини, внаслідок чого провідність пренебрежимо мала. Всі гази – добрі діелектрики. Їх ізолюючі властивості використовуються повсюдно. Наприклад, в будь-якому вимикачі розмикання ланцюга відбувається, коли контакти наводяться в таке положення, щоб між ними утворився повітряний зазор. Дроти на лініях електропередач також ізолюються один від одного повітряним шаром.

Структурною одиницею будь-якого газу є молекула. Вона складається з атомних ядер і електронних хмар, тобто являє собою сукупність електричних зарядів, деяким чином розподілених у просторі. Молекула газу може бути електричним диполем внаслідок особливостей своєї будови або поляризуватися під дією зовнішнього електричного поля. Переважна більшість молекул, що складають газ, у звичайних умовах електрично нейтральні, оскільки заряди в них компенсують один одного.

Якщо прикласти до газу електричне поле, молекули візьмуть дипольную орієнтацію, займаючи просторове положення, що компенсує вплив поля. Присутні в газі заряджені частинки під дією кулонівських сил почнуть рух: позитивні іони — у напрямку до катода, негативні іони й електрони до анода. Однак якщо поле має недостатній потенціал, єдиний спрямований потік зарядів не виникає, і можна говорити швидше про окремих струмах, настільки слабкі, що ними слід нехтувати. Газ веде себе як діелектрик.

Таким чином, для виникнення електричного струму в газах необхідна велика концентрація вільних носіїв заряду і присутність поля.

Іонізація

Процес лавиноподібного збільшення числа вільних зарядів у газі називають іонізацією. Відповідно, газ, в якому присутня значна кількість заряджених частинок, називається іонізованим. Саме в таких газах створюється електричний струм.

Процес іонізації пов’язаний з порушенням нейтральності молекул. Внаслідок відриву електрона виникають позитивні іони, приєднання електрона до молекули призводить до утворення негативного іона. Крім того, в іонізованому газі багато вільних електронів. Позитивні іони і особливо електрони – головні носії заряду при електричному струмі в газах.

Іонізація відбувається, коли частці повідомляється деяка кількість енергії. Так, зовнішній електрон в складі молекули, отримавши цю енергію, може покинути молекулу. Взаємні зіткнення заряджених часток з нейтральними призводять до вибивання нових електронів, і процес приймає лавиноподібний характер. Кінетична енергія частинок також зростає, що значно сприяє іонізації.

Звідки береться енергія, що витрачається на збудження електричного струму в газах? Іонізація газів має кілька джерел енергії, відповідно до яких прийнято іменувати та її типи.

  • Іонізація електричним полем. В цьому випадку потенціальна енергія поля перетворюється в кінетичну енергію частинок.
  • Термоионизация. Підвищення температури також призводить до утворення великої кількості вільних зарядів.
  • Фотоіонізації. Суть цього процесу в тому, що енергію електронам повідомляють кванти електромагнітного випромінювання – фотони, якщо вони мають досить високу частоту (ультрафіолетові, рентгенівські, гамма-кванти).
  • Ударна іонізація є результатом перетворення кінетичної енергії частинок, що зіштовхуються в енергію відриву електрона. Поряд з термоионизацией, вона служить основним фактором порушення в газах електричного струму.
  • Кожен газ характеризується певною пороговою величиною – енергією іонізації, необхідної для того, щоб електрон міг відірватися від молекули, подолавши потенційний бар’єр. Ця величина для першого електрона становить від декількох вольт до двох десятків вольт; для відриву наступного електрона від молекули потрібно більше енергії і так далі.

    Слід враховувати, що одночасно з іонізацією в газі протікає зворотний процес – рекомбінація, тобто відновлення нейтральних молекул під дією кулонівських сил притягання.

    Газовий розряд і його типи

    Отже, електричний струм у газах обумовлений впорядкованим рухом заряджених частинок під дією прикладеного до них електричного поля. Наявність таких зарядів, в свою чергу, можливе завдяки різним чинникам іонізації.

