Теория:
Физический механизм проводимости газов
При нормальных условиях газы являются диэлектриками, поскольку в них нет свободных электрических зарядов. Однако при высоких температурах газы приобретают свойства проводников и в них может протекать электрический ток. Этот процесс называют электрическим разрядом в газах.Ионизация и рекомбинация
Очевидно, что электрический разряд возможен, только если в газе есть свободные заряды. При высокой температуре часть молекул распадается на электроны и положительно заряженные ионы. Этот процесс называют ионизацией. Ионизация может быть вызвана не только высокой температурой, но и воздействием на газ ультрафиолетовыми или рентгеновскими лучами.Процесс, обратный ионизации, при котором электроны соединяются с положительно заряженными ионами, образуя нейтральную молекулу, называется рекомбинацией.
Если за любой промежуток времени ионизируется столько же молекул, сколько и ионов рекомбинирует, то говорят, что газ находится в динамическом равновесии. При этом концентрация свободных зарядов в газе остаётся постоянной.
Ток в ионизированных газах
При включённом электрическом поле электроны будут двигаться к аноду, а положительно заряженные ионы — к катоду. Таким образом, при наличии ионизатора в газе будет течь электрический ток. Такое протекание тока называют несамостоятельным разрядом, поскольку если убрать ионизатор, то ток прекратится.
Вольт-амперная характеристика ионизированного газа
Вольт-амперную характеристику газа можно условно разделить на три участка (рис. \(1\)).
Рис. \(1\). Вольт-амперная характеристика тока в газах
На участке \(I\) не все ионы и электроны, получившиеся при диссоциации молекул, долетают до электродов из-за того, что успевают рекомбинировать. Однако с увеличением напряжения увеличивается и их скорость и, как следствие, уменьшается время, за которое свободные заряды долетают до электродов, всё меньшее их количество успевает рекомбинировать. Поэтому сила тока растёт до тех пор, пока все свободные заряды, появившиеся при ионизации, не будут долетать до электродов.
Далее следует участок \(II\), на котором сила тока не растёт с ростом напряжения, поскольку больше свободных зарядов в газе просто нет. Протекание тока на участках \(I\) и \(II\) требует наличия внешнего ионизатора, поэтому разряд называется несамостоятельным разрядом.
При достаточно большом напряжении скорость свободных электронов будет настолько велика, что при ударе с молекулами будет происходить ионизация и вместо одного свободного заряда будет три свободных заряда. Этот процесс называется электронной лавиной. При таком процессе ионизации молекул внешний ионизатор не требуется, поэтому электрический ток называют самостоятельным разрядом (участок \(III\) на рис. \(1\)).
Плазма
Плазмой называют ионизованный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов одинаковы. Отношение плотности свободных зарядов к плотности всех частиц называют степенью ионизации плазмы.Молния
Самая известная форма самостоятельного разряда — молния. Это гигантская электрическая искра, которая возникает между грозовым облаком и землёй (или между двумя облаками). Длина её может достигать нескольких километров, а сила тока — сотен тысяч ампер.В грозовом облаке из-за трения ледяных кристаллов и капель воды происходит разделение зарядов: верхняя часть облака заряжается положительно, нижняя — отрицательно. Земля под облаком индуцирует положительный заряд. Между облаком и землёй возникает огромная разность потенциалов — до сотен миллионов вольт.
Разряд начинается не мгновенно. Сначала от облака к земле движется слабо светящийся ступенчатый канал — канал ионизированного воздуха. Он продвигается скачками, каждый раз меняя направление. Когда ведущий канал достигает земли, по образовавшемуся ионизированному каналу в обратную сторону проносится главный разряд (обратный удар). В этот момент выделяется колоссальная энергия, воздух мгновенно нагревается до десятков тысяч градусов и резко расширяется — слышен гром.
Почему молния — самостоятельный разряд? Ионизация воздуха в канале молнии происходит именно за счёт электронных лавин: сильное поле разгоняет электроны, они выбивают всё новые электроны из атомов. Положительные ионы, бомбардируя землю (или облако), создают локальный источник электронов. Внешнего ионизатора здесь нет — разряд возникает и поддерживается за счёт собственных процессов.
Источники: