Физические процессы в области тлеющего разряда

Молекулы газов при обычных условиях нейтральны, поэтому газы являются диэлектриками. Газ становится проводником при ионизации части его молекул. Ионизация - потеря молекулой или атомом одного или нескольких электронов - может происходить при нагревании газа, при внесении его в сильное электромагнитное поле, при воздействии рентгеновских, ультрафиолетовых лучей, радиоактивных излучений. Нейтральная молекула, потерявшая один или несколько электронов, превращается в положительно заряженный ион. Часть свободных электронов захватывается нейтральными атомами и молекулами, при этом образуются отрицательные ионы. Следовательно, ионы возникают парами.

Так как нейтральные атомы и молекулы представляют собой устойчивые образования, то для ионизации их необходимо затратить определенную энергию. Минимальная энергия, которую нужно затратить для ионизации атома или молекулы, называется энергией ионизации . Она зависит от химической природы вещества и энергетического состояния электрона, удаляемого из атома или молекулы.

Если молекула получает энергию, меньшую энергии ионизации, она переходит в возбужденное состояние. Спустя время порядка она возвращается в основное состояние, а избыточная энергия излучается в виде кванта света.

Одновременно с ионизацией в газах происходит обратный процесс - рекомбинация ионов с образованием нейтральных молекул. Исчезновение ионов при рекомбинации также происходит парами. Энергия, затраченная на ионизацию молекул, при рекомбинации ионов выделяется обычно в виде квантов излучения.

Ионы и свободные электроны делают газ проводником электричества. Если в ионизированном газе создать электрическое поле, то возникнет упорядоченное движение ионов и электронов - электрический ток. Процесс прохождения электрического тока в газе называется газовым разрядом . Различают два вида газовых разрядов: несамостоятельный и самостоятельный .

Если электрический ток в газе обусловлен действием внешнего ионизатора и исчезает после прекращения действия ионизатора, то такой разряд называется несамостоятельным .

Несамостоятельный газовый разряд протекает при слабой ионизации газа. Для него характерна малая плотность тока и отсутствие световых и звуковых эффектов. Поэтому несамостоятельный разряд называется также тихим разрядом . Используется он в ионизационных камерах и счетчиках элементарных частиц.

Рассмотрим физические процессы, имеющие место при несамостоятельном газовом разряде между параллельными электродами (рис. 60.1). Предположим, что за каждую секунду в единице объ-ема образуется пар ионов. В это же время в единице объема рекомбинируют пар ионов. Кроме того, за единицу времени из единицы объема к электродам уходят пар ионов.

Нарастание концентрации ионов сопровождается усилением рекомбинации. В результате наступает состояние равновесия:

Рассмотрим предельные случаи.

1. Если напряжение между электродами мало, то электрическое поле слабое () и соответственно будет мала плотность тока ( , ). В этом случае и . Тогда, используя формулы (55.3) и (55.9), находим:

где - заряд ионов, n - их концентрация, , - подвижности ионов.

Таким образом, при малых значениях напряженности электрического поля несамостоятельный газовый разряд подчиняется закону Ома: плотность тока прямо пропорциональна напряженности.

С увеличением напряженности поля между электродами ионы уходят к электродам, не успевая рекомбинировать (). Поэтому

Если площадь электродов S , а расстояние между ними l , то каждую секунду электродов достигает пар ионов. Они создают ток, сила которого равна

. (60.3)

Объединяя формулы (53.4) и (60.3), рассчитаем плотность тока

Следовательно, при больших значениях напряженности поля между электродами плотность тока не зависит от напряженности. Это означает, что формула (60.4) определяет плотность тока насыщения.

При некотором достаточно большом значении напряженности наблюдается резкое возрастание плотности тока. Это объясняется тем, что свободные электроны, образующиеся при ионизации газа внешним источником, за время свободного пробега успевают приобрести энергию, достаточную для ионизации молекул при столкновении с ними. Такая ионизация называется ударной. В результате ионизации образуются вторичные электроны, которые тоже ускоряются электрическим полем и в свою очередь ионизируют новые молекулы газа. В газе возникают электронные лавины, его проводимость возрастает. Однако и в этом случае при прекращении действия внешнего ионизатора разряд продолжается лишь до тех пор, пока полученные при ионизации электроны достигнут анода, т. е. и при этих условиях разряд носит характер несамостоятельного.

Газовый разряд – процесс прохождения тока через газ. Газовый разряд происходит под действием ионизатора. Но и без него он тоже может происходить.

Существует два типа разрядов: самостоятельный и несамостоятельный . Рассмотрим следующий прибор.

Стеклянная трубка с катодом и анодом.

Несамостоятельный разряд

С помощью некоторого ионизатора в газе в каждую единицу времени образуется определенное число заряженных частиц: положительных ионов и электронов. При небольшой разности потенциалов между электродами, в трубке возникнет электрический ток.

Положительно заряженные ионы начнут двигаться к положительно заряженному электрону, а отрицательно заряженные ионы и электроны – к положительно заряженному электроду. Так как возникает электрический ток, следовательно, возникает и газовый разряд.

Мы уже знаем, что не все ионы будут достигать электродов, некоторые из них будут рекомбинироваться, то есть образовывать в результате соединения нейтральные молекулы. Чем сильнее будет разность потенциалов, тем большее количество ионов будет достигать электродов, и тем меньшее количество ионов будут рекомбинироваться.

При этом будет возрастать сила тока в цепи. С течение времени наступит момент насыщения, когда все появляющиеся ионы будут достигать электродов. Дальнейший рост силы тока становится невозможным.

Если в этом опыте прекратить в любой момент действие ионизатора, то ток тоже прекратится, так как он зависит от ионизатора. По этой причине данный вид разряда называют несамостоятельным разрядом.

Самостоятельный разряд

Попробуем теперь продолжать увеличивать напряжение. По идее сила тока не должна увеличиваться. Но в газах в таком случае, начиная с некоторого момента, сила тока снова увеличится.

Следовательно, в газе появились какие-то новые проводники тока, которые образуются помимо тех, что появляются под действием ионизатора. Увеличение силы тока может быть очень большим, а число ионов, которые будут возникать в процессе разряда, может стать таким большим, что действие внешнего ионизатора больше не потребуется.

В этом случае, если убрать внешний ионизатор, то заряд не прекратится, так как он больше не будет зависеть от ионизатора. Такой разряд называют самостоятельным газовым разрядом.

Процесс прохождения электрического тока через газ называется газовым разрядом. Если электропроводность газа создается внешними ионизаторами, то электрический ток, возникающий в нем, называется несамостоятельным газовым разрядом. С прекращением действия внешних ионизаторов несамостоятельный разряд прекращается. Несамостоятельный газовый разряд не сопровождается свечением газа.

Ниже изображен график зависимости силы тока от напряжения при несамостоятельном разряде в газе. Для построения графика использовалась стеклянная трубка с двумя впаянными в стекло металлическими электродами.

При некотором определенном напряжении наступает такой момент, при котором все заряженные частицы, образующиеся в газе ионизатором за секунду, достигают за это же время электродов. Дальнейшее увеличение напряжения уже не может привести к увеличению числа переносимых ионов. Ток достигает насыщения.

Самостоятельный газовый разряд

Электрический разряд в газе, сохраняющийся после прекращения действия внешнего ионизатора, называется самостоятельным газовым разрядом . Для его осуществления необходимо, чтобы в результате самого разряда в газе непрерывно образовывались свободные заряды. Основным источником их возникновения является ударная ионизация молекул газа.

Если после достижения насыщения продолжать увеличивать разность потенциалов между электродами, то сила тока при достаточно большом напряжении станет резко возрастать (график 2).

Это означает, что в газе появляются дополнительные ионы, которые образуются за счет действия ионизатора. Сила тока может возрасти в сотни и тысячи раз, а число заряженных частиц, возникающих в процессе разряда, может стать таким большим, что внешний ионизатор будет уже не нужен для поддержания разряда. Поэтому ионизатор теперь можно убрать.

Каковы же причины резкого увеличения силы тока при больших напряжениях? Рассмотрим какую либо пару заряженных частиц (положительный ион и электрон), образовавшуюся благодаря действию внешнего ионизатора. Появившийся таким образом свободный электрон начинает двигаться к положительному электроду - аноду, а положительный ион - к катоду. На своем пути электрон встречает ионы и нейтральные атомы. В промежутках между двумя последовательными столкновениями энергия электрона увеличивается за счет работы сил электрического поля.

Чем больше разность потенциалов между электродами, тем больше напряженность электрического поля. Кинетическая энергия электрона перед очередным столкновением пропорциональна напряженности поля и длине свободного пробега электрона: MV 2 /2=eEl. Если кинетическая энергия электрона превосходит работу A i , которую нужно совершить, чтобы ионизировать нейтральный атом (или молекулу), т.е. MV 2 >A i , то при столкновении электрона с атомом (или молекулой) происходит его ионизация. В результате вместо одного электрона возникают два (налетающий на атом и вырванный из атома). Они, в свою очередь, получают энергию в поле и ионизуют встречные атомы и т.д.. Вследствие этого число заряженных частиц быстро нарастает, возникает электронная лавина. Описанный процесс называют ионизацией электронным ударом.

Но одна ионизация электронным ударом не может обеспечить поддержания самостоятельного заряда. Действительно, ведь все возникающие таким образом электроны движутся по направлению к аноду и по достижении анода «выбывают из игры». Для поддержания разряда необходима эмиссия электронов с катода («эмиссия» означает «испускание»). Эмиссия электрона может быть обусловлена несколькими причинами.

Положительные ионы, образовавшиеся при столкновении электронов с нейтральными атомами, при своем движении к катоду приобретают под действием поля большую кинетическую энергию. При ударах таких быстрых ионов о катод с поверхности катода выбиваются электроны.

Кроме того, катод может испускать электроны при нагревании до большой температуры. Этот процесс называется термоэлектронной эмиссией. Его можно рассматривать как испарение электронов из металла. Во многих твердых веществах термоэлектронная эмиссия происходит при температурах, при которых испарение самого вещества еще мало. Такие вещества и используются для изготовления катодов.

При самостоятельном разряде нагрев катода может происходить за счет бомбардировки его положительными ионами. Если энергия ионов не слишком велика, то выбивания электронов с катода не происходит и электроны испускаются вследствие термоэлектронной эмиссии.

>>Физика: Несамостоятельный и самостоятельный разряды

Разряд в газе может происходить и без внешнего ионизатора. Разряд способен поддерживать сам себя. Почему это возможно?
. Для исследования разряда в газе при различных давлениях удобно использовать стеклянную трубку с двумя электродами (рис.16.31 ).

Пусть с помощью какого-либо ионизатора в газе образуется в секунду определенное число пар заряженных частиц: положительных ионов и электронов .
При небольшой разности потенциалов между электродами трубки положительно заряженные ионы перемещаются к отрицательному электроду, а электроны и отрицательно заряженные ионы - к положительному электроду. В результате в трубке возникает электрический ток , т. е. происходит газовый разряд .
Не все образующиеся ионы достигают электродов; часть их воссоединяется с электронами, образуя нейтральные молекулы газа. По мере увеличения разности потенциалов между электродами трубки доля заряженных частиц, достигающих электродов, увеличивается. Возрастает и сила тока в цепи. Наконец, наступает момент, при котором все заряженные частицы, образующиеся в газе за секунду, достигают за это время электродов. При этом дальнейшего роста силы тока не происходит (рис.16.32 ). Ток, как говорят, достигает насыщения . Если действие ионизатора прекратить, то прекратится и разряд, так как других источников ионов нет. По этой причине такой разряд называют несамостоятельным разрядом.

Самостоятельный разряд. Что будет происходить с разрядом в газе, если продолжать увеличивать разность потенциалов на электродах?

