Электрический ток в газах

Слайд 1. Электрический ток в газах

От диэлектрика к проводнику: несамостоятельный и самостоятельный разряды

Слайд 2. Почему газы не проводят ток?

В обычных условиях газы — это отличные диэлектрики. Они состоят из электрически нейтральных атомов и молекул. Чтобы в газе появился ток, в нем должны возникнуть свободные носители заряда: электроны и ионы. Этот процесс называется ионизацией. Для этого нужно внешнее воздействие, способное «выбить» электрон из атома.

Слайд 3. Ионизация и рекомбинация

Ионизаторы — внешние факторы: нагрев (пламя), ультрафиолетовое или рентгеновское излучение.

Ион — атом, потерявший или приобретший электрон.

Рекомбинация — процесс, обратный ионизации, когда ионы и электроны вновь соединяются в нейтральный атом.

Динамическое равновесие — состояние, когда число актов ионизации равно числу актов рекомбинации в секунду.

Слайд 4. Схема процесса ионизации

Слайд 5. Анализ графика ВАХ газового разряда

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) отражает три стадии процесса:

1. Линейный рост ($I\sim U$): С увеличением напряжения всё больше ионов доходит до электродов, не успев рекомбинировать.

2. Ток насыщения ($I_n$): Все ионы, создаваемые внешним ионизатором в секунду, достигают электродов. Дальнейший рост $U$ не увеличивает ток.

3. Самостоятельный разряд: Резкий скачок тока из-за ударной ионизации.

Практика: Эффект насыщения используется в счетчиках Гейгера, а стабилизация напряжения — в газовых стабилитронах.

Вопрос: Как изменится уровень плато тока насыщения, если увеличить мощность ионизатора?

Слайд 6. Несамостоятельный разряд

Это протекание электрического тока в газе, которое возможно только при непрерывном действии внешнего ионизатора. Если прекратить облучение или нагрев газа, ток быстро исчезнет из-за рекомбинации заряженных частиц. Характерной чертой такого разряда является наличие «тока насыщения».

Слайд 7. Вольт-амперная характеристика газового разряда

1. Ток насыщения $I_{\text{н}}$: состояние, когда все ионы и электроны, создаваемые ионизатором в единицу времени, достигают электродов. Дальнейший рост $U$ на этом этапе не увеличивает ток.

2. Напряжение зажигания $U_{\text{заж}}$: критическая точка, где начинается ударная ионизация (электронная лавина). Разряд становится самостоятельным, и сила тока $I$ резко возрастает.

3. Вопрос: Как изменится график, если увеличить интенсивность ионизатора? (Подсказка: уровень плато тока насыщения поднимется выше).

Слайд 8. Сравнение типов разрядов

Требует внешний источник энергии (нагрев, свет). Прекращается сразу после выключения ионизатора. При малых напряжениях соблюдается закон Ома.

Поддерживает себя сам без внешнего ионизатора. Возникает за счет ударной ионизации. Сопровождается ярким свечением и звуковыми эффектами.

Слайд 9. Ударная ионизация и лавина

Когда напряженность поля велика, электрон разгоняется до огромных скоростей. При столкновении с атомом он выбивает еще один электрон. Теперь уже два электрона летят к аноду, сталкиваются с новыми атомами и процесс нарастает лавинообразно.

Слайд 10. Виды самостоятельного разряда

При низком давлении (десятые доли мм рт. ст.). Используется в рекламе и лампах дневного света.

При атмосферном давлении и очень высоком напряжении. Пример: молния или искра в свече зажигания.

При высокой плотности тока. Сопровождается ослепительным светом. Применяется в сварке металлов.

Возникает у острых участков проводника с большим зарядом. Свечение вокруг проводов ЛЭП.

Слайд 11. Тлеющий разряд в деталях

Возникает в стеклянных трубках при откачке воздуха.

Цвет свечения определяется химическим составом газа.

Неон дает оранжево-красный свет, аргон — сине-голубой.

Применяется в квантовых генераторах (лазерах) и индикаторных панелях.

Слайд 12. Электрическая дуга

Дуговой разряд был открыт В.В. Петровым в 1802 году. Для его возникновения нужно сблизить два угольных электрода до соприкосновения и развести их. Ток течет через столб раскаленного газа. Температура в канале дуги может достигать $6000$ градусов Цельсия, что сравнимо с температурой поверхности Солнца.

Слайд 13. Сводная таблица разрядов

Слайд 14. Вопросы для самопроверки

Почему при выключении горелки ток в цепи с газом исчезает не мгновенно?

Что такое «ток насыщения» и почему он не растет с напряжением?

Какую роль играет ударная ионизация в возникновении молнии?

Почему для сварки металлов используют именно дуговой разряд?

Как можно предотвратить коронный разряд на линиях электропередач?

Слайд 15. Основные выводы

Газы становятся проводниками только при ионизации (создании ионов и электронов).

Несамостоятельный разряд требует внешнего ионизатора и имеет область тока насыщения.

Самостоятельный разряд поддерживается ударной ионизацией (электронными лавинами).

Различают четыре основных вида самостоятельного разряда: тлеющий, искровой, дуговой и коронный.

Разряды в газах находят широкое применение в технике — от освещения до металлургии.