Электрический ток в газах

При обычных условиях все газы не проводят электрического тока (состоят из нейтральных атомов)
Этим свойством объясняется широкое использование воздуха в качестве изолирующего вещества.
Принцип действия выключателей и рубильников: размыкая их металлические контакты, мы создаем между ними прослойку воздуха, не проводящую ток.
Газы - диэлектрики

Прохождение тока через газы называют
газовым разрядом
Газовый разряд
Пламя, внесенное в пространство между двумя металлическими дисками, приводит к тому, что гальванометр отмечает появление тока.
Отсюда следует: газ, нагретый до высокой темпера-туры, является проводником электрического тока.
Электрический ток в газах представляет собой упорядоченное движение свободных электронов и положительных ионов

Минимальная энергия, которую необходимо затратить, чтобы оторвать электрон от атома, называется энергией ионизации
Ионизация газа
Ионизация – процесс расщепления атомов на положительные ионы и электроны
Виды ионизации газа: - электронный удар - термическая ионизация - фотоионизация - радиоактивность
Ионизаторы – источники, вызывающие ионизацию газа
Ионизаторы газа: - пламя (высокая температура) - рентгеновское, ультрафиоле-товое, гамма – излучения - источники быстрых заряжен-ных частиц (катодные лучи)
+

Если прекратить действие ионизатора, то начинает преобладать обратный процесс объединения электронов и ионов в нейтральные атомы – рекомбинация
В процессе рекомбинации газ снова приобретает диэлектрические свойства
Таким образом электрические свойства газов сильно зависят от действия внешних ионизаторов
Рекомбинация газа

Виды газового разряда
Несамостоятельный
Самостоятельный
В зависимости то способа получения заряженных частиц в газе газовые разряды делятся на два вида.

Несамостоятельный газовый разряд
Несамостоятельный газовый разряд – явление протекания электрического тока через газ под воздействием внешнего ионизатора.
Ток прекращается после окончания действия ионизатора

Самостоятельный газовый разряд
Самостоятельный газовый разряд – процесс протекания электрического тока в газе, происходящий при отсутствии постоянно действующего внешнего ионизатора.
Заряженные частицы в газе создаются под действием электрического поля, существующего между электродами

Виды самостоятельного газового разряда
1. Тлеющий разряд
Условия возникновения:
низкие давления (доли мм рт.ст.)
высокая напряженность электрического поля
Техническое применение:
- в лампах дневного света
в рекламе: неоновые лампы, рекламные трубки
в медицине: ртутные ультрафиолетовые лампы
на производстве, в быту: неоновые лампы (индикация и стабилизация напряжения)
в исследованиях: газовые лазеры

Тлеющий разряд
При сильно пониженном давлении самостоятельный разряд сопровождается свечением.
Положительные ионы, ударяясь о катод, вызывают вторичную электронную эмиссию
При увеличении напряжения между электродами трубки, заполненной газом, энергия движущихся ионов и электронов возрастает, возникает явление выбивания ионами из нейтральных молекул электронов – ударная ионизация, которая приводит к лавинному увеличению числа носителей заряда и резкому возрастанию тока
Такой разряд не нуждается в действии ионизатора
I
U

Цвета тлеющих разрядов в различных газах
Гелий
Неон
Аргон
Криптон
Ксенон

Виды самостоятельного газового разряда
2. Дуговой разряд
Условия возникновения:
Большая сила тока (10 -100 А при малой напряженности электрического поля)
Техническое применение
Дуговые ртутные лампы, источники света: прожектора.
Сварка и резка металлов.
Получение инструментальной стали (90%) в дуговых печах

Электрическая дуга
В 1802 году русский физик В.В.Петров установил, что если к полюсам большой электрической батареи присоединить два кусочка угля и привести их в соприкосновение а затем раздвинуть, то между концами углей образуется яркое пламя, а сами концы углей раскаляются добела, испуская ослепительный свет.
Электрическая дуга является мощным источником тепла, света, ультрафиолетового излучения
При атмосферном давлении температура катода приблизительно равна 3900 К.
По мере горения дуги катод заостряется, а на аноде образуется углубление — кратер - являющийся наиболее горячим местом дуги.
В.В. Петров
(1761-1834)