Казалось бы, сила тока и при дальнейшем увеличении разности потенциалов должна оставаться неизменной. Однако опыт показывает, что в газах при увеличении разности потенциалов между электродами, начиная с некоторого ее значения, сила тока снова возрастает (рис.16.33 ). Это означает, что в газе появляются дополнительные ионы сверх тех, которые образуются за счет действия ионизатора. Сила тока может возрасти в сотни и тысячи раз, а число ионов, возникающих в процессе разряда, может стать таким большим, что внешний ионизатор будет уже не нужен для поддержания разряда. Если убрать внешний ионизатор, то разряд не прекратится. Так как разряд в этом случае не нуждается для своего поддержания во внешнем ионизаторе, его называют самостоятельным разрядом .

Ионизация электронным ударом. Каковы же причины резкого увеличения силы тока в газе при больших напряжениях?

Рассмотрим какую-либо пару заряженных частиц (положительный ион и электрон), образовавшуюся благодаря действию внешнего ионизатора. Появившийся таким образом свободный электрон начинает двигаться к положительному электроду - аноду, а положительный ион - к катоду. На своем пути электрон встречает ионы и нейтральные атомы. В промежутках между двумя последовательными столкновениями кинетическая энергия электрона увеличивается за счет работы сил электрического поля. Чем больше разность потенциалов между электродами, тем больше напряженность электрического поля.

Кинетическая энергия электрона перед очередным столкновением пропорциональна напряженности поля и длине l свободного пробега электрона (пути между двумя последовательными столкновениями):

Если кинетическая энергия электрона превосходит работу A i , которую нужно совершить, чтобы ионизовать нейтральный атом, т. е.

то при столкновении электрона с атомом происходит ионизация (рис.16.34 ). В результате вместо одного свободного электрона образуются два (налетающий на атом и вырванный из атома). Эти электроны, в свою очередь, получают энергию в поле и ионизуют встречные атомы и т. д. Число заряженных частиц резко возрастает, возникает электронная лавина. Описанный процесс называют ионизацией электронным ударом . Но одна ионизация электронным ударом не может обеспечить длительный самостоятельный разряд. Действительно, ведь все возникающие таким образом электроны движутся по направлению к аноду и по достижении анода «выбывают из игры». Для существования разряда необходима эмиссия электронов с катода (эмиссия означает «испускание»). Эмиссия электронов может быть обусловлена несколькими причинами. Положительные ионы, образовавшиеся при столкновении свободных электронов с нейтральными атомами, при своем движении к катоду приобретают под действием поля большую кинетическую энергию . При ударах таких быстрых ионов о катод с поверхности последнего выбиваются электроны.

Кроме того, катод может испускать электроны при нагревании его до высокой температуры. При самостоятельном разряде нагрев катода может происходить за счет бомбардировки его положительными ионами, что происходит, например, при дуговом разряде.
В газах при больших напряженностях электрических полей электроны достигают таких больших энергий, что начинается ионизация электронным ударом. Разряд становится самостоятельным и продолжается без внешнего ионизатора.
В разреженном газе самостоятельный разряд возникает при сравнительно небольших напряжениях. Благодаря малому давлению длина пробега электрона между двумя ударами велика, и он может приобрести энергию, достаточную для ионизации атомов. При таком разряде газ светится, цвет свечения зависит от рода газа. Свечение, возникающее при тлеющем разряде, широко используется для рекламы , для освещения помещения лампами дневного света.
В газах могут происходить самостоятельный и несамостоятельный разряды. Вид разряда зависит как от давления газа, так и от подаваемого напряжения.

???
1.При каких условиях несамостоятельный разряд в газах превращается в самостоятельный?
2.Почему ионизация электронным ударом не может обеспечить существование разряда в газах?

