§ 12. Различные типы самостоятельного разряда. Плазма

Определения и обозначения

Самостоятельный газовый разряд — длительное прохождение электрического тока через газ, которое поддерживается без внешнего источника ионизации. Ионизация — образование заряженных частиц из нейтральных атомов или молекул. Это определение помогает отличить разряд, поддерживаемый процессами в газе, от тока, существующего только при внешнем воздействии.

Плазма — частично или полностью ионизированный газ, содержащий свободные электроны и положительные ионы и в целом остающийся электрически нейтральным. Частицы имеют заряды, но на достаточно большом участке их суммарный заряд обычно близок к нулю. Понятие плазмы нужно, чтобы описывать газ, в котором свободные заряды заметно влияют на электрические процессы.

Тлеющий разряд — самостоятельный разряд в разреженном газе при сравнительно небольшом токе и высоком напряжении. Разреженным называют газ с давлением ниже обычного атмосферного. Такое определение позволяет узнать тлеющий разряд по условиям, например в газоразрядной трубке, а не только по его свечению.

Искровой разряд — кратковременный самостоятельный разряд, возникающий при сильном электрическом поле и сопровождающийся пробоем газа. Пробой означает, что газ на короткое время становится проводящим благодаря появлению большого числа заряженных частиц. Это определение помогает не смешивать искру с дугой, которая может поддерживаться значительно дольше.

Как это устроено

В обычных условиях большинство частиц газа нейтральны, поэтому свободных носителей заряда мало и газ проводит ток очень слабо. Первые электроны и ионы могут появиться под действием внешнего излучения или другого ионизатора. Пока внешний источник создаёт эти частицы, разряд несамостоятельный: без такого воздействия носители постепенно исчезают, и ток прекращается. Значит, для длительного прохождения тока газу нужен механизм, который восполняет потери зарядов.

В сильном электрическом поле свободный электрон разгоняется и набирает энергию между столкновениями. Если энергии достаточно, при ударе он выбивает электрон из атома или молекулы, оставляя положительный ион. Освободившийся электрон тоже ускоряется и может ионизовать следующие частицы, поэтому число носителей быстро растёт. Эта лавина и позволяет разряду поддерживать себя, хотя для её начала нужны первоначальные свободные заряды.

Столкновение не всегда ионизует атом: иногда оно лишь переводит его в возбуждённое состояние, то есть на более высокий энергетический уровень. Такое состояние неустойчиво, и при возвращении к исходному уровню атом испускает свет. Поэтому газ светится не просто от того, что через него течёт ток, а из-за излучения возбуждённых частиц. Цвет и распределение свечения зависят от состава газа, его давления и силы тока.

Тлеющий разряд характерен для разреженного газа и сравнительно небольшого тока; высокое напряжение помогает ускорять электроны на пути между столкновениями. Дуговой разряд возникает при большом токе: электроды сильно нагреваются, а проводящий канал поддерживается и после начала разряда. Следовательно, тлеющий и дуговой разряды различают не только по яркости, но и по давлению, величине тока и устойчивости канала. В дуге нагрев электродов и газа способствует сохранению проводимости.

У заострённого проводника электрическое поле особенно велико рядом с остриём, поэтому там может возникнуть коронный разряд. Он обычно занимает область возле проводника и не требует, чтобы весь промежуток между электродами превратился в проводящий канал. При искровом разряде, напротив, канал быстро соединяет электроды, после чего ток может прекратиться. Если канал сохраняется и через него долго проходит большой ток, это уже характерно для дугового разряда.

Виды самостоятельного разряда в газах

Сначала сравните условия возникновения и давление, затем проверьте длительность и силу тока. Краткий канал указывает на искровой разряд, а длительный ток с нагревом электродов — на дуговой. Примеры помогают закрепить признаки, но решать задачу лучше по совокупности условий.

Разбор задач

Задача 1. В разреженной газоразрядной трубке при подаче высокого напряжения появляется устойчивое свечение. Определите вид разряда и объясните, почему газ светится. В условии важны не только свет, но и пониженное давление с высоким напряжением. Они позволяют отличить этот случай от искры между электродами.

