Сегодня мы рассмотрим другую среду протекания электрического тока - газы. Газы при обычных условиях являются изоляторами. И тем не менее, они способны проводить ток за счет явления ионизации.
В предыдущей статье мы познакомились с проводимостью металлов и полупроводников с точки зрения физики. И выяснили, что электрическое сопротивление, внешнее проявление которого можно наблюдать в законе Ома, на самом деле объясняется гораздо более глубокими процессами.
Носителями заряда в газах могут быть электроны и ионы, молекулы газа с недостатком или избытком электронов. Но появление носителей заряда возможно лишь при создании определенных условий.
Такие условия могут быть созданы внешними воздействиями, которые не связаны с наличием электрического поля. Например, нагрев газа (термическая ионизация) или воздействие ионизирующего излучения. В этом случае говорят о несамостоятельной проводимости. Если же носители создаются в результате процессов обусловленных электрическим полем, то проводимость называется собственной.
Протекание тока через газы называется газовым разрядом. Характер разряда зависит от многих факторов, а не только от электрического поля. Значение имеют химическая природа газа, давление, температура, материал и форма электродов, расстояние между электродами, плотность тока, и многое другое.
Основы физики газового разряда были заложены Таунсендом. Понятие плазмы было введено Ленгмюром,
Несамостоятельная проводимость. Несамостоятельный газовый разряд
Предположим, что газ между электродами подвергается постоянному воздействию внешних ионизирующих факторов. Например, воздействию ионизирующего излучения.
Такое воздействие может привести к тому, что один или несколько электронов окажутся выбитыми из молекулы газа. А это приводит к появлению положительно заряженных ионов. Выбитые электроны могут быть поглощены тем же самым, или другим, положительным ионом или нейтральной молекулой газа. Если электрон поглощается нейтральной молекулой, то появляется отрицательно заряженный ион.
Процессы появления отрицательно и положительно заряженных ионов называются ионизацией. Вместе с ионизацией в газе проходят и процессы рекомбинации - превращение пары ионов разного знака в нейтральные молекулы.
Вероятность встречи двух ионов разного знака пропорциональна числу как положительных, так и отрицательных ионов. А в равновесном состоянии число возникающих ионов равно количеству рекомбинировавших. Таким образом можно получить число пар ионов (концентрацию) n в равновесном состоянии в единице объема. Коэффициент пропорциональности мы сегодня рассматривать не будем.
Если на электроды подать напряжение, то убыль пар ионов будет обуславливаться не только процессами рекомбинации, но и их удалением (высасыванием) полем электродов. Именно поле и создает движение ионов, то есть, в цепи протекает электрический ток. Сила тока будет пропорциональна заряду ионов e', количеству высасываемых ионов, площади электродов S, расстоянию между электродами l. Что и показывает последняя формула на иллюстрации выше.
Наличие тока изменяет условие равновесия
Мы можем выразить плотность тока через подвижность ионов, как ранее делали для проводников и полупроводников. Это даст нам последнюю формулу, в которой включены все ранее рассмотренные процессы.
Для слабых полей несамостоятельный газовый разряд подчиняется закону Ома. Однако, в сильных полях практически все ионы достигают электродов не успевая рекомбинировать. Это явление называют насыщением.
На иллюстрации показано изменение плотности тока в зависимости от напряженности поля между электродами. Видно, что при достижении некоторого предельного значения плотности тока насыщения увеличение напряженности перестает оказывать влияние. Просто процессы ионизации не могут обеспечить большего количества ионов. А закон Ома перестает соблюдаться.
Специально для тех, кто опять увидит крамолу и ересь в несоблюдении закона Ома, я предлагаю почитать
И.В. Савельев. Курс общей физики. Том 2.Электричество и магнетизм, волны, оптика. Издательство Наука, главная редакция физико-математической литературы, 1982 год.
Показанный на иллюстрации пунктиром участок после насыщения мы сейчас тоже рассмотрим.
Предположим, что в область между электродами влетела заряженная частица, которая создала N0 пар ионов. Эти ионы под действием электрического поля попадают на электроды, что приводит к протеканию через гальванометр некоторого заряда q.
Можно выделить несколько основных областей. В области I не все возникшие пары ионов образуют электрический ток, некоторые успевают рекомбинировать. При этом в конце области I происходит плавный переход от практически линейной зависимости к насыщению.
Область II называется областью насыщения. Теперь все возникшие ионы достигают электродов не успев рекомбинировать И протекающий заряд (импульс тока) не зависит от напряжения.