    Так, термоионизация вимагає значних температур, але відкрите полум’я у зв’язку з деякими хімічними процесами сприяє іонізації. Навіть при порівняно невисокій температурі у присутності полум’я фіксується поява в газах електричного струму, і досвід з провідністю газу дозволяє легко в цьому переконатися. Треба помістити полум’я пальника або свічки між обкладками зарядженого конденсатора. Ланцюг, розімкнена перш за повітряного зазору в конденсаторі, замкнеться. Включений в ланцюг гальванометр покаже наявність струму.

    Електричний струм у газах називається газовим розрядом. Потрібно мати на увазі, що для підтримки стабільності розряду дію іонізатора повинно бути постійним, так як із-за постійної рекомбінації газ втрачає електропровідні властивості. Одні носії електричного струму в газах – іони – нейтралізуються на електродах, інші – електрони, потрапляючи на анод, направляються до «плюса» джерела поля. Якщо іонізуючий чинник перестане діяти, газ негайно знову стане діелектриком, і струм припиниться. Такий струм, залежний від дії зовнішнього іонізатора, називається несамостійним розрядом.

    Особливості проходження електричного струму через гази описуються особливою залежністю сили струму від напруги – вольт-амперною характеристикою.

    Розглянемо розвиток газового розряду на графіку вольтамперної залежності. При підвищенні напруги до деякого значення U1 струм наростає пропорційно йому, тобто виконується закон Ома. Зростає кінетична енергія, а отже, і швидкість зарядів у газі, і цей процес випереджає рекомбінацію. При значеннях напруги від U1 до U2 таке співвідношення порушується; при досягненні U2 всі носії зарядів досягають електродів, не встигаючи рекомбінувати. Всі вільні заряди задіяні, і подальше підвищення напруги не веде до збільшення сили струму. Такий характер руху зарядів називається струмом насичення. Таким чином, можна сказати, що електричний струм в газах також зумовлено особливостями поведінки іонізованого газу в електричних полях різної напруженості.

    Коли різниця потенціалів на електродах досягає певного значення U3, напруга стає достатнім, щоб електричне поле викликало лавиноподібну іонізацію газу. Кінетичної енергії вільних електронів вже вистачає для ударної іонізації молекул. Швидкість їх при цьому в більшості газів становить близько 2000 км/с і вище (вона розраховується за наближеною формулою v=600 Ui, де Ui – іонізаційний потенціал). У цей момент відбувається пробій газу та істотне зростання струму за рахунок внутрішнього джерела іонізації. Тому такий розряд називається самостійним.

    Наявність зовнішнього іонізатора в даному випадку вже не грає ролі для підтримки в газах електричного струму. Самостійний розряд в різних умовах і при різних характеристиках джерела електричного поля може мати ті чи інші особливості. Виділяють такі типи самостійного розряду, як тліючий, іскровий, дуговий і коронний. Ми розглянемо, як веде себе електричний струм в газах, коротко для кожного з цих типів.

    Тліючий розряд

    В розрідженому газі досить різниці потенціалів від 100 (і навіть менше) до 1000 вольт для порушення самостійного розряду. Тому тліючий розряд, який характеризується малим значенням сили струму (від 10-5 до 1 А), виникає при тисках не більше декількох міліметрів ртутного стовпа.

    У трубці з розрідженим газом і холодними електродами формується тліючий розряд виглядає як тонкий світиться шнур між електродами. Якщо продовжити відкачування газу з трубки, буде спостерігатися розмивання шнура, а при тисках в десяті частки міліметрів ртутного стовпа світіння заповнює трубку практично повністю. Світіння відсутня поблизу катода – в так званому катодному темному просторі. Інша частина називається позитивним стовпом. При цьому головні процеси, що забезпечують існування розряду, локалізуються саме в катодному темному просторі і в прилеглій до нього області. Тут відбувається прискорення заряджених частинок газу, выбивающих з катода електрони.

    При тліючому розряді причиною іонізації є електронна емісія з катода. Випущені катодом електрони виробляють ударну іонізацію молекул газу, що виникають позитивні іони викликають вторинну емісію з катода і так далі. Світіння позитивного стовпа пов’язано в основному з віддачею фотонів збудженими молекулами газу, і для різних газів характерне світіння певного кольору. Позитивний стовп бере участь у формуванні тліючого розряду тільки в якості ділянки електричного кола. Якщо зблизити електроди, можна домогтися зникнення позитивного стовпа, але при цьому розряд не припиниться. Однак з подальшим скороченням відстані між електродами тліючий розряд не зможе існувати.

    Необхідно відзначити, що для даного типу електричного струму в газах фізика деяких процесів ще не вирішена повністю. Наприклад, поки залишається неясною природа сил, що викликають при збільшенні струму розширення на поверхні катода області, яка бере участь у розряді.

    Іскровий розряд

    Іскровий пробій має імпульсний характер. Він виникає при тисках, близьких до нормального атмосферного, у випадках, коли потужності джерела електричного поля недостатньо для підтримання стаціонарного розряду. Напруженість поля при цьому велика і може досягати 3 МВ/м. Явище характеризується різким зростанням розрядного електричного струму в газі, одночасно напруга надзвичайно швидко падає, і розряд припиняється. Далі знову зростає різниця потенціалів, і весь процес повторюється.

    При цьому типі розряду формуються короткочасні іскрові канали, зростання яких може починатися з будь-якої точки між електродами. Це пов’язано з тим, що ударна іонізація відбувається випадковим чином у місцях, де в даний момент концентрується найбільша кількість іонів. Поблизу іскрового каналу газ швидко нагрівається і відчуває теплове розширення, викликає акустичні хвилі. Тому іскровий розряд супроводжується тріском, а також виділенням теплоти і яскравим світінням. Процеси лавинної іонізації породжують у искровом каналі високі тиски і температури до 10 тисяч градусів і вище.

    Найяскравішим прикладом природного іскрового розряду служить блискавка. Діаметр головного іскрового каналу блискавки може становити від декількох сантиметрів до 4 м, а довжина каналу досягати 10 км. Величина сили струму доходить до 500 тис. ампер, а різниця потенціалів між грозовою хмарою і поверхнею Землі досягає мільярда вольт.

    Найбільш довга блискавка довжиною 321 км спостерігалася в 2007 році в Оклахомі, США. Рекордсменом за тривалістю стала блискавка, зафіксована в 2012 році у Французьких Альпах – вона тривала понад 7,7 секунди. При ударі блискавки повітря може розігрітися до 30 тисяч градусів, що в 6 разів перевищує температуру видимої поверхні Сонця.

    У тих випадках, коли потужність джерела електричного поля досить велика, іскровий розряд розвивається в дуговий.

    Дуговий розряд

    Цей вид самостійного розряду характеризується великою щільністю струму і малим (менше, ніж при тліючому розряді) напругою. Дистанція пробою невелика завдяки близькому розташуванню електродів. Розряд ініціюється випусканням електрона з поверхні катода (для атомів металів потенціал іонізації невеликий в порівнянні з молекулами газів). Під час пробою між електродами створюються умови, при яких газ проводить електричний струм, і виникає іскровий розряд, що замикає ланцюг. Якщо потужність джерела напруги досить велика, іскрові розряди переходять в стійку електричну дугу.

    Іонізація при дуговому розряді досягає майже 100%, сила струму дуже велика і може складати від 10 до 100 ампер. При атмосферному тиску дуга здатна нагріватися до 5-6 тисяч градусів, а катод – до 3 тисяч градусів, що приводить до інтенсивної термоелектронної емісії з його поверхні. Бомбардування анода електронами приводить до часткового руйнування: на ньому утворюється заглиблення – кратер з температурою близько 4000 °C. Збільшення тиску тягне за собою ще більший ріст температур.

