§ 20.3. Электрический разряд в газе при атмосферном давлении.

Разряд в газе, который происходит только при действии постороннего ионизатора, называют несамостоятельным. Этот разряд называют еще тихим (он обнаруживается только с помощью измерительных приборов). Разряд в газе, который может происходить без действия постороннего ионизатора, называют самостоятельным.

Как было показано выше, носителями тока в газе являются свободные электроны и ионы. Между тем при прохождении тока через газ ионы разряжаются у электродов, превращаясь в нейтральные атомы и молекулы, а электроны поглощаются положительным электродом. Кроме того, часть носителей тока еще исчезает при рекомбинации. Следовательно, для поддержания тока в газе необходимо каким-то образом восполнять непрерывную убыль носителей тока. При несамостоятельном разряде, как мы уже знаем, это делает посторонний ионизатор. При самостоятельном же разряде эту роль выполняет сам ток.

Существует несколько механизмов образования новых носителей тока в газе. Один из них — ударная ионизация, о которой говорилось в предыдущем параграфе. Рассмотрим более подробно, в каком случае она возникает.

Вспомним, что для удаления электрона с зарядом из точки поля с потенциалом за пределы поля надо выполнить работу против сил этого поля. Следовательно, чтобы ионизировать молекулу газа, нужно выполнить некоторую работу , которую можно выразить соотношением

Потенциал называют потенциалом ионизации атома или молекулы. Его величина зависит от рода атомов и молекул.

Чтобы свободный электрон при столкновении с молекулой газа мог ее ионизировать, кинетическая энергия электрона перед его ударом о молекулу должна быть больше или равна работе ионизации т. е.

Эту энергию электрон должен приобрести под действием сил

внешнего электрического поля в газе на пути свободного пробега к, так. как после каждого столкновения с молекулой электрон теряет скорость своего направленного движения вдоль поля и начинает новый разбег. Действующая на электрон сила равна Ее (где Е — напряженность поля), а путь электрона равен К, поэтому

где — масса электрона, а у — его скорость перед ударом о молекулу.

Поскольку длина свободного пробега электрона при атмосферном давлении мала, то для возникновения ударной ионизации поле в газе должно иметь большую напряженность Е. Поэтому ударная ионизация при атмосферном давлении наступает лишь при достаточно высоком напряжении.

Если постепенно увеличивать напряжение на электродах (рис. 20.1), то при некотором его значении напряженность поля станет достаточной для возникновения ударной ионизации. Число столкновений, приводящих к ударной ионизации, вначале невелико, но растет с увеличением напряжения.

Вторичные электроны, образующиеся при ударной ионизации, ускоряются полем и тоже принимают в ней участие. Наконец, при определенном напряжении на электродах каждый электрон, прежде чем исчезнуть, вызовет ионизацию хотя бы одной (в среднем) молекулы газа и образует хотя бы один новый свободный электрон. Тогда разряд в газе не только сможет поддерживать себя самостоятельно, но процесс ударной ионизации может принять лавинный характер. В этом случае лавинное умножение носителей приведет к быстрому возрастанию тока и возникновению электрического пробоя газа. Для начала такого самостоятельного разряда достаточно нескольких свободных электронов, которые всегда есть в газе.

Заметим, что ионы при столкновении с молекулами газа тоже могут вызывать ударную ионизацию.

Рассмотрим другие механизмы образования носителей тока при самостоятельном разряде.

При высокой температуре отрицательного электрода с него происходит термоэлектронная эмиссия, создающая значительное число свободных электронов в газе: Далее, положительно заряженные ионы газа притягиваются к отрицательному электроду, и если их кинетическая энергия достаточно велика, то при ударе об электрод они могут выбивать из него электроны. Это явление называют вторичной электронной эмиссией.

При холодном катоде и нормальном давлении вторичная эмиссия в газе возникает только при высоком напряжении. Если же катод накален, то самостоятельный разряд будет происходить и при небольшом напряжении на электродах. Примером такого разряда является электрическая дуга, открытая в 1802 г. русским физиком В. В. Петровым.

Соединим последовательно с реостатом два угольных электрода (А и К, см. рис. 20.3) и включим их в сеть с напряжением порядка 100 В. Сблизив угли до соприкосновения, мы замкнем цепь и увидим, что концы углей накаляются, так как сопротивление цепи в этом месте наибольшее. После этого раздвинем электроды. Ток продолжает идти через воздух, а между углями появляется светящаяся дуга. Концы углей при этом раскаляются еще сильнее и испускают ослепительный свет. На. аноде образуется углубление, а катод заостряется (рис. 20.4). Заметим, что дугу можно получить и между металлическими электродами.

Высокая температура электродов (анода порядка 4000°С, катода около 3000°С) поддерживается непрерывной бомбардировкой их поверхности заряженными частицами воздуха.

Рис. 20.3.

Рис. 20.4.

Ток в дуге достигает десятков и сотен ампер (его величина ограничивается реостатом).

Важную роль в образовании подвижных носителей зарядов в дуге играет ее собственное излучение, которое ионизирует газ. Сопротивление газового промежутка при дуговом разряде, как и при любом самостоятельном разряде, зависит от величины тока. Поэтому закон Ома к дуговому разряду неприменим. Итак, дуговым называется разряд в газе, происходящий при раскаленном катоде или при высоком напряжении между электродами. Электрическая дуга широко используется в технике: например, в дуговых электропечах, при электролизе для получения алюминия, для электросварки, в качестве мощного источника света в прожекторах и т. д.

Искровым называют прерывистый разряд в газе, происходящий при высоком напряжении, достаточном для образования лавинного пробоя. Большая сила тока в момент образования искры снижает напряжение на электродах, и разряд прекращается. Через некоторое время напряжение на электродах поднимается, и

разряд вновь возобновляется. Эти разряды следуют друг за другом очень быстро и для глаза сливаются в одну искру, которая имеет вид зигзагообразных светящихся линий, соединяющих электроды. Заметим, что при большой мощности источника тока искровой разряд может перейти в. дуговой.

Искра представляет собой тонкий ветвистый шнур сильно ионизированного газа. Благодаря высокой электропроводности этого шнура через него проходит очень большой ток. Газ в шнуре разогревается до очень высоких температур и ярко светится. Резкое повышение давления, вызванное разогревом газа, создает звуковой эффект.

Примером грандиозного искрового разряда в природе является молния. Напряжение между Землей и тучей во время грозы достигает нескольких сотен миллионов вольт, а сила тока в молнии превышает Извилистый вид молнии объясняется тем, что разряд проходит через участки воздуха с наименьшим сопротивлением, а они расположены в газе случайным образом.

Кистевой и коронный разряды происходят в газе, когда ударная ионизация возникает не во всем пространстве, занятом полем, а лишь вблизи электродов или проводов, где напряженность поля наиболее высокая. Лавины затухают, достигая областей с более низкой напряженностью. Эти разряды протекают при напряжении, несколько меньшем того, которое необходимо для возникновения искры. Кистевой разряд получается, когда один электрод сделан в виде диска, а другой — в виде острия. Кистевой разряд имеет вид светящегося пучка, соединяющего острие с пластиной. Коронный разряд возникает около проводов, находящихся под высоким напряжением. Он сопровождается слабым свечением и характерным треском.

Рис. 20.5.

При этом ионы, находящиеся в воздухе, вблизи провода, разряжаются на нем, вызывая утечку энергии, передаваемой по проводам. Поэтому корона на проводах высоковольтных передач — явление вредное. Полезное применение коронный разряд находит в электрофильтрах для очистки топочных газов, загрязняющих воздух мельчайшими частицами угля, и т. д.