А вот в области III выбитые заряженной частицей электроны не только поглощаются нейтральными молекулами образуя отрицательные ионы, но их энергии хватает и для того, что бы ионизировать нейтральные молекулы ударом, в свою очередь выбив их нее электроны. Этот процесс называется ударной ионизацией. Количество электронов и положительных ионов нарастает лавинообразно. Теперь на каждый электрод попадает не N0, а A*N0 ионов.
Коэффициент А называется коэффициентом газового усиления. В области III коэффициент газового усиления не зависит от количества первичных ионов. А сама область называется областью пропорциональности. Напряжение Up называется порогом пропорциональности.
В области IV, которую называют областью частичной пропорциональности, коэффициент газового усиления уже начинает все сильнее зависеть от начального количества ионов.
Область V называется областью Гейгера, а Ug порогом Гейгера. В этой области возникший несамостоятельный разряд приобретает черты самостоятельного. В этой области работают широко известные счетчики Гейгера-Мюллера. Первичные ионы теперь создают лишь толчок для возникновения разряда, а сам разряд не зависит от их количества.
Наконец, в области VI напряжение становится достаточным для возникновения самостоятельного разряда. Эта область называется областью непрерывного разряда.
Процессы появления носителей заряда в самостоятельном разряде
В достаточно сильном электрическом поле проводимость газа может скачкообразно возрасти. Говорят, что возникает пробой. Соответствующее напряжение между электродами, при котором возникает пробой, называется напряжением пробоя или напряжением зажигания.
При самостоятельном разряде носители заряда создаются процессами обусловленными электрическим полем. Теперь ионизация поддерживается процессами в самом разряде.
Ударная ионизация
Вызывается столкновениями электронов и ионов с молекулами газа. Эти столкновения могут быть упругими и неупругими. При этом энергия молекулы, так же, как и атома, может принимать лишь определенные дискретные значения.
Если мы сообщим молекуле достаточную энергию, то это вызовет ее ионизацию, она перейдет в возбужденное состояние. Однако, на очень малый промежуток времени. После чего она вернется в основное состояние испустив фотон. Причем у молекулы могут быть и метастабильные возбужденные состояния в которых она может находиться более долго. Но итог все равно будет один.
При соударении должны выполняться законы сохранения энергии и импульса. Если при соударении молекуле не может быть передана достаточная для ее возбуждения энергия удар будет упругим. Если же молекула перейдет в возбужденное состояние удар быт неупругим.
Электрон при ударе о молекулу передает ей лишь малую долю своей энергии и отскакивает от нее. Если ионизации не возникает. Если же молекула переходит в возбужденное состояние, суммарная кинетическая энергия после удара не сохраняется, так как часть энергии затрачивается на ионизацию.
Соударения, при которых возникает возбуждение или ионизация, называют неупругими столкновениями первого рода. Однако, в столкновении может участвовать и молекула уже находящаяся в возбужденном состоянии. При этом она вернется в основное состояние не испустив фотон, а передав энергию другой частице. Такие соударения называют неупругими столкновениями второго рода.
Столкновения второго рода могут привести к ситуации, когда суммарная кинетическая энергия после удара будет больше, чем до удара (часть внутренней энергии перейдет в кинетическую).
Но даже достаточная энергия ударяющей частицы не обязательно приведет к возбуждению или ионизации молекулы, так как существуют определенные вероятности этих процессов. В частности, на процесс влияет и скорость электрона, так как от нее зависит время взаимодействия с молекулой, вблизи которой он пролетает.
Испускание электронов электродами
Источником электронов могут быть и сами электроды. Различают три основных вида электронной эмиссии. Термоэлектронная эмиссия - испускание электронов нагретым электродом. Вторичная электронная эмиссия - испускание электронов в результате бомбардировки поверхности электрода электронами или ионами. Автоэлектронная эмиссия - испускание электронов в следствии очень большой напряженности электрического поля вблизи электрода.
Фотоионизация
Молекула может поглотить фотон, энергия которого пойдет на увеличение энергии молекулы. Причем фотон на обязательно должен прилететь откуда то извне. Ведь фотоны излучаются и самими молекулами газа при возврате в основное состояние. И энергия этих фотонов может оказаться достаточной для фотоионизации.
Плазма газового разряда
Степень ионизации при самостоятельном разряде может быть очень высокой. Сильно ионизированный газ, при условии, что суммарный заряд электронов и ионов в каждом элементарном объеме равен нулю (электронейтральность), называется плазмой. Возникающая при газовом разряде плазма называется газоразрядной.