Виды самостоятельного газового разряда
3.Коронный разряд
Условия возникновения:
Атмосферное и более высокое давление
Сильное неоднородное электрическое поле, напряжённость = 3000000 В/м
Техническое применение:
Электроочистительные фильтры газовых смесей
Медицина
Счетчики элементарных частиц: позволяют любые заряженные, быстро движущиеся частицы
Из-за огромной напряженности электрического поля прилежащий воздух ионизируется и происходит стекание заряда в виде маленьких искр, образующих корону

Коронный разряд
Сопровождается слабым свечением и небольшим шумом.
Коронный разряд на ключе
Коронный разряд на линии электропередач
приводит к потере электроэнергии
Коронный разряд на концах мачт
«Огни Святого Эльма»
Коронный разряд
на острие громоотвода
Молния ударяет в громоотвод и заряды уходят в Землю, не причиняя вреда зданию.

Виды самостоятельного газового разряда
4. Искровой разряд
Условия возникновения:
Высокое напряжение до 109 В при атмосферном давлении, имеет вид светящегося канала с разветвлениями в течение 10-7 с.
Техническое применение:
Используется при обработке металлов, в системе зажигания двигателей внутреннего сгорания.
Кратковременная искра - пробой газа, обусловленный ионизацией молекул сильным электрическим полем

Искровой разряд
Гигантский искровой разряд - природная молния - разряд между грозовым облаком и Землей
Искровой разряд в ДВС применяется для воспламенения горючей смеси
Для образования мощной искры на свечу зажигания подается напряжение 20 – 30 кВ
Газ вблизи искры нагревается до высокой температуры и внезапно расширяется, отчего возникают звуковые волны, и мы слышим характерный треск.
Искровой разряд в ДВС
Искровой разряд на трансформаторе Тесла
Искра в виде ярко светящегося тонкого со сложным образом изогнутого и разветвленного канала (стримера)

Плазма
Четвёртое состояние вещества было открыто У. Круксом в 1879году
Впервые термин "плазма" был использован в 1923 г. американскими физиками Ленгмюром и Тонксом, которые стали с его помощью обозначать особое состояние ионизированного газа.
Плазма- наиболее распространенное состояние вещества во Вселенной (99% вещества)
В природе известны 4 состояния вещества
газообразное
твердое
жидкое
плазма

Плазма
При температурах выше 10 000°С все вещества находятся в состоянии плазмы.
Плазма - сильно ионизированный газ, в котором концентрации положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы (в целом плазма нейтральна)

Плазма
Виды плазмы: 1. В зависимости от степени ионизации
Слабо ионизированная (ионизированы доли % молекул)
Умеренно ионизированная (ионизировано несколько % молекул)
Полностью ионизированная
2. В зависимости от скорости движения заряженных частиц
Низкотемпературная (T<105 К)
Высокотемпературная (T>105 К)

Холодная плазма
Виды плазмы
Тлеющий разряд
Пламя
Северное сияние
Дуговой разряд
Молния
Межзвездная среда

Горячая плазма
Виды плазмы
Солнце
Звезды
Солнце

Полярные сияния возникают вследствие бомбардировки верхних слоёв атмосферы заряженными частицами, движущимися к Земле из области околоземного космического пространства, называемой плазменным слоем.
Проекция плазменного слоя вдоль геомагнитных силовых линий на земную атмосферу имеет форму колец, окружающих северный и южный магнитные полюса
Полярные сияния

Концентрация положительных и отрицательных частиц в плазме практически одинакова
Высокая электропроводность. При высокой t°плазма приближается к сверхпроводникам
Сильное взаимодействие с электрическим и магнитным полями
Каждая заряженная частица плазмы взаимодействует с большим числом заряженных частиц
Свечение
Эти свойства определяют качественное своеобразие плазмы, позволяющее считать ее особым, четвертым состоянием вещества.
Свойства плазмы

Применение плазмы
Плазма возникает во всех видах газового разряда – газоразрядная плазма
В светотехнике в газоразрядных лампах, освещающих улицы, и лампах дневного света, используемых в помещениях.
В газоразрядных приборах: выпрямителях электрического тока, стабилизаторах напряжения, плазменных усилителях и генераторах сверхвысоких частот (СВЧ), счётчиках космических частиц.
В газовых лазерах – квантовых источниках света
В плазмотронах для резки, сварки металлов.
В плазменных двигателях в космических кораблях
В магнитогидродинамических электростанциях.