Г.Я.Мякишев, Б.Б.Буховцев, Н.Н.Сотский, Физика 10 класс

Содержание урока

конспект урока опорный каркас презентация урока акселеративные методы интерактивные технологии

Практика

задачи и упражнения самопроверка практикумы, тренинги, кейсы, квесты домашние задания дискуссионные вопросы риторические вопросы от учеников

Иллюстрации

аудио-, видеоклипы и мультимедиа фотографии, картинки графики, таблицы, схемы юмор, анекдоты, приколы, комиксы притчи, поговорки, кроссворды, цитаты

Дополнения

рефераты статьи фишки для любознательных шпаргалки учебники основные и дополнительные словарь терминов прочие

Совершенствование учебников и уроков

исправление ошибок в учебнике обновление фрагмента в учебнике элементы новаторства на уроке замена устаревших знаний новыми

Только для учителей

идеальные уроки календарный план на год методические рекомендации программы обсуждения

Интегрированные уроки

Если у вас есть исправления или предложения к данному уроку,

В обычных условиях газ - это диэлектрик, т.е. он состоит из нейтральных атомов и молекул и не содержит свободных носителей эл.тока.
Газ-проводник - это ионизированный газ. Ионизированный газ обладает электронно-ионной проводимостью.

Ионизация газа

Это распад нейтральных атомов или молекул на положительные ионы и электроны путем отрыва электронов от атомов. Ионизация происходит при нагревании газа или воздействия излучений (УФ, рентген, радиоактивное) и объясняется распадом атомов и молекул при столкновениях на высоких скоростях.

Газовый разряд - это эл.ток в ионизированных газах.
Носителями зарядов являются положительные ионы и электроны. Газовый разряд наблюдается в газоразрядных трубках (лампах) при воздействии электрического или магнитного поля.

Рекомбинация заряженных частиц

- газ перестает быть проводником, если ионизация прекращается, это происходит в следствие рекомбинации (воссоединения противоположно заряженных частиц).

Существует самостоятельный и несамостоятельный газовый разряд.

Несамостоятельный газовый разряд
- если действие ионизатора прекратить, то прекратится и разряд.

Когда разряд достигает насыщения - график становится горизонтальным. Здесь электропроводность газа вызвана лишь действием ионизатора.

Самостоятельный газовый разряд
- в этом случае газовый разряд продолжается и после прекращения действия внешнего ионизатора за счет ионов и электронов, возникших в результате ударной ионизации (= ионизации эл. удара); возникает при увеличении разности потенциалов между электродами (возникает электронная лавина).
Несамостоятельный газовый разряд может переходить в самостоятельный газовый разряд при Ua = Uзажигания.

Тле́ющий разря́д - один из видов стационарного самостоятельногоэлектрического разряда в газах. Формируется, как правило, при низком давлении газа и малом токе. При увеличении проходящего тока превращается в дуговой разряд.

Типичным примером тлеющего разряда, знакомым большинству людей, является свечение неоновой лампы.

ХАРАКТЕРИСТИКИ

Характерной чертой тлеющего разряда является большая величина падения потенциала вблизи катода. В отличие от нестационарных (импульсных) электрических разрядов в газах, основные характеристики тлеющего разряда остаются относительно стабильными во времени.

Энергия электронов. Среднее приобретение энергии электроном в одном эффективном столкновении. Истинные изменения энергии электрона при столкновениях. Соотношение между хаотической и дрейфовой скоростями.

Один электронвольт равен энергии, необходимой для переноса элементарного заряда в электростатическом поле между точками с разницей потенциалов в 1 В.

Билет №6

Явление переноса в газах. Диффузия, вязкость, поперечное сечение. Средняя длина свободного пробега атомов (молекул). Частота столкновений. Длина свободного пробега с учетом относительного движения частиц.

Диффузия.

Для газа диффузия – это распределение молекул примеси от источника (или взаимная диффузия газа).

Диффузия происходит в направлении уменьшения концентрации вещества и ведет к его равномерному распределению по занимаемому объему

Взякость

Вя́зкость (вну́треннее тре́ние ) - одно из явлений переноса, свойство текучих тел (жидкостей и газов) оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой. В результате работа, затрачиваемая на это перемещение, рассеивается в виде тепла.

Грубо говоря – трение в газах и жидкостях.

Поперечное сечение.

Эффективное поперечное сечение - это физическая величина, характеризующая вероятность перехода системы двух взаимодействующих частиц в определённое конечное состояние.