    При розведенні електродів дуговий розряд залишається стійким до деякої відстані, що дозволяє боротися з ним на тих ділянках електрообладнання, де він шкідливий через викликану ним корозії і вигоряння контактів. Це такі пристрої, як високовольтні і автоматичні вимикачі, контактори та інші. Одним з методів боротьби з дугою, що виникає при розмиканні контактів, є використання дугогасильних камер, заснованих на принципі подовження дуги. Застосовуються і багато інші методи: шунтування контактів, використання матеріалів з високим потенціалом іонізації і так далі.

    Коронний розряд

    Розвиток коронного розряду відбувається при нормальному атмосферному тиску різко неоднорідних полях біля електродів, що володіють великою кривизною поверхні. Це можуть бути шпилі, щогли, дроти, різні елементи електрообладнання, що мають складну форму, і навіть волосся людини. Такий електрод називається коронирующим. Іонізаційні процеси і, відповідно, світіння газу мають місце тільки поблизу нього.

    Корона може формуватися як на катоді (негативна корона) при бомбардуванні його іонами, так і на аноді (позитивна) в результаті фотоіонізації. Негативна корона, в якій іонізаційний процес як наслідок термоемісії спрямований від електрода, характеризується рівним світлом. В позитивній короні можуть спостерігатися стримери – світні лінії ламаної конфігурації, можуть перетворитися в іскрові канали.

    Прикладом коронного розряду в природних умовах є вогні святого Ельма, що виникають на вістрях високих щогл, верхівках дерев і так далі. Утворюються вони при великій напруженості електричного поля в атмосфері, часто перед грозою або під час хуртовини. Крім того, їх фіксували на обшивці літаків, що потрапили в хмару вулканічного попелу.

    Коронний розряд на проводах ЛЕП веде до значних втрат електроенергії. При великій напрузі коронний розряд може перейти в дуговий. Боротьбу з ним ведуть різними способами, наприклад, шляхом збільшення радіуса кривизни провідників.

    Електричний струм у газах і плазма

    Частково або повністю іонізований газ називається плазмою і вважається четвертим агрегатним станом речовини. В цілому плазма електрично нейтральна, так як сумарний заряд складових її частинок дорівнює нулю. Це відрізняє її від інших систем заряджених частинок, таких як, наприклад, електронні пучки.

    У природних умовах плазма утворюється, як правило, при високих температурах внаслідок зіткнення атомів газу на великих швидкостях. Переважна частина баріонної матерії у Всесвіті перебуває в стані плазми. Це зірки, частина міжзоряного речовини, міжгалактичний газ. Земна іоносфера також являє собою розріджену слабо іонізовану плазму.

    Ступінь іонізації є важливою характеристикою плазми – від неї залежать провідні властивості. Ступінь іонізації визначається як відношення кількості іонізованих атомів до загальної кількості атомів в одиниці об’єму. Чим сильніше іонізована плазма, тим вище її електропровідність. Крім того, їй властива висока рухливість.

    Ми бачимо, таким чином, що гази, що проводять електричний струм, в межах каналу розряду являють собою не що інше, як плазму. Так, тліючий і коронний розряди – це приклади холодної плазми; іскровий канал блискавки або електрична дуга – приклади гарячої, практично повністю ионизованной плазми.

    Електричний струм у металах, рідинах і газах – відмінності і схожість

    Розглянемо особливості, якими характеризується газовий розряд в порівнянні з властивостями струму в інших середовищах.

    В металах струм – це спрямований рух вільних електронів, не тягне за собою хімічних змін. Провідники такого типу називають провідниками першого роду; до них відносяться, крім металів і сплавів, вугілля, деякі солі і оксиди. Їх відрізняє електронна провідність.

