Электрический ток в газах. Виды и свойства газов. Применение

При определенных условиях перемещение заряженных частиц (электронов или ионов) может наблюдаться в любой среде, включая диэлектрики. Типичный пример такого явления – электрический ток в газах, протекающий за счет ионизации составляющих его молекул. В природе наглядным подтверждением этому служит знакомая всем молния. В данном случае в качестве газовой среды выступает окружающий нас атмосферный воздух.

Изолирующие и электрические свойства газов

Все известные в природе газы по показателю проводимости относятся к неплохим диэлектрикам. Благодаря этому многие из них и воздух, в частности, чаще всего используются на практике в качестве надежных изоляторов. Пример устройства, работающего с воздушным изолятором – обычный электрический выключатель света, устанавливаемый в цепи подачи напряжения на осветительные приборы. При размыкании его контактов образовавшийся зазор обеспечивает надежное прерывание цепочки протекания переменного тока.

При прокладке линии электропередач с рабочим напряжением в десятки киловольт отдельные провода не помещаются в специальную защитную оболочку, поскольку они и без этого изолированы один от другого воздушным промежутком.

Изолирующие свойства газовых сред объясняются следующим образом:

Структурная единица газа любого типа – отдельная молекула, состоящая из нескольких атомов с валентными электронами на внешних оболочках.
В обычном состоянии носители отрицательного заряда находятся на своих орбитах, что обеспечивает общую нейтральность атомов в составе молекулы.
При воздействии внешних факторов (при облучении фотонами, например) электроны покидают свои орбиты, образуя отрицательно и положительно заряженные частицы (ионы).

В этом случае молекула газа превращается в поляризованный диполь, на который распространяется действие любого внешнего электрического поля.

Что собой представляет ионизация и как она порождает электрический ток в газах

В нормальных условиях большинство газообразных сред обладают явно выраженными диэлектрическими свойствами, что объясняется отсутствием в их структуре свободных электронов. Для того чтобы инициировать электрический ток в газах – потребуется «насытить» их заряженными частицами (ионами молекул). Добиться этого удается путем ионизации газовой среды, осуществляемой несколькими способами, основные из которых, это:

Термическое воздействие.
Фото ионизация.
Поляризация ударного типа.

В первом случае молекулы диэлектрика расщепляются на ионы за счет их нагрева до сверхвысоких температур. Хаотичное тепловое движение молекул газа приводит к их столкновениям и выбиванию электронов со своих орбит. В результате этого эффекта в газовой смеси заряженные частицы начинают перемещаться под действием внешнего э/м поля. То есть в этой среде протекает только ионизационный ток. Для этого кинетическая энергия воздействия должна быть больше силы, удерживающей электроны на своих орбитах.

Фото ионизация представляет собой процесс, который инициируется путем воздействия на газовую смесь э/м излучения. Необходимая для появления свободных электронов энергия в этом случае передается им непосредственно от квантов светового облучения.

Ударное внутримолекулярное разделение на свободные заряды происходит в результате беспорядочного столкновения нейтральных частиц с разогнанными до высоких скоростей электронами. При протекании этих процессов в газовых средах обязательно учитывается еще одно явление, сопровождающее превращения молекул в ионы. Речь идет о рекомбинации отдельных заряженных частиц и образовании новых молекул.

Этот процесс нередко сопровождается выделением небольших порций квантов, в результате чего в газовой среде наблюдается целый ряд побочных явлений (например, свечение различной интенсивности и цвета). Для их инициации чаще всего используются внешние электромагнитные возбудители, входящие в состав большинства газоразрядных приборов.

Каждый из приведенных примеров указывает на неразрывную связь происходящих в газовых средах электрических явлений с квантовой природой свечений в видимой части спектра.

Elektricheskii tok v gazakh 2

Каким бывает электрический ток в газах

В зависимости от особенностей протекающих процессов электрический ток в газах может носить несамостоятельный и самостоятельный характер. Первая разновидность примечательна тем, что возможна только при наличии внешнего ионизатора частиц, постоянно пополняющего запас свободных носителей.

Самостоятельный разряд способен поддерживаться без внешней подкачки энергии, то есть существует даже после прекращения действия внешнего ионизатора. Этот вид разряда в свою очередь подразделяется на следующие разновидности:

Тихий разряд.
Дуговой разряд.
Тлеющий разрядный эффект.
Искровой и коронный разряды.

Первая из перечисленных разновидностей относится к категории слабых разрядов (величина тока в нем обычно не превышает 1 мА). Как правило, такой процесс сопровождается различными сопутствующими эффектами (как звуковыми, так и световыми).

Дуговой самостоятельный разряд отличается повышенной плотностью тока и сравнительно небольшим рабочим напряжением. Чаще всего эта разновидность разрядного тока наблюдается при работе сварочного оборудования. При ее реализации расстояние между электродами делается минимально возможным, обеспечивающим гарантированный пробой воздушного промежутка.

Обычно этот тип пробоя начинается с небольшого по мощности искрового разряда. В начальный момент в промежутке между электродами создаются условия для ионизации и протекания тока в режиме искры. В ситуации, когда мощности источника хватает для дальнейшего его поддержания – он превращается в устойчивую электрическую дугу.

Показатель ионизации при таком разряде нередко достигает 100%, а сила тока варьируется от 10-ти до 100 А. При давлении окружающей среды, не превышающем среднее значение, дуга нагревается до 5-6 тысяч градусов. А при более высоком значении давления ее температура увеличивается еще больше. Все это обязательно учитывается при выборе расходных материалов для дуговой сварки.

Тлеющий разряд наблюдается в ситуациях, когда при малых токах постепенно увеличивают напряжение на электродах газоразрядной лампы. Это явление обычно сопровождается ярким свечением, возникающим вследствие рекомбинации носителей.

Искровой разряд относят к одной из разновидностей дугового процесса, при котором за очень короткое время ток возрастает до огромной величины (до сотен ампер). Последний – коронный эффект – характерен для зон, расположенных около испускающих электроны электродов с небольшим радиусом кривизны. Самая распространенная причина его возникновения – резкое изменение напряженности электрического поля в месте его формирования.

В каких областях используется электрический ток в газах

Жизнь современного человека невозможна без электричества и оборудования, работающего за счет использования источников электроэнергии различного типа. Электрический ток в газах – самое убедительное подтверждение сказанному, поскольку этот эффект используется в значительном количестве современных электронных устройств и приборов.

К основным областям, где газоразрядное оборудование пользуется повышенным спросом, относят:

Коллективное (групповое или рабочее) и местное освещение.
Сварочные работы.
Металлургическая отрасль.
Электротехника и электроника.

Электрический ток в газах в виде специальных осветительных приборов помогает людям освещать свои жилища и рабочие помещения. С его непосредственным использованием связана работа множества электронных устройств, выполняющих самые различные функции. В перечень применений этого эффекта также включается его использование в электротехнике.

Приборы и устройства, работающие на принципе разряда в газах, это:

Специальные камеры для гашения дуги в высоковольтных линейных выключателях.
Мощные разрядники.
Газоразрядные радиотехнические лампы.

Например, в свое время плазменное состояние ионизированного газа широко использовалось при изготовлении телевизионных приемников.

Что такое плазма и как он связана с ионизацией

Elektricheskii tok v gazakh 3

Плазма – это частично или полностью ионизированный газ, характеризующийся равномерно распределенной по объему плотностью заряженных частиц. Определить степень их ионизации удается с помощью показателя «α», величина которого находится по следующей формуле:

α = Ni/N

Где Ni – это количество ионизированных элементов, а N – их общее число.

По уровню ионизации плазма подразделяется на две разновидности: слабую и плотную. Пример первого состояния – это ионосфера Земли, где под действием солнечного излучения в газе наблюдаются ионизационные процессы. К плотно ионизированным космическим объектам относятся звезды и Солнце.

Ионизированная плазма – это уникальное агрегатное состояние материи, отличающееся сверхвысокой проводимостью и множеством других замечательных свойств. При исследовании эффекта электрического тока в газах она считается наиболее перспективным направлением в разработке полезных для человека практических приложений.