§ 36. Электрычны ток у газах. Плазма

Прырода электрычнага току ў газах. Правядзём дослед і пераканаемся, што электрычная праводнасць газу (паветра) можа змяняцца. Два металічныя дыскі, зараджаныя рознаіменнымі зарадамі і размешчаныя на пэўнай адлегласці адзін ад аднаго, злучым з электрометрам (мал. 204). Стрэлка электрометра пры гэтым адхіліцца на некаторы вугал. Электрометр не разраджаецца, значыць, пры невялікай рознасці патэнцыялаў паміж дыскамі паветра не праводзіць электрычны ток.

Паўторым дослед, награваючы полымем (спіртоўкі, свечкі) паветраны прамежак паміж дыскамі. Электрометр разраджаецца, значыць, праз паветра праходзіць электрычны ток (мал. 205).

Выснова відавочная: у паветраным прамежку паміж дыскамі з’явіліся свабодныя носьбіты электрычнага зараду.

Калі прыбраць полымя, то электрычны ток знікне, і паветра паміж дыскамі зноў стане дыэлектрыкам.

Растлумачым вынікі разгледжанага доследу. Награванне газу полымем прыводзіць да ўзнікнення свабодных электронаў і дадатна зараджаных іонаў, гэта значыць да іанізацыі газу.

Для адрыву электрона ад атама (малекулы) неабходна энергія, мінімальнае значэнне якой называюць энергіяй іанізацыі атама (малекулы). Разам з іанізацыяй можа адбывацца далучэнне ўтвораных пры адрыве электронаў да нейтральных атамаў (малекул) газу. Гэта прыводзіць да ўтварэння адмоўна зараджаных іонаў.

Пад дзеяннем электрычнага поля ў газе ўзнікае накіраваны рух дадатна зараджаных іонаў да адмоўнага электрода (катода) і накіраваны рух электронаў і адмоўна зараджаных іонаў да дадатнага электрода (анода). У іанізаваным газе ўзнікае электрычны ток, які называюць газавым разрадам.

Такім чынам, носьбіты электрычнага зараду ў іанізаваных газах — дадатна і адмоўна зараджаныя іоны і свабодныя электроны, а праводнасць газаў з’яўляецца іонна-электроннай.

Калі ліквідаваць знешняе ўздзеянне (у дадзеным выпадку награванне полымем), электрычны ток у газе знікае. Гэта абумоўлена тым, што пры сутыкненні дадатна зараджанага іона з электронам яны ўтвараюць нейтральны атам (малекулу) газу. Іоны супрацьлеглых знакаў пры сутыкненні таксама ператвараюцца ў нейтральныя атамы (малекулы) — рэкамбінуюць. Пры рэкамбінацыі вызваляецца энергія, роўная энергіі, затрачанай на іанізацыю.

Такім чынам, каб у газе з’явіліся свабодныя носьбіты электрычнага зараду, яго атамы (малекулы) неабходна іанізаваць. Гэта можна ажыццявіць награваннем газу да высокай тэмпературы, уздзеяннем на газ ультрафіялетавым, рэнтгенаўскім, радыёактыўным выпраменьваннямі і інш.

Знешнія ўздзеянні, у выніку якіх адбываецца іанізацыя, называюць іанізатарамі. Разрад, які ўзнікае ў выніку іанізацыі газу пад уздзеяннем іанізатара, называюць несамастойным.

Аднак пры пэўных умовах газавы разрад можа існаваць і пасля спынення дзеяння іанізатара. У гэтым выпадку моцнае электрычнае поле, што існуе паміж электродамі, з’яўляецца прычынай захавання газавага разраду, які называюць самастойным.

Вольт-амперная характарыстыка газавага разраду. Для вывучэння разраду ў газе зручна выкарыстоўваць шкляную трубку з двума электродамі. Разгледзім залежнасць сілы току ў газе ад напружання, прыкладзенага да электродаў трубкі, — вольт-амперную характарыстыку газавага разраду (мал. 205.1). 

Уздзеянне знешняга іанізатара іанізуе газ у прасторы паміж электродамі. Адначасова з гэтым адбываецца і адваротны працэс — ператварэнне іонаў у нейтральныя атамы (малекулы). Пры невялікім напружанні паміж электродамі нязначная колькасць утвораных іонаў і электронаў дасягае электродаў, ствараючы электрычны ток. Большасць іонаў рэкамбінуе, не паспяваючы дасягнуць электродаў. Пры павелічэнні напружання паміж электродамі ўзрастае колькасць зараджаных часціц, якія дасягнулі электродаў, гэта значыць сіла току павялічваецца. Пры гэтым сіла току прама прапарцыянальная прыкладзенаму напружанню — выконваецца закон Ома (участак графіка АВ).

Пры далейшым павышэнні напружання прамая прапарцыянальнасць парушаецца (участак графіка ВС). Пачынаючы з некаторага значэння напружання (для пункта С) усе носьбіты электрычнага зараду, якія ўтварыліся пад уздзеяннем іанізатара, дасягаюць электродаў, не паспеўшы рэкамбініраваць. Пры гэтым сіла току захоўвае пастаяннае значэнне і не залежыць ад напружання (участак графіка СD). Электрычны ток, сіла якога не залежыць ад напружання, называюць токам насычэння.

Пры даволі высокім напружанні свабодныя электроны, паскараючыся пад уздзеяннем электрычнага поля, набываюць кінетычную энергію, дастатковую для іанізацыі атамаў (малекул) газу пры сутыкненнях з імі. Працэс адрыву ад атама (малекулы) газу аднаго або некалькіх электронаў, выкліканы сутыкненнем з гэтымі атамамі (малекуламі) свабодных электронаў, называюць іанізацыяй электронным ударам. Свабодныя электроны, якія ўзніклі ў выніку ўдарнай іанізацыі, паскараюцца электрычным полем і выклікаюць іанізацыю новых часціц. Такія свабодныя электроны з'яўляюцца другасным іанізатарам. Гэта вядзе да лавінападобнага нарастання колькасці другасных свабодных электронаў і дадатна зараджаных іонаў (мал. 205.2), а значыць, і да павелічэння сілы разраднага току. Аднак сам разрад усё яшчэ застаецца несамастойным, бо пасля спынення дзеяння знешняга іанізатара ён працягваецца толькі да таго часу, пакуль адмоўна зараджаныя іоны і ўсе электроны (першасныя і другасныя) рухаюцца да анода і дасягаюць яго, а дадатна зараджаныя іоны — катода. Несамостойнаму лавінападобнаму разраду ў газе адпавядае ўчастак графіка DЕ на малюнку 205.1.

Аднак у шэрагу выпадкаў газавы разрад можа існаваць і пасля спынення дзеяння іанізатара. У гэтым выпадку моцнае электрычнае поле, што існуе паміж электродамі з'яўляецца прычынай захавання газавага разраду, які называюць самастойным.

Самастойны разрад. Для ўзнікнення самастойнага разраду недастаткова наяўнасці аднаго толькі працэсу ўдарнай іанізацыі. Для падтрымання разраду неабходна, каб у газе пастаянна ўзнікалі носьбіты электрычнага зараду без уздзеянні знешняга іанізатара. Пры руху дадатна зараджаных іонаў да катода іх кінетычная энергія пад уздзеяннем поля павялічваецца. Калі энергія іонаў дастаткова вялікая, то пры ўдары аб катод яны могуць выбіваць з яго паверхні электроны. Гэты працэс называюць другаснай электроннай эмісіяй («эмісія» азначае «выпусканне»). Падчас бамбардзіроўкі катода дадатна зараджанымі іонамі ён награваецца. Пры высокай тэмпературы катода з яго паверхні адбываецца выпусканне электронаў. Такі працэс называюць тэрмаэлектроннай эмісіяй. У выніку гэтых працэсаў у газе ўтвараецца значная колькасць свабодных электронаў. У залежнасці ад ціску газу, яго тэмпературы і напружанасці электрычнага поля другасная электронная эмісія і тэрмаэлектронная эмісія могуць адбывацца адначасова (участак графіка ЕК на мал. 205.1). Такім чынам, пры адсутнасці знешняга іанізатара самастойны разрад будзе падтрымлівацца за кошт другаснай электроннай эмісіі і (або) тэрмаэлектроннай эмісіі з паверхні катода.

Віды самастойнага газавага разраду і іх прымяненне. У залежнасці ад напружанасці электрычнага поля, ціску газу, формы і рэчыва электродаў адрозніваюць наступныя віды самастойнага газавага разраду: тлеючы, дугавы, каронны і іскравы.

Тлеючы разрад характарызуецца невялікай сілай току (дзясяткі міліампер), адносна высокім напружаннем (дзясяткі і сотні вольт), нізкім ціскам газу (дзясятыя долі міліметра ртутнага слупка). Тлеючы разрад шырока выкарыстоўваюць у розных газасветлавых трубках (мал. 206), якія прымяняюцца для светлавой рэкламы і дэкарацый, лямпах дзённага святла (мал. 207), неонавых лямпах.

Дугавы разрад уяўляе з сябе слуп газу, які ярка свеціцца (мал. 208). Ён характарызуецца вялікай сілай току (дзясяткі і сотні ампер) і параўнальна невялікім напружаннем (некалькі дзясяткаў вольт). Дугавы разрад з’яўляецца магутнай крыніцай святла. Яго выкарыстоўваюць у асвятляльных прыборах, для зваркі і рэзкі металаў (мал. 209), электролізу расплаваў, для плаўкі сталі ў прамысловых электрапечах і інш.

Каронны разрад узнікае паблізу завостранай часткі правадніка пры атмасферным ціску пад дзеяннем вельмі неаднароднага электрычнага поля. Ён суправаджаецца слабым свячэннем, якое нагадвае карону, і характэрным патрэскваннем (мал. 210).

Каронны разрад выкарыстоўваюць у электрафільтрах для ачысткі прамысловых газаў ад цвёрдых і вадкіх прымесей. Аднак узнікненне кароннага разраду вакол высакавольтных ліній электраперадачы непажаданае, бо прыводзіць да страт электрычнай энергіі.

Цікава ведаць

Часта перад навальніцай, падчас шторму ці снежнай буры ў атмасферы рэзка ўзрастае напружанасць электрычнага поля. Гэта прыводзіць да ўзнікнення слабога свячэння вакол завостраных прадметаў, напрыклад паблізу карабельных мачтаў, шпіляў на будынках і інш. (мал. 211). Бывалыя маракі часта назіралі гэтую з’яву (каронны разрад) і далі ёй назву «агні святога Эльма». Адзін з удзельнікаў кругасветнага плавання Магелана пісаў: «Падчас тых штормаў нам шмат разоў з’яўляўся сам святы Эльм у выглядзе святла... надзвычай цёмнымі начамі на грот-мачце, дзе заставаўся на працягу дзвюх і больш гадзін, пазбаўляючы нас ад суму».

Іскравы разрад назіраюць пры высокім напружанні (мал. 212). Ён суправаджаецца яркім свячэннем газу, гукавым эфектам, які ствараецца рэзкім павышэннем ціску паветра. Прыкладам іскравога разраду ў прыродзе з’яўляецца маланка (мал. 213).

Плазма. Пры даволі высокай тэмпературы любое рэчыва выпараецца і ператвараецца ў газ. Пры далейшым павелічэнні тэмпературы ўзмацняецца тэрмічная іанізацыя. Нейтральныя малекулы газу распадаюцца на складнікі — атамы, якія потым ператвараюцца ў іоны. Акрамя таго, іанізацыя газу можа быць абумоўлена яго ўзаемадзеяннем з электрамагнітным выпраменьваннем (фотаіанізацыя) або бамбардзіроўкай газу зараджанымі часціцамі (напрыклад, іанізацыя электронным ударам).

Плазма — цалкам або часткова іанізаваны газ, у якім канцэнтрацыі дадатных і адмоўных зарадаў практычна супадаюць, гэта значыць модулі сярэдніх шчыльнасцей дадатных ρ₊ і адмоўных ρ_– зарадаў аднолькавыя: ρ₊ = |ρ₋|.

У залежнасці ад ступені іанізацыі адрозніваюць часткова іанізаваную і цалкам іанізаваную плазму. У залежнасці ад скорасці цеплавога руху зараджаных часціц плазму падзяляюць на нізкатэмпературную (< 10⁵ К) і высокатэмпературную (> 10⁶ К). Прыкладам нізкатэмпературнай плазмы з’яўляецца плазма, якая ўтвараецца пры ўсіх відах электрычнага разраду ў газах. Зоркі ўяўляюць з сябе гіганцкія згусткі высокатэмпературнай плазмы.

Плазма запаўняе касмічную прастору паміж зоркамі і галактыкамі і з’яўля ецца самым распаўсюджаным станам рэчыва ў Сусвеце (мал. 214). Канцэнтрацыя плазмы ў міжгалактычнай прасторы вельмі малая, у сярэднім адна часціца на кубічны метр. Верхні слой атмасферы Зямлі таксама ўяўляе з сябе слаба іанізаваную плазму. Прычынай іанізацыі з’яўляюцца ультрафіялетавае і рэнтгенаўскае выпраменьванне Сонца і іншых зорак, хуткія зараджаныя часціцы і інш.

Незалежна ад спосабу атрымання плазма ў цэлым з’яўляецца электрычна нейтральнай. Праводнасць плазмы ўзрастае з павелічэннем адносіны колькасці іанізаваных атамаў (малекул) да іх агульнай колькасці. Цалкам іанізаваная плазма па сваёй праводнасці набліжаецца да звышправаднікоў.

1. Якая прырода электрычнага току ў газах?

2. Як можна павялічыць электрычную праводнасць газаў?

3. Які разрад называюць несамастойным?

4. Які механізм узнікнення несамастойнага разраду ў газах?

5. Што такое іанізацыя электронным ударам? Пры якіх умовах яна адбываецца ў газах?

6. Які разрад называюць самастойным? 

7. Які механізм узнікнення самастойнага разраду ў газах?

8. Якія віды самастойнага разраду вы ведаеце? Прывядзіце прыклады іх выкарыстання.

9. Што такое плазма? Як яе можна атрымаць?