1. Сопоставляем давление и напряжение: газ разрежен, а напряжение высокое.
2. Учитываем, что свечение устойчивое, а не кратковременное. Эти признаки соответствуют тлеющему разряду.
3. Электроны сталкиваются с атомами газа и возбуждают их. При возвращении в исходное состояние атомы испускают свет.

Ответ: в трубке наблюдается тлеющий разряд. Газ светится потому, что возбуждённые при столкновениях атомы излучают энергию при переходе в исходное состояние.

Задача 2. Между электродами возник яркий краткий канал, после чего ток прекратился. Определите вид разряда и объясните, почему он не поддерживался. Здесь нужно обратить внимание на короткую длительность и прекращение тока. Устойчивый канал, напротив, позволил бы току продолжаться.

1. Кратковременный яркий канал между электродами — признак пробоя газа.
2. Такой пробой соответствует искровому разряду. Это не дуга, поскольку ток не сохраняется надолго.
3. После импульса условия для поддержания большого числа носителей исчезли. Заряды рекомбинировали или достигли электродов, канал утратил проводимость, и ток прекратился.

Ответ: это искровой разряд. Он не поддерживался, потому что после краткого пробоя проводящий канал исчез и ток больше не мог через него идти.

Задача 3. При неизменном источнике питания ток между электродами стал большим, электроды нагрелись, а проводящий канал сохранился. Определите вид разряда и сравните его с искровым. Сохранение канала показывает, что речь не о кратком импульсе. Большой ток и нагрев дополнительно указывают на условия поддержания разряда.

1. Отмечаем три признака: большой ток, нагрев электродов и длительно существующий канал.
2. Такой набор признаков характерен для дугового разряда. Его канал остаётся проводящим, пока поддерживаются необходимые условия.
3. В искровом разряде канал возникает быстро, но существует недолго. В дуговом ток идёт по устойчивому каналу продолжительное время.

Ответ: возник дуговой разряд. В отличие от краткой искры, дуга поддерживает большой ток, сохраняет проводящий канал и нагревает электроды.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что любой газовый разряд самоподдерживается. Её допускают, потому что после начала разряда ток может выглядеть непрерывным, но это ещё не показывает, откуда берутся носители. Несамостоятельному разряду нужна внешняя ионизация, и без неё он прекращается. Проверка: выясните, продолжится ли ток, если убрать источник ионизации.

Ошибка — называть плазмой любой светящийся газ. Свечение возникает при излучении возбуждённых атомов и само по себе не доказывает наличие значительного количества свободных зарядов. Чтобы говорить о плазме, нужно учитывать ионизацию газа и наличие электронов с положительными ионами. Проверка: отделите признак свечения от признака ионизации.

Ошибка — смешивать искровой и дуговой разряды. Яркость есть у обоих, поэтому по одному этому признаку их легко спутать. Искра кратковременна, а дуга длительно поддерживает большой ток и нагревает электроды. Проверка: спросите, сохраняется ли проводящий канал после первоначального пробоя.

Ошибка — считать, что коронный разряд возможен только между двумя близкими электродами. Так думают, перенося на него картину искры, но для короны решающим является сильное поле возле острого или тонкого участка проводника. Поэтому разряд может возникать у провода или острия, не заполняя весь промежуток. Проверка: найдите в условии участок с малым радиусом кривизны и неоднородное поле.

Связь с другими темами

Для понимания разряда нужны знания об электрическом токе, носителях заряда и ионизации вещества. Напряжённость электрического поля определяет, насколько сильно оно разгоняет электроны и смогут ли те ионизовать атомы при столкновениях. Понятие плазмы встречается при изучении разрядов в природе и газоразрядных приборов. Оно также помогает описывать вещество в звёздах, где значительная часть газа ионизирована.

Что запомнить

• Самостоятельный разряд поддерживает себя за счёт процессов в самом газе.
• В сильном электрическом поле электроны могут ионизовать атомы при столкновениях.
• Свечение газа связано с излучением возбуждённых атомов и молекул.
• Тлеющий разряд возникает в разреженном газе при сравнительно небольшом токе.
• Искровой разряд кратковременен, дуговой — длителен и сопровождается большим током.
• Коронный разряд возникает в неоднородном сильном поле возле острых участков проводника.
• Плазма содержит свободные заряды, но в целом обычно электрически нейтральна.