Электрические явления в газе, понятие о плазме

Прохождение электрического тока через газы называется газовым разрядом.

Газы в нормальном состоянии являются изоляторами, носители тока в них отсутствуют. Лишь при создании особых условий в газах могут появиться носители тока (ионы, электроны) и возникает электрический разряд.

В зависимости от того, за счет каких факторов в газе образуются заряженные частицы, необходимые для электрического разряда различают несамостоятельные и самостоятельные разряды.

Если носители тока в газах возникают в результате внешних воздействий, не связанных с наличием электрического поля, говорят о несамостоятельном разряде.

Несамостоятельный разряд может быть вызван нагреванием газа (термическая ионизация), воздействием ультрафиолетовых или рентгеновских лучей, а также воздействием излучения радиоактивных веществ.

Если носители тока возникают в результате процессов, обусловленных созданным в газе электрическим полем, газовый разряд называется самостоятельным.

Характер газового разряда зависит от многих факторов:

от химической природы газа и электродов;

от температуры и давления газа;

от формы, размеров и взаимного расположения электродов;

от напряжения, приложенного к электродам;

от плотности и мощности тока и т.д.

Поэтому газовый разряд может принимать весьма разнообразные формы. Некоторые виды разряда сопровождаются свечением и звуковыми эффектами — шипением, шорохами или треском.

Газоразрядными (ионными) называются электровакуумные приборы с электрическим разрядом в газе или парах.

По конструкции газоразрядные приборы выполняются в виде стеклянной колбы с цоколем, внутри которой помещаются анод и катод. Могут также присутствовать одна или несколько сеток между ними. Из колбы выкачивается воздух, и она заполняется либо инертным газом, (например, неоном, гелием), либо парами (например, ртути, серебра). Давление газа в колбе обычно значительно ниже атмосферного.

Газоразрядные приборы применяются для выпрямления переменного тока (тиратроны, газотроны, игнитроны, ртутные вентили), стабилизации постоянного напряжения (стабилитроны), в качестве электронных переключателей (тиратроны, ионные разрядники) и индикаторов (тиратроны, газоразрядные индикаторные панели).

Общей специфической особенностью газоразрядных приборов является их относительно высокая инертность, которая определяется большими постоянными времени процессов ионизации и деионизации газа в рабочем пространстве приборов. Поэтому газоразрядные приборы, как правило, используются в сравнительно низкочастотных устройствах с рабочей частотой до нескольких сотен килогерц.

Особенности электрического разряда в газах

Электрический разряд в газе — это совокупность явлений, сопровождающих прохождение электрического тока через газ или пар. При таком разряде протекает несколько основных процессов: возбуждение атомов; ионизация; рекомбинация.

При возбуждении атома под ударом электрона один из электронов атома переходит на более удаленную от ядра орбиту, т.е. на более высокий энергетический уровень. Такое возбужденное состояние атома длится обычно 10^–10 с, после чего электрон возвращается на свою орбиту и при этом отдает в виде излучения энергию, которую атом получил при возбуждении от ударившего электрона.

Ионизация атомов (или молекул газа) происходит при энергии ударяющего электрона большей, чем энергия возбуждения. В результате ионизации из атома выбивается электрон. Следовательно, в пространстве будут два свободных электрона, а сам атом превратится в положительный ион. Если эти два свободных электрона при движении в ускоряющем поле наберут достаточную энергию, то каждый из них может ионизировать новый атом. Тогда свободных электронов будет уже четыре, а ионов — три. Эти электроны снова могут произвести ионизацию. Таким образом, происходит лавинообразное нарастание числа электронов и ионов.

Возможна также ступенчатая ионизация. От удара одного электрона атом переходит в возбужденное состояние и, не успев вернуться в нормальное состояние, ионизируется от удара второго электрона.

Увеличение в газе числа заряженных частиц за счет ионизации называют электризацией газа.

Рекомбинация. Наряду с ионизацией в газе происходит и обратный процесс нейтрализации противоположных по знаку зарядов.

