Самостоятельный разряд в газах

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ РАЗРЯДЫ В ВОЗДУХЕ

Самостоятельный разряд в газах.

Электрический разряд в газе представляет прохождение электрического тока через газовую среду под действием электрического поля.

Причиной возникновения электрического разряда в газе является ударная ионизация, которая возникает под действием электронов, ускоряемых электрическим полем.

Газы можно разделить на электроположительные и электроотрицательные.

Электроотрицательные газы, атомарные или молекулярные, способны захватывать свободные электроны и превращаться в отрицательные ионы. Устойчивость таких ионов зависит от энергии сродства,  W_с, которая равна выделяющейся в виде кванта при захвате электрона атомом или молекулой. Электроотрицательными газами являются галогены, хлор, кислород, водород , пары воды

Если W_с  газа отрицательна, захват электрона и образование отрицательного иона невозможно. Такой газ называется электроположительным. Электроположительные газы - азот, инертные газы.

Воздух содержит газы обоих типов.

В электроположительных газах интенсивность процесса ударной ионизации характеризуется коэффициентом ударной ионизации , который определяет число актов ионизации, возникающих под действием электрона на пути в 1 см вдоль силовой линии электрического поля.

Рекомендуемые материалы

В электроотрицательных газах помимо увеличения числа электронов при ударной ионизации происходит также потеря электронов за счет их прилипания к нейтральным атомам и молекулам с образованием отрицательных ионов. Этот процесс характеризуется коэффициентом прилипания , который определяет долю прилипших электронов к нейтральным атомам на пути в 1 см вдоль силовой линии электрического поля. Поэтому в электроотрицательных газах интенсивность процесса увеличения числа электронов определяется эффективным коэффициентом ударной ионизации

Коэффициент   зависит от напряженности электрического поля Е и плотности газа:

                                                                  (1)

В неоднородном поле (Е ¹ const) интенсивность ударной ионизации в различных точках промежутка неодинакова.

Для развития разряда в газе необходим начальный свободный электрон (), который в газовом промежутке появляется за счет внешнего ионизатора (Солнечный ультрафиолет, космические лучи, естественная радиация и т. д.), либо при развале отрицательных ионов электроотрицательного газа в промежутке. Ускоряясь в поле,  электрон в результате соударения ионизирует встречный атом, при этом образуется два электрона, которые в свою очередь создают по два каждый, т.е. четыре, и т.д. Этот  увеличивающийся поток электронов называется лавиной и определяется соотношением:

                                                                         (2)

x_o - координата появления начального электрона

x - x _o  - путь роста лавины в направлении электрического поля.

В процессе развития лавины образуются положительные ионы числом  и фотоны, возникновение которых связано с тем, что электроны лавины помимо ионизации возбуждают молекулы газа, которые, переходя в нормальное состояние, излучают фотоны.

Положительные ионы в электрическом поле двигаются к отрицательному катоду и бомбардируют его. Положительные ионы и фотоны, бомбардируя катод, выбивают из него новые электроны, которые называются вторичными ,  поскольку они возникают  в результате вторичных процессов, связанных с развитием первичной лавины.

Общее число вторичных электронов  пропорционально  , т.е.

                                                                             (3)

где - коэффициент вторичной ионизации.

Рассмотрим подробнее процесс вторичной ионизации.

1. Положительные ионы, появляющиеся при лавинной ионизации, в связи с их большой массой и инерционностью медленно разгоняются в электрическом поле и практически не ионизируют молекулы газа при соударениях. Ион при неупругом соударении передает только половину энергии, поэтому для ионизации он должен иметь энергию, вдвое большую энергии ионизации.Частота таких ионизаций на 10⁵ меньше, чем у электронной ионизации.

2. При бомбардировке катода положительными ионами из него могут выбиваться , если энергия иона больше работы выхода :   которая существенно меньше .

3. Часть   лавины, не обладающие достаточной энергией, при соударении с молекулами газа их только возбуждают. Такая молекула при переходе в нормальное состояние испускает фотон. Если энергия фотона больше :

                                                  ,                                      (4)

то при поглощении фотона атомом тот испускает , т.е. происходит акт фотоионизации.

Понятно, что в однородном газе , поэтому фотоионизация успешна только в смеси газов, в которых присутствуют молекулы, удовлетворяющие условию (4). В воздухе, являющемся смесью газов, такое явление имеет место.

4. В электрических полях фотоны могут также выбивать вторичные  из электродов, если 

.

                     И так, причинами вторичной ионизации, обеспечивающей самостоятельный разряд, являются:

            - соударения ионов с атомами;

            - бомбардировка катода ионами;

            - фотоионизация в объеме;

Вам также может быть полезна лекция "49 Сумеречное расстройство сознания".

            - фотоионизация на электродах.

С увеличением напряженности электрического поля между электродами в газовом промежутке процесс вторичной ионизации становится самоподдерживающимся, условием чего должно быть:

                      , или                          (5)

 где L - длина промежутка между электродами.

В этом случае разряд становится самостоятельным  и может существовать без внешнего ионизатора.

Из уравнений (1) - (5), можно найти напряжение между электродами, при котором выполняется условие самостоятельного разряда. Это напряжение есть интеграл электрического поля вдоль любой силовой линии, в том числе и той, по которой развивается лавина электронов. Это напряжение  называется начальным.