Электрический ток в газах

Определение

Электрический ток в газах — это упорядоченное движение свободных электронов и ионов (положительных и отрицательных), образующихся в газе под действием внешнего электрического поля или других ионизирующих факторов.

Как возникает проводимость газов

В обычных условиях газы являются хорошими диэлектриками, то есть не проводят электрический ток. Это происходит потому, что их молекулы электрически нейтральны, а свободных заряженных частиц почти нет. Чтобы газ начал проводить ток, необходимо создать в нём свободные заряды. Этот процесс называется ионизацией. Ионизация может происходить под действием различных факторов: высокой температуры (например, в пламени), сильного электрического поля, ультрафиолетового или рентгеновского излучения, радиоактивного излучения. Эти факторы выбивают электроны из атомов или молекул газа, образуя положительные ионы и свободные электроны. Иногда электроны присоединяются к нейтральным атомам, образуя отрицательные ионы.

Виды электрического тока в газах

Электрический ток в газах разделяют на два основных вида: несамостоятельный и самостоятельный разряды. Несамостоятельный разряд возможен только при наличии внешнего ионизатора, который постоянно поддерживает образование свободных зарядов в газе. Как только действие ионизатора прекращается, ток в газе исчезает. Примером может служить ток в ионизационной камере. Самостоятельный разряд способен поддерживать себя сам за счёт внутренних процессов, даже после прекращения действия первоначального ионизатора. Это происходит благодаря ударной ионизации: ускоренные электрическим полем свободные электроны сталкиваются с нейтральными атомами, выбивая из них новые электроны и порождая цепную реакцию ионизации. Разновидностями самостоятельного разряда являются тлеющий, коронный, искровой и дуговой разряды.

Механизмы движения зарядов

После образования свободных зарядов в газе (электронов и ионов) и приложенного электрического поля начинается их направленное движение. Электроны, обладая малой массой, движутся значительно быстрее ионов. Положительные ионы движутся к отрицательному электроду (катоду), отрицательные ионы и электроны — к положительному электроду (аноду). Взаимодействия между заряженными частицами и нейтральными молекулами газа, а также рекомбинация (слияние ионов и электронов с образованием нейтральных частиц) определяют характер и стабильность газового разряда. При очень высоких температурах газ полностью ионизируется и переходит в состояние плазмы, которая считается четвёртым агрегатным состоянием вещества.

Как найти и применять

1. Определите, есть ли в газе свободные заряды (электроны и ионы). Если нет, то газ не проводит ток.
2. Проверьте наличие внешнего электрического поля. Оно необходимо для направленного движения зарядов.
3. Выясните, действует ли внешний ионизатор. Если да, то возможен несамостоятельный газовый разряд.
4. При отсутствии внешнего ионизатора, оцените напряжённость электрического поля и плотность газа. При достаточно сильном поле и определённом давлении может возникнуть самостоятельный разряд за счёт ударной ионизации.
5. Определите тип газового разряда (несамостоятельный, самостоятельный: тлеющий, дуговой, искровой, коронный) исходя из условий и характеристик протекания.

Разбор задач

Задача 1

Почему молния, представляющая собой гигантский искровой разряд, возникает в обычном, изначально непроводящем воздухе?

1. Перед ударом молнии в грозовых облаках происходит разделение зарядов, что приводит к образованию очень сильного электрического поля между облаком и землёй или между разными частями облаков. 2. Это чрезвычайно сильное электрическое поле ионизирует молекулы воздуха (кислорода, азота) даже без внешнего ионизатора. Электроны ускоряются до таких скоростей, что при столкновении с другими молекулами выбивают из них электроны, создавая лавину зарядов (ударная ионизация). 3. Образуется проводящий канал из ионизированного газа — плазмы. 4. По этому каналу происходит быстрый разряд накопившегося электрического заряда, который мы видим как вспышку молнии и слышим как гром.

Ответ: Молния возникает в результате самостоятельного искрового разряда, обусловленного ударной ионизацией воздуха в условиях чрезвычайно сильного электрического поля грозового облака.

Где это встречается

• Люминесцентные и неоновые лампы — Внутри лампы находится газ (например, аргон с парами ртути или неон) при низком давлении. При подаче напряжения возникает тлеющий разряд, который ионизирует газ. Движение электронов и ионов возбуждает атомы газа, которые испускают свет (в неоновых лампах) или ультрафиолетовое излучение (в люминесцентных, которое затем преобразуется видимый свет люминофором).
• Сварочные аппараты — Дуговой разряд между электродом и свариваемой деталью создаёт очень высокую температуру (тысячи градусов Цельсия), которая плавит металл. Дуга — это разновидность самостоятельного электрического тока в газах, поддерживаемого высокой температурой и эмиссией электронов с катода.
• Ионизационные камеры и счётчики Гейгера — Эти приборы используются для регистрации ионизирующих излучений (альфа-, бета-, гамма-частиц). Пролетающая заряженная частица ионизирует газ внутри камеры, создавая свободные электроны и ионы. Эти заряды под действием электрического поля движутся к электродам, создавая электрический импульс, который регистрируется как сигнал.
• Плазменные панели и телевизоры — В каждой ячейке плазменной панели находится смесь газов (ксенон, неон). При подаче напряжения возникает микроскопический газовый разряд, который вызывает ультрафиолетовое излучение. Это УФ-излучение возбуждает люминофор, покрывающий стенки ячейки, который испускает видимый свет (красный, зелёный или синий), формируя изображение.
• Молниезащита — Молниеотводы, или громоотводы, представляют собой высокие металлические стержни. Они создают в атмосфере вблизи себя сильное электрическое поле, которое может привести к коронному разряду. Коронный разряд способствует стеканию зарядов с остриев, частично нейтрализуя заряд облака и снижая вероятность удара молнии, либо безопасно отводя её в землю, если разряд всё же произошёл.

Типичные ошибки

Не путать

• Электрический ток в металлах — В металлах носители заряда — только свободные электроны. В газах — электроны и ионы. Металлы проводят ток всегда, газы — только при ионизации.
• Электрический ток в жидкостях (электролитах) — В электролитах носители заряда — только ионы (положительные и отрицательные), а электроны практически не участвуют в проводимости. В газах есть и электроны, и ионы. Проводимость жидкостей связана с диссоциацией молекул, проводимость газов — с их ионизацией.
• Плазма — Плазма — это полностью или сильно ионизированный газ, содержащий очень большое количество свободных электронов и ионов, где коллективные взаимодействия заряженных частиц играют доминирующую роль. Электрический ток в газах — более широкое понятие, включающее также частично ионизированные газы и разные виды разрядов, предшествующие образованию плазмы или являющиеся её проявлением.

Откуда взялось понятие

Изучение электрических разрядов в газах началось в XVIII веке с экспериментов со статическим электричеством, но систематические исследования и объяснение механизмов появились в XIX веке благодаря Фарадею, Крусу, Ленару, Томсону и другим учёным.

Как запомнить

Газы проводят ток, если их 'разозлить' (ионизировать)!