    Провідники другого роду – це електроліти, тобто рідкі водні розчини лугів, кислот і солей. Проходження струму пов’язане з хімічним зміною електроліту – електролізом. Іони речовини, розчиненого в воді, під дією різниці потенціалів переміщуються в протилежні сторони: позитивні катіони – до катода, негативні аніони – до анода. Процес супроводжується виділенням газу або відкладенням шару металу на катоді. Провідниками другого роду властива іонна провідність.

    Що стосується провідності газів, то вона, по-перше, тимчасова, по-друге, має ознаки подібності та відмінності з кожним з них. Так, електричний струм в електролітах, і в газах – це спрямований до протилежних електродів дрейф різнойменно заряджених частинок. Однак у той час як електроліти характеризуються чисто іонною провідністю, у газовому розряді при поєднанні електронного і іонного типів провідності провідна роль належить електронам. Ще одна відмінність електричного струму в рідинах і газах складається в природі іонізації. В електроліті молекули розчиненого з’єднання дисоціюють у воді, в газі ж молекули не руйнуються, а лише втрачають електрони. Тому газовий розряд, як і струм в металах, не пов’язаний з хімічними змінами.

    Неоднакова також і фізика електричного струму в рідинах і газах. Провідність електролітів в цілому підпорядковується закону Ома, а при газовому розряді він не дотримується. Вольт-амперна характеристика газів має набагато більш складний характер, пов’язаний з властивостями плазми.

    Слід згадати і про спільних та відмінних рисах електричного струму в газах і вакуумі. Вакуум – це майже ідеальний діелектрик. «Майже» – тому що в вакуумі, незважаючи на відсутність (точніше, надзвичайно малу концентрацію вільних носіїв заряду, теж можливий струм. Але в газі потенційні носії вже присутні, їх необхідно тільки іонізувати. У вакуум носії заряду вносяться речовини. Як правило, це відбувається в процесі електронної емісії, наприклад при нагріванні катода (термоэлектронная емісія). Але і в різних типах газових розрядів емісія, як ми бачили, грає важливу роль.

    Застосування газових розрядів у техніці

    Про шкідливий вплив тих чи інших розрядів коротенько вже йшлося вище. Тепер звернемо увагу на користь, яку вони приносять в промисловості і в побуті.

    Тліючий розряд застосовують в електротехніці (стабілізатори напруги), в технології нанесення покриттів (метод катодного розпилення, заснований на явищі корозії катода). В електроніці його використовують для отримання іонних та електронних пучків. Широко відомої областю застосування тліючого розряду є люмінесцентні і так звані економічні лампи і декоративні неонові та аргонові газорозрядні трубки. Крім того, тліючий розряд застосовують у газових лазерах і спектроскопії.

    Іскровий розряд знаходить застосування в запобіжниках, електроерозійних методів точної обробки металів (іскрова різання, свердління і так далі). Але найбільш відомий завдяки використанню в свічках запалювання двигунів внутрішнього згорання і побутової техніки (газові плити).

    Дуговий розряд, будучи вперше використаний в освітлювальній техніці ще в 1876 році (свічка Яблочкова – «російський світ»), досі служить в якості джерела світла – наприклад, в проекційних апаратах і потужних прожекторах. В електротехніці дуга використовується в ртутних випрямлячах. Крім того, вона застосовується в електрозварюванні, в різанні металу, в промислових електропечах для виплавки сталі та сплавів.

    Коронний розряд знаходить застосування в електрофільтрах для іонної очищення газів, лічильники елементарних частинок, в молниеотводах, в системах кондиціонування повітря. Також коронний розряд працює в копіювальних апаратах і лазерних принтерах, де за допомогою його здійснюється заряд і розрядка світлочутливого барабана і перенесення порошку з барабана на папір.

    Таким чином, газові розряди всіх типів знаходять саме широке застосування. Електричний струм у газах успішно і ефективно використовується в багатьох областях техніки.