Электрический ток в неметаллах

      Ионизация атома требует затраты определенной энергии – энергии ионизации. Для ионизации атома (или молекулы) необходимо совершить работу против сил взаимодействия между вырываемым электроном и остальными частицами атома (или молекулы). Эта работа называется работой ионизации A_i. Величина работы ионизации зависит от химической природы газа и энергетического состояния вырываемого электрона в атоме или молекуле.

     После прекращения действия ионизатора количество ионов в газе с течением времени  уменьшается и в конце концов ионы исчезают вовсе. Исчезновение ионов  объясняется тем, что ионы и электроны  участвуют в тепловом движении и  поэтому соударяются друг с другом. При столкновении положительного иона и электрона они могут воссоединиться в нейтральный атом. Точно также  при столкновении положительного и  отрицательного ионов отрицательный  ион может отдать свой избыточный электрон положительному иону и оба  иона превратятся в нейтральные  атомы. Этот процесс взаимной нейтрализации  ионов называется рекомбинацией ионов. При рекомбинации положительного иона и электрона или двух ионов освобождается определенная энергия, равная энергии, затраченной на ионизацию. Частично она излучается в виде света, и поэтому рекомбинация ионов сопровождается свечением (свечение рекомбинации).

      В таблице ниже даны значения энергии  ионизации некоторых атомов.

      2.2. Несамостоятельный  газовый разряд. Процесс прохождения электрического тока через газ называется газовым разрядом. Если электропроводность газа создается внешними ионизаторами, то электрический ток, возникающий в нем, называется несамостоятельным газовым разрядом. С прекращением действия внешних ионизаторов несамостоятельный разряд прекращается. Несамостоятельный газовый разряд не сопровождается свечением газа.

      Ниже  изображен график зависимости силы тока от напряжения при несамостоятельном  разряде в газе. Для построения графика использовалась стеклянная трубка с двумя впаянными в  стекло металлическими электродами. Цепь собрана как показано на схеме 1.

      При некотором определенном напряжении наступает такой момент, при котором  все заряженные частицы, образующиеся в газе ионизатором за секунду, достигают за это же время электродов. Дальнейшее увеличение напряжения уже не может привести к увеличению числа переносимых ионов. Ток достигает насыщения (горизонтальный участок графика 1). 

                                                                                    I

                                                                                                                               U

                      +    -                       

      2.3. Самостоятельный газовый разряд. Электрический разряд в газе, сохраняющийся после прекращения действия внешнего ионизатора, называется самостоятельным газовым разрядом. Для его осуществления необходимо, чтобы в результате самого разряда в газе непрерывно образовывались свободные заряды. Основным источником их возникновения является ударная ионизация молекул газа.

      Если  после достижения насыщения продолжать увеличивать разность потенциалов  между электродами, то сила тока при  достаточно большом напряжении станет резко возрастать (график 2).

         I 
 
 

1. U

      Это означает, что в газе появляются дополнительные ионы, которые образуются за счет действия ионизатора. Сила тока может возрасти в сотни и тысячи раз, а число заряженных частиц, возникающих  в процессе разряда, может стать  таким большим, что внешний ионизатор  будет уже не нужен для поддержания  разряда. Поэтому ионизатор теперь можно убрать.

      Каковы  же причины резкого увеличения силы тока при больших напряжениях? Рассмотрим какую либо пару заряженных частиц (положительный ион и электрон), образовавшуюся благодаря действию внешнего ионизатора. Появившийся таким  образом свободный электрон начинает двигаться к положительному электроду  – аноду, а положительный ион  – к катоду. На своем пути электрон встречает ионы и нейтральные  атомы. В промежутках между двумя  последовательными столкновениями энергия электрона увеличивается  за счет работы сил электрического поля.

      Чем больше разность потенциалов между  электродами, тем больше напряженность  электрического поля. Кинетическая энергия  электрона перед очередным столкновением  пропорциональна напряженности  поля и длине свободного пробега  электрона: . Если кинетическая энергия электрона превосходит работу A_i, которую нужно совершить, чтобы ионизировать нейтральный атом (или молекулу), т.е. , то при столкновении электрона с атомом (или молекулой) происходит его ионизация. В результате вместо одного электрона возникают два (налетающий на атом и вырванный из атома). Они, в свою очередь, получают энергию в поле и ионизуют встречные атомы и т.д. Вследствие этого число заряженных частиц быстро нарастает, возникает электронная лавина. Описанный процесс называют ионизацией электронным ударом.

      Но  одна ионизация электронным ударом не может обеспечить поддержания  самостоятельного заряда. Действительно, ведь все возникающие таким образом  электроны движутся по направлению  к аноду и по достижении анода «выбывают из игры». Для поддержания разряда необходима эмиссия электронов с катода («эмиссия» означает «испускание»). Эмиссия электрона может быть обусловлена несколькими причинами.

      Положительные ионы, образовавшиеся при столкновении электронов с нейтральными атомами, при своем движении к катоду приобретают  под действием поля большую кинетическую энергию. При ударах таких быстрых  ионов о катод с поверхности  катода выбиваются электроны.

      Кроме того, катод может испускать электроны  при нагревании до большой температуры. Этот процесс называется термоэлектронной эмиссией. Его можно рассматривать как испарение электронов из металла. Во многих твердых веществах термоэлектронная эмиссия происходит при температурах, при которых испарение самого вещества еще мало. Такие вещества и используются для изготовления катодов.

      При самостоятельном разряде нагрев  катода может происходить за счет бомбардировки его положительными ионами. Если энергия ионов не слишком  велика, то выбивания электронов с  катода не происходит и электроны  испускаются вследствие термоэлектронной эмиссии.

      2.4. Различные типы самостоятельного разряда. В зависимости от свойств и состояния газа, характера и расположения электродов, а также от приложенного к электродам напряжения возникают различные виды самостоятельного разряда. Рассмотрим несколько из них.

      2.4.1. Искровой разряд имеет вид ярких зигзагообразных разветвляющихся нитей-каналов, которые пронизывают разрядный промежуток и исчезают, сменяясь новыми. Исследования показали, что каналы искрового разряда начинают расти иногда от положительного электрода, иногда от отрицательного, а иногда и от какой-нибудь точки между электродами. Это объясняется тем, что ионизация ударом в случае искрового разряда происходит не по всему объему газа, а по отдельным каналам, проходящим в тех местах, в которых концентрация ионов случайно оказалась наибольшей. Искровой разряд сопровождается выделением большого количества теплоты, ярким свечением газа, треском или громом. Все эти явления вызываются электронными и ионными лавинами, которые возникают в искровых каналах и приводят к огромному увеличению давления, достигающему 10⁷¸10⁸ Па, и повышению температуры до 10000 °С.

      Характерным примером искрового разряда является молния. Главный канал молнии имеет  диаметр от 10 до 25 см, а длина молнии может достигать нескольких километров. Максимальная сила тока импульса молнии достигает десятков и сотен тысяч ампер.

      При малой длине разрядного промежутка искровой разряд вызывает специфическое  разрушение анода, называемое эрозией. Это явление было использовано в электроискровом методе резки, сверления и других видах точной обработки металла.

      Искровой  промежуток применяется в качестве предохранителя от перенапряжения в  электрических линиях передач (например, в телефонных линиях). Если вблизи линии  проходит сильный кратковременный  ток, то в проводах этой линии индуцируются напряжении и токи, которые могут  разрушить электрическую установку  и опасны для жизни людей. Во избежание  этого используются специальные  предохранители, состоящие из двух изогнутых электродов, один из которых  присоединен к линии, а другой заземлен. Если потенциал линии относительно земли сильно возрастает, то между  электродами возникает искровой разряд, который вместе с нагретым им воздухом поднимается вверх, удлиняется и обрывается.

      Наконец, электрическая искра применяется  для измерения больших разностей  потенциалов с помощью шарового разрядника, электродами которого служат два металлических шара с полированной поверхностью. Шары раздвигают, и на них подается измеряемая разность потенциалов. Затем шары сближают до тех пор, пока между ними не проскочит искра. Зная диаметр шаров, расстояние между ними, давление, температуру и влажность воздуха, находят разность потенциалов между шарами по специальным таблицам. Этим методом можно измерять с точностью до нескольких процентов разности потенциалов порядка десятков тысяч вольт.

      2.4.2. Дуговой разряд был открыт В. В. Петровым в 1802 году. Этот разряд представляет собой одну из форм газового разряда, осуществляющуюся при большой плотности тока и сравнительно небольшом напряжении между электродами (порядка нескольких десятков вольт). Основной причиной дугового разряда является интенсивное испускание термоэлектронов раскаленным катодом. Эти электроны ускоряются электрическим полем и производят ударную ионизацию молекул газа, благодаря чему электрическое сопротивление газового промежутка между электродами сравнительно мало. Если уменьшить сопротивление внешней цепи, увеличить силу тока дугового разряда, то проводимость газового промежутка столь сильно возрастет, что напряжение между электродами уменьшается. Поэтому говорят, что дуговой разряд имеет падающую вольтамперную характеристику. При атмосферном давлении температура катода достигает 3000 °C. Электроны, бомбардируя анод, создают в нем углубление (кратер) и нагревают его. Температура кратера около 4000 °С, а при больших давлениях воздуха достигает 6000-7000 °С. Температура газа в канале дугового разряда достигает 5000 - 6000 °С, поэтому в нем происходит интенсивная термоионизация.

      В ряде случаев дуговой разряд наблюдается  и при сравнительно низкой температуре  катода (например, в ртутной дуговой  лампе).

      В 1876 году П. Н. Яблочков впервые использовал  электрическую дугу как источник света. В «свече Яблочкова» угли были расположены параллельно и разделены  изогнутой прослойкой, а их концы  соединены проводящим «запальным мостиком». Когда ток включался, запальный  мостик сгорал и между углями образовывалась электрическая дуга. По мере сгорания углей изолирующая прослойка  испарялась.