ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ГАЗАХ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ГАЗАХ Газы являются диэлектриками, если находятся в обычных физических условиях. В этом случае они состоят в основном из нейтральных атомов и молекул, а заряженные частицы (электроны, ионы), имеющиеся в некотором объеме газа лишь в незначительном количестве, не могут образовать заметного тока. Однако из нейтральных молекул и атомов могут об разоваться заряженные частицы — ионы, если в силу каких-либо причин число электронов в них изменится: этот процес называется ионизацией. Ионизованный газ является проводником. Ионизация газов Ионизация происходит под действием космических лучей, рентгеновского и ультрафиолетового излучения, высокой температуры, электрического поля. Опыт показывает, что перечисленные ионизующие факторы сами по себе не могут вызывать значительного роста числа заряженных частиц в единице объема, тем более что наряду с ионизацией идет обратный процесс образования нейтральных молекул и атомов, называемый рекомбинацией. Электропроводность газа, возникшая в результате внешнего ионизующего воздействия, называется несамостоятельной. Если внешний ионизующий фактор перестает действовать, то в силу рекомбинации электропроводность газа исчезает. Наибольшее значение имеет ионизация атомов и молекул газа, вызываемая столкновением их с быстродвижущимися электронами. При таком столкновении энергия движущегося электрона частично или полностью передается нейтральному атому или молекуле. При достаточной энергии удара от нейтрального атома или молекулы отрывается один или несколько электронов, вместо нейтрального атома или молекулы появляется положительный ион. Возможно также сцепление электрона с нейтральным атомом или молекулой, что приводит к образованию отрицательного иона. Процесс образования ионов при столкновении В результате ионизации количество электронов увеличивается, это приводит к росту числа столкновений и, следовательно, к еще большему увеличению числа заряженных частиц. В ионизованном состоянии газ является проводником. Электропроводность газа, поддерживаемая благодаря ударной ионизации действием внешнего электрического поля, называется самостоятельным разрядом. Различают несколько видов самостоятельного разряда в газе: тихий, тлеющий, искровой, дуговой. Тихий разряд. Этот разряд возникает при относительно больших давлениях газа (например, атмосферном), когда поле в разрядном промежутке между электродами очень неравномерно из-за малого радиуса кривизны электродов. Тихий разряд обычно наблюдается около электродов в тех местах, где напряженность электрического поля достигает некоторой величины, называемой критической для данного газа, и сопровождается свечением — «короной». При передаче электрической энергии на высоком напряжении вокруг проводов линии нередко можно наблюдать (особенно в сырую погоду) тихий (коронный) разряд, который приносит вред, вызывая дополнительные потери энергии. Тлеющий разряд. При низких давлениях в длинной стеклянной трубке можно получить тлеющий разряд, если между электродами, расположенными у ее концов, приложить напряжение в несколько сотен вольт. Различные газы при тлеющем разряде дают свечение разного цвета. Благодаря этому лампы тлеющего разряда применяются в декоративных целях. Зависимость тока в лампе тлеющего разряда от напряжения между электродами (вольт-амперная характеристика) нелинейная, причем в некотором интервале изменения тока напряжение остается постоянным (участок БВ на рис. 2.8). На этом рисунке точка А ха- I рактеристики соответствует зажиганию прибора, точка В—началу дугового разряда. Газоразрядные приборы тлеющего разряда используются для стабилизации напряжения. Искровой разряд. Такой разряд возникает между холодными электродами при большом внутреннем сопротивлении источника питания. Ионизация газа, начавшаяся под действием электрического поля, приобретает лавинообразный характер, в результате чего газовый промежуток становится про- 1 водящим и между электродами проскакивании электродами, при котором возникав пробой воздуха, можно судить о величине напряжения между электродами. На этой основе для измерения очень высоких напряжений применяются шаровые разрядники. Дуговой разряд. При большой мощности источника питания искровой разряд может перейти в дуговой, более устойчивый самостоятельный разряд в газе при атмосферном или повышенном давлении. Такой разряд называется электрической дугой. Ха рактерной особенностью дугового разряда является то, что он сопровождается ослепительным свечением и сильным нагреванием электродов (до 3000° С и более). Световое действие электрической дуги используется для специального освещения (прожекторы, проекционные аппараты), а тепловое — для сварки и плавления металлов. Электрическая дуга, возникающая при выключении электрических установок,— явление нежелательное, так как ее тепловое действие разрушает контакты отключающих аппаратов (рубильников, контакторов, выключателей). Поэтому приходится принимать специальные меры, в результате чего выключающие аппараты значительно усложняются, увеличиваются их размеры. Вольт-амперные характеристики газоразрядных приборов Электрический ток при дуговом разряде образуется электронами и ионами, освободившимися вследствие термической ионизации газа, а также в результате эмиссии электронов из накаленного катода. Под действием этих явлений между электродами создается газоразрядная плазма. Электроны, имея в тысячи раз меньшую массу, чем ионы, в электрическом поле приобретают значительно большую скорость, поэтому преобладают в образовании тока дуги. При некоторой степени ионизации горение дуги стабилизируется и устанавливаются определенные ток /д и напряжение между электродами Ua. Рост тока в дуге приведен к увеличению степени ионизации и уменьшению сопротивления дугового промежутка, что повлечет за собой снижение напряжения Ua. Таким образом, вольт-амперная характеристика электрической дуги представляет собой падающую кривую (рис. 2.9). В технике широко распространены газоразрядные приборы, у которых проводимость газового промежутка обусловлена заряженными частицами, полученными как за счет электронной эмиссии нагретого катода, так и ионизацией газов или паров. К таким приборам относят газотроны, тиратроны, ртутные выпрямители и др. Вольт-амперные характеристики газоразрядных приборов нелинейны. На рис. 2.10 показана вольт-амперная характеристика газотрона. Контрольные вопросы 1. Объясните явление ионизации газов и их электропроводность. 2. В чем состоят особенности тихого и тлеющего разряда в газах? 3. Начертите вольт-амперную характеристику дугового разряда и объясните ход этой кривой. 4. На чем основано применение электронных и ионных приборов для выпрямления переменного тока? 5. Назовите известные случаи практического применения явлений электрического разряда в газе: тлеющего, дугового, искрового.