Что бы плазма находилась в стационарном состоянии, необходимо наличие процессов восполняющих убыль ионов в результате рекомбинации. В газоразрядной плазме это обеспечивается в основном за счет ударной ионизации, которую мы кратко рассмотрели ранее.
Масса ионов значительно превышает массу электронов. Поэтому подвижность ионов значительно ниже подвижности электронов. Таким образом, можно считать, что ионы неподвижны, а протекание тока в плазме обеспечивается именно электронами. Не смотря на то, что основополагающее значение имеют именно процессы ионизации.
Точно так же, как мы ранее видели в проводниках, в газоразрядной плазме электроны участвуют и в тепловом (хаотическом движении) со скоростью v, и в направленном движении со скоростью u, вызванном действием электрического поля.
При этом поле не только обуславливает направленное движение электронов, но и увеличивает скорость их теплового движения. Так как оно увеличивает энергию электронов в целом. И часть этой энергии передается молекуле при столкновении с ней.
На иллюстрации серым цветом показаны два иона (возбужденные молекулы) между которыми движется электрон. Его траектория движения не будет линейной, так как на движение оказывает влияние поле напряженностью Е. Проходимый электроном путь λ. Перемещая электрон поле совершает над ним работу, которая может быть выражена через скорости теплового и направленного движения и среднюю продолжительность свободного пробега электрона или проходимый им путь.
В достаточно разряженном газе, когда λ большое, и при достаточно большой напряженности поля Е, Работа поля может превзойти энергию передаваемую в среднем молекуле при столкновении. А значит, энергия хаотического движения будет расти. И в конце концов станет достаточной для возбуждения или ионизации молекулы.
С этого момента некоторые столкновения перестают быть упругими и сопровождаются большой потерей энергии на возбуждение и ионизацию. Средняя доля передаваемой при столкновениях энергии δ возрастает.
Энергию необходимую для ионизации электроны получают не за один пробег, а накапливают ее постепенно, за несколько пробегов. А ионизация приводит к возникновению большого числа электронов и положительных ионов.
Энергия электронов плазмы определяется условием, что среднее значение работы, совершаемой полем над электроном за один свободный пробег, равно среднему значению энергии, отдаваемой электроном при соударении с молекулой. Именно это и отражает последняя формула.
Для электронов в плазме имеет место максвелловское распределение по скоростям. А средняя скорость теплового движения во много раз больше скорости соответствующей температуре газа. Это было выяснено экспериментально. Таким образом, в газоразрядной плазме отсутствует термодинамическое равновесие между электронами и молекулами.
Концентрация носителей заряда в плазме очень высока. Поэтому плазма обладает хорошей проводимостью.
Вольт-Амперная характеристика самостоятельного газового разряда
Выше мы рассматривали участок характеристики несамостоятельного газового разряда. Давайте теперь посмотрим на ВАХ газового разряда в целом.
Вы, без сомнения, много раз видели и эту схему экспериментальной установки, и ВАХ газового разряда. Тем не менее, иногда упускают из виду, что существенное влияние оказывает и давление газа. Давайте сначала посмотрим на разряд при низком давлении газа.
В данном случае я не стал показывать начальный участок ВАХ, так как ток на этом участке очень мал. Кривая между точками 1 и 2 соответствует участку газового усиления (участок III на кривой для несамостоятельного разряда).
В точке 2 возникает пробой и начинается самостоятельный разряд. Между точками 2 и 3 располагается участок темного таунсендовского разряда. Видимого свечения при этом разряде практически нет.
В точке 3 степень ионизации газа начинает нарастать лавинообразно, что приводит к резкому падению напряжения между электродами. Между точками 3 и 4 располагается участок поднормального тлеющего разряда. Лавинные процессы ионизации исследовали отдельно. Есть несколько теоретических моделей этих процессов. Есть и фотографии возникновения лавинных процессов, например
Ссылку на эту книгу (учебное пособие) я дам в конце статьи.
Обратите внимание, что дифференциальное сопротивление области разряда между точками 3 и 4 отрицательное. Характеристику в этой области нельзя снять "по точкам". Ее можно увидеть на экране осциллографа или характериографа. Именно в этой области и начинается видимое свечение газоразрядной плазмы. Свечение обуславливается рекомбинацией.
Между точками 4 и 5 располагается область нормального тлеющего разряда. На этом участке возрастание тока практически не приводит к росту напряжения между электродами. Плотность тока в нормальном тлеющем разряде практически неизменна, а рост тока через разряд обуславливается увеличением площади катодного пятна (области катода участвующей в разряде).
Между точками 5 и 6 располагается область аномального тлеющего разряда. Теперь площадь катодного пятна максимальна, а ток через разряд может расти только за счет повышения ионизации.
В точке 6 начинает увеличиваться эмиссия электронов из катода (термоэлектронная, автоэлектронная). Участок между точками 6 и 7 является переходным между тлеющим и дуговым разрядом. Дифференциальное сопротивления разряда на этом участке тоже отрицательное. И этот участок точно так же нельзя снять "по точками".
В точке 7 разряд уже является дуговым. Плотность тока в дуговом разряде очень велика, а температура в канале дуги достигает нескольких тысяч градусов. Это приводит к тому, что в процесса ударной ионизации начинают участвовать даже нейтральные молекулы.
При высоком давлении газа (атмосферное и выше) можно наблюдать коронный разряд. Если поле в разрядном промежутке не является равномерном, например, электрод имеет острие, возникает свечение газа в областях, где напряженность поля максимальна. Вне этих областей свечение газа отсутствует.
Кроме этого, при высоком давлении газа отсутствует тлеющий разряд, сразу возникает искровой и дуговой.
Тлеющий разряд
Тлеющий разряд возникает при низком давлении газа. Основные процессы, необходимые для поддержания разряда, происходят в его катодной части.
Первый процесс - ударная ионизация электронами молекул газа. Второй - вторичная эмиссия из катода под воздействием его бомбардировки положительными ионами. Выбитые из катода электроны ускоряются электрическим полем и приобретя достаточную энергию начинают возбуждать молекулы газа вблизи катода.
При таунсендовском разряде поле практически однородно во всей длине разрядного промежутка. Однако, при возникновении тлеющего разряда однородность поля нарушается. У катода формируется область положительного объемного заряда за счет ионного тока. Остальная часть разрядного промежутка при этом находится в состоянии с высокой электропроводностью. Поэтому почти все приложенное поле сосредоточено у катода, в области объемного заряда.
Именно на этом участке падает почти все приложенное к разряду напряжение (катодное падение потенциала). Этим и реализуются условия для самоподдержания разряда при меньших напряжениях, чем при равномерном поле во всем промежутке.
Я не буду рассматривать все участки тлеющего разряда, структуру разряда. В рамках данной статьи структура разряда не важна. Общие характеристики тлеющего разряда делают его применимым для различных целей. Так катодное свечение (катодная светящаяся пленка) позволяет изготавливать устройства индикации (газоразрядные символьные индикаторы известны всем). Участок отрицательного дифференциального сопротивления позволяет строить релаксационные генераторы. Кроме того, это же используется в работе декатронов (не само отрицательное сопротивление, а связанные с ним процессы ионизации). Участок нормального тлеющего разряда используется в газоразрядных стабилитронах.
Дуговой разряд
При дуговом разряде плотность тока очень велика, а температура в области разряда очень высока. Дуговой разряд может возникать как при низком, так и при высоком давлении газа.
Дуговой разряд используется в осветительных приборах (электродуговые фонари, мощные газоразрядные лампы), для сварки металлов. Но кроме того, существуют и электронные приборы, например, тиратроны дугового разряда. И дуговые выпрямители - игнитроны.
Коронный разряд
По большей части вредное явление. Но находит и практическое применение, например, в очистителях воздуха или копировальной технике.
Кроме того, существовали и гораздо более экзотические приборы использующие коронный разряд - ионофоны. В этих приборах разряд использовался как источник звука.
Искровой разряд
Электрический пробой газа, при котором плотность тока достигает больших значений, но сам разряд является кратковременным. Наиболее известным примером искрового разряда является обычная молния.
Искровой разряд является сложным явлением, которое включает в себя много разных процессов. Я не будут останавливаться на описании искрового разряда, это не является темой статьи. Но скажу, что возникновению разряда предшествует появление сильно ионизированного канала, который называется стримером. Этот канала может образовываться по разным причинам. В том числе, предшествующим кратковременным искровым разрядом с малой плотностью тока - лидером. И уже за лидером следует собственно основной разряд.
Заключение
Проводимость газов при разряде не менее сложна, чем проводимость металлов и полупроводников. В газоразрядной плазме, как и в металлах. движение электронов, является суперпозицией теплового и направленного движения. Но отсутствует кристаллическая решетка. Это вносит свои коррективы в процессы протекания тока.
Я обещал дать ссылку на книгу (учебное пособие)
