Условия прохождения электрического тока в газах

Газы даже при сравнительно высоких температурах (до 1000 К) являются плохими проводниками электричества. Это значит, что в газе отсутствует заметная поляризация среды. Как только в электрически нейтральном газе появляются свободные электрические заряды, то газ становится проводником: в таком газе, помещенном в электромагнитное поле, которое распространяется по волноводу, потечет электрический ток.

Рассмотрим этот процесс подробнее. В замкнутой электрической цепи внешнее ЭДС является источником электромагнитных волн. При распространении электромагнитных волн в волноводе возникает нормальное и тангенциальное электрическое поле электромагнитной волны. Если в замкнутой цепи возникает разрыв, заполненный газом, то такой разрыв для прохождения переменного тока не является препятствием, а для прохождения постоянного тока обладает практически бесконечным сопротивлением. Однако при появлении в таком промежутке свободных электрических зарядов вследствие ионизации происходит направленное движение этих зарядов вдоль распространения электромагнитной волны, т.е. возникает электрический разряд в разрядном промежутке. В этом случае в разрядном промежутке создается плазма.

Нормальная составляющая электромагнитной волны, воздействуя на отдельные атомы (молекулы), вызывает ионизацию и затем их поляризацию, а собственное магнитное поле под действием силы Лоренца оба заряда (положительный и отрицательный) двигает в одном направлении, не создавая электрического тока в этом направлении (см. рис.166). Отношение силы действия нормальной составляющей напряженности электрического поля волны к силе Лоренца на границе разрядного облака для электронов при разности потенциалов 200 В составит:

Получается, что действием силы Лоренца в этом случае можно пренебречь и считать заряды неподвижными.

Тангенциальная составляющая электромагнитной волны приводит к разделению образовавшихся электрических зарядов, движение которых направлено к электродам разрядного промежутка, где происходит их нейтрализация. Движение электрических зарядов положительных ионов к катоду, а отрицательных ионов и электронов к аноду создает электрический ток. Электрический ток обладает собственным магнитным полем, которое сжимает плазму к оси разряда. Радиус канала разряда определяется равенством магнитного давления и газокинетического.

Таким образом, в электрических разрядах нормальная составляющая напряженности электрического поля волны производит ионизацию или поддерживает ее на заданном уровне, а тангенциальная составляющая – определяет протекание электрического тока в разряде и его самосжатие.

Если величины напряженности электрического поля нормальной составляющей электромагнитной волны недостаточно для автоионизации газа в разрядном промежутке, а свободные электрические заряды создаются независимым источником непрерывно, то по мере увеличения разности потенциалов между электродами электрический ток разряда достигает насыщения. Возникающие ионы под действием сил внешнего тангенциального электрического поля удаляются из газа и нейтрализуются на электродах, образуя постоянный электрический ток.

Процесс образования свободных зарядов в газах (ионизация) может происходить за счет воздействия на газ коротковолнового электромагнитного излучения (ультрафиолетовых, рентгеновских, гамма-лучей), а также в результате ударов быстрых частиц – электронов, ионов или атомов. Особенно эффективно идет ионизация электронным ударом.

Электропроводность атмосферного воздуха в нормальных условиях ничтожно мала, так как в 1 см³ ежесекундно образуется около 5 пар ионов. Тем не менее, присутствие хотя бы ничтожного количества ионов имеет принципиальное значение, так как в соответствующих условиях эти ионы могут являться первопричиной процесса прохождения тока через атмосферу.

При рассмотрении электропроводности газов следует иметь в виду, что наряду с процессами, ведущими к образованию ионов (ионизации), могут возникать и противоположные процессы, которые приводят к уменьшению числа ионов в разрядном промежутке. Первым из них является нейтрализация ионов при соприкосновении с электродами разрядного промежутка, вторым - взаимная нейтрализация зарядов разных знаков при их столкновении (рекомбинация). Наконец, участвуя в тепловом движении, ионы могут выходить из объема вследствие диффузии.

Газовые разряды весьма разнообразны в зависимости от того, какие процессы определяют возникновение свободных электрических зарядов и какие приводят к их взаимной нейтрализации. Электрические разряды в газах можно разделить на следующие два типа.

1. Несамостоятельный разряд протекает при сравнительно малой степени ионизации газа и при малой плотности тока. Такой разряд обусловлен действием постороннего источника ионизации газа в разрядном промежутке путем разогрева внешним высокотемпературным источником, воздействием рентгеновских, ультрафиолетовых или радиоактивных лучей. Особый интерес представляет несамостоятельный разряд, когда в разрядный промежуток поступают электроны из катода вследствие термоэмиссии. Рекомбинация свободных электрических зарядов в разрядном промежутке несамостоятельного разряда осуