Електричний струм у газах

Але однієї тільки ударної іонізації для підтримки розряду буде недостатньо, якщо усунути зовнішній іонізатор. Необхідно, щоб у газі постійно протікали процеси, що призводять до виникнення нових електронів.

Як правило, під дією електричного поля катіони прискорюються до такого ступеня, що здатні вибити електрони з катода при зіткненні з ним. Це один зі шляхів утворення вільних електронів. Інший шлях включає кілька етапів. Спочатку катіони зіштовхуються з нейтральними молекулами газу, після чого останні переходять у збуджений стан. Повертаючись до стаціонарного стану, збуджена молекула випускає фотон. Фотони, що виникають у такий спосіб, здатні іонізувати молекули газу (фотонна іонізація молекул). Крім того, можливим є вибивання електронів із катода під дією фотонів.

Типи самостійних газових розрядів

Тип самостійного газового розряду насамперед залежить від властивостей і стану газу, а також від конфігурації електродів і прикладеної до них напруги. Усього існує 4 типи самостійного розряду: іскровий, дуговий, тліючий і коронний.

Іскровий розряд

Іскровий розряд виникає, якщо через газовий проміжок за короткий час протікає обмежена кількість електрики. Цей процес відбувається при великих напругах електричного поля (≈3•106 В/м) у газі, тиск якого близький до атмосферного.

Іскровий розряд розвивається поступово. Для його пояснення користуються стримерною теорією. Відповідно до неї, виникненню каналу іскри (яскраво сяючого, розгалуженого і вигнутого) передує утворення стримера — сильно іонізованого провідного каналу, що виникає з окремих потоків електронів.

Це відбувається в такий спосіб. При досить високій напруженості електричного поля вільний електрон встигає прискоритися до енергії, достатньої для іонізації атомів, якщо вони зустрічаються електронові на шляху, меншому за довжину його вільного пробігу. У результаті з'являються лавини електронів та іонізованих атомів. Ці лавини, наздоганяючи одна одну, утворюють провідні містки зі стримерів, уздовж яких і проходять великі кількості електронів, що утворюють канали іскрового розряду.

Свічення газу при іскровому розряді відбувається за рахунок виділення великої кількості енергії й нагрівання газу в іскровому проміжку до дуже високої температури (близько 104 К). Нагрівання газу відбувається швидко, тому різко зростає і тиск газу, що призводить до виникнення ударних хвиль. Це є причиною появи різних звукових ефектів при іскровому розряді: від неголосного потріскування в слабких розрядах до гуркотів грому при спалахах блискавки. Слід зауважити, що блискавка — це також іскровий розряд, що виникає або між двома грозовими хмарами, або між хмарою та землею.

Іскровий розряд широко застосовується як у техніці (запалення горючої суміші у двигунах внутрішнього згоряння, іскрові розрядники для запобігання перенапруження ліній електропередачі), так і на виробництві (електроіскрова точна обробка металів). Крім того, він використовується в спектральному аналізі для реєстрації заряджених частинок.

Дуговий розрядДуговий розряд виникає між електродами, що контактують між собою, якщо їх почати повільно віддаляти один від одного, коли вони підключені до потужного джерела струму. Нагрітий світний газ ніби «провисає» між електродами, тому явище й одержало назву дугового розряду.

При виникненні дугового розряду сила струму зростає до сотень амперів, а напруга на розрядному проміжку падає до декількох десятків вольтів. Завдяки потокові електронів, що випускаються нагрітим катодом, підтримується висока провідність між електродами дуги. Цьому також сприяє і термічна іонізація газу, коли атоми втрачають електрони, зіштовхуючись один з одним, і стають носіями електричного струму.

На практиці дуговий розряд можна одержати, минаючи стадію іскри. Для цього електроди зближають до зіткнення. При цьому вони сильно розжарюються струмом. Потім їх розводять і одержують електричну дугу. Зазвичай температура катода сягає 4000 К (атм. тиск). Якщо розглянути цей процес на прикладі вугільних електродів, то з часом вугільний катод загострюється, а на аноді з'являється кратер — заглиблення в найгарячішому місці дуги.