Газовый разряд и плазма

В результате изучения данной главы студент должен: знать

• • механизмы проводимости газов, носители тока, ионизацию и рекомбинацию;
• • несамостоятельный и самостоятельный газовые разряды;
• • вид вольт-ампсрной характеристики газового разряда;
• • механизмы генерации носителей тока в разрядах;
• • основные характеристики и применение тлеющего, искрового, дугового, коронного разрядов;
• • понятие плазмы, ее характеристики, проявления в природе и применение; уметь
• • объяснять вид вольт-амперпой характеристики газового разряда;
• • решать типовые прикладные физические задачи на газовый разряд и плазму; владеть
• • навыками использования стандартных методов и моделей математического анализа применительно к газовому разряду и плазме;
• • навыками проведения физического эксперимента, а также обработки результатов эксперимента по газовому разряду и плазме.

Проводимость газов. Газовые разряды

При обычных условиях все газы являются диэлектриками и практически не проводят электрический ток. Этим объясняется, например, использование воздуха в качестве изолятора во многих приборах. Диэлектрические свойства газов обусловлены малостью концентрации носителей тока (свободных зарядов) в газе. Все же эти заряды существуют благодаря наличию — даже при невысокой температуре — небольшого количества энергичных молекул, возникших случайным образом при столкновениях и способных ионизовать другие молекулы. К тому же и частицы космических лучей, незримо присутствующие на поверхности Земли и в других местах, образуют ионы.

Однако при определенных условиях газы могут стать реальными проводниками. Например, пламя, внесенное в пространство между двумя электродами, приводит к заметной ионизации воздуха, отрыву электронов от атомов и возникновению тока. Помимо нагревания существуют другие способы превращения газа в проводник. В качестве ионизатора (причины ионизации молекул газа) можно также использовать ультрафиолетовое или рентгеновское излучение, пучок ускоренных электронов, радиоактивный источник и т. д.

При ионизации от молекул отрывается один, а иногда и несколько электронов, в результате чего молекула превращается в ион. Чтобы ионизовать атом, необходимо совершить работу по удалению электрона от иона, равную энергии ионизации W_r Энергию ионизации принято характеризовать потенциалом ионизации (р_#:

Легче всего оторвать электрон внешней оболочки атома. Так, для внешней оболочки различных атомов потенциал ионизации меняется в пределах от нескольких вольт (у атомов металлов первой группы) до почти 25 вольт (у атомов гелия).

Под действием внешнего электрического поля образовавшиеся электроны и ионы начинают двигаться, создавая электрический ток. Возникает газовый разряд, который может сопровождаться свечением и нагревом газа, а также специфичным шумом. Таким образом, газовый разряд — это прохождение электрического тока через газ, сопровождающееся совокупностью электрических, оптических, тепловых, шумовых явлений.

Электронная проводимость газов хорошо описывается вышеописанной теорией и формулой (20.14). Однако необходимо учитывать, что в газе — по сравнению с твердым телом — относительно легко могут перемещаться ионы. Во многих случаях эти ионы играют важную роль в протекании газового разряда. При этом электрический ток может переноситься несколькими носителями тока: в дополнение к электронам — несколькими видами ионов. Поэтому суммарный ток в газе равен сумме токов отдельных носителей. Аналогично имеем из формулы (20.13) для суммарной плотности тока:

Отсюда суммарная проводимость у в случае нескольких носителей тока равна сумме проводимостей отдельных носителей:

где концентрация щ заряд (Ze)_j} средняя длина пробега масса m_t, средняя скорость хаотического движения — в принципе разные у каждого носителя тока.

Существуют несамостоятельные и самостоятельные газовые разряды. В несамостоятельных разрядах проводимость газа поддерживается с помощью внешних ионизаторов, это может быть пламя, излучение, пучок ускоренных электронов, радиоактивный источник и т. д. В самостоятельных разрядах ионизация газа производится действием самого разряда — достаточно большим электрическим полем между электродами.

В разряде всегда помимо ионизации молекул происходит обратный процесс — рекомбинация. Рекомбинация — это захват ионом свободного электрона, что приводит к превращению иона в нейтральную молекулу и к уменьшению количества носителей тока. Определяющую проводимость (21.2) концентрацию носителей тока можно найти, рассмотрев баланс процессов ионизации и рекомбинации. Так, если в несамостоятельном разряде убрать ионизатор, то ионы и электроны рекомбинируют и газ почти мгновенно перестанет проводить ток.