Положительные ионы и электроны совершают в газе беспорядочное (тепловое) движение и, приближаясь друг к другу, могу соединиться, образуя нейтральный атом. Восстановление нейтральных атомов называют рекомбинацией.

Рекомбинация приводит к уменьшению числа заряженных частиц, т.е. к деионизации газа.

Несамостоятельный разряд разделяется на несколько подвидов, основными из которых являются:

- тихий разряд (возникает под действием естественных ионизаторов: космических лучей, радиации, солнечного облучения и т.д.). Для электроники тихий разряд не используется, но он предшествует другим видам разрядов;

- несамостоятельный дуговой разряд (низковольтный). Возникает в ионных приборах с термокатодом (газотроны и тиратроны с накаленным катодом).

Самостоятельный газовый разряд разделяется на следующие подвиды:

- тихий самостоятельный разряд (коронный). Возникает при сравнительно высоких давлениях, и когда один из электродов имеет весьма малый радиус кривизны (игла, тонкая проволока и т.д.). Используется в газоразрядных приборах для стабилизации напряжения;

- высокочастотный разряд. Вызывается переменным электрическим полем. (Оба эти разряда поддерживаются только за счет ударной ионизации молекул газа);

- тлеющий разряд. При этом газовом разряде ударная ионизация осуществляется электронами, выбиваемыми из холодного катода (ХК) при бомбардировке его поверхности положительными ионами. Используется в стабилитронах тлеющего разряда и тиратронах.

- самостоятельный дуговой разряд — такой, когда ударная ионизация в основном осуществляется за счет автоэлектронной (электростатической) эмиссии и термоэлектронной эмиссии;

- искровой разряд - кратковременный электрический разряд при сравнительно высоком давлении газа (например, при атмосферном давлении). Используется в разрядниках для кратковременного замыкания цепей.

Простейший ионный прибор состоит из анода и катода, помещенных в баллон. Его вольтамперная характеристика снимается с помощью схемы, показанной на рис.5.12.

2 Вольтамперная характеристика газового разряда

Рассмотрим ВАХ двухэлектродного ионного прибора с холодным катодом и поясним ее ход (рис.5.13).

Участок ОА — тихий несамостоятельный разряд. При достаточной величине анодного напряжения ток достигает насыщения. Его величина зависит только от интенсивности сторонних ионизаторов и может являться мерой мощности радиоактивного излучения.

Участок АБ — появляется ударная ионизация и бомбардировка холодного катода ионами. Количество электронов и ионов растет. При некотором напряжении (оно называется напряжением зажигания, определяется видом газа, его давлением и расстоянием между электродами) ионизация становится столь сильной, что газовый разряд может осуществляться без сторонних ионизаторов.

Точке Б соответствует тихий самостоятельный разряд. На участке БВ происходит постепенный переход тихого самостоятельного разряда в тлеющий. При этом увеличение тока сопровождается сосредоточением процесса ударной ионизации в малом объеме, прилегающем к катоду.

При завершении перехода к тлеющему разряду (точка В) концентрация ионов между анодом и катодом перераспределяется так, что почти на всем промежутке образуется плазма, устанавливается постоянное значение потенциала и лишь на малом участке у катода возникает большой перепад потенциалов. Под воздействием сильного поля на этом участке положительные ионы выбивают из катода электроны, последние вызывают ударную ионизацию молекул в том же промежутке и т.д. Так как при ударной ионизации часть молекул возбуждается, то они при возвращении в исходное состояние излучают кванты света. Над рабочей поверхностью катода возникает так называемое катодное свечение.

Увеличение тока через прибор в режиме нормального тлеющего разряда происходит за счет увеличения рабочей поверхности катода. При этом внутреннее сопротивление прибора, за счет увеличения концентрации носителей, уменьшается, а напряжение на приборе остается почти неизменным: U = const (участок ВГ).

Дальнейшее увеличение тока тлеющего разряда возможно лишь за счет увеличения плотности тока. При некотором напряжении U, скорость ионов становится настолько большой, что катод разогревается до температуры, соответствующей термоэлектронной эмиссии. Тлеющий разряд переходит в дуговой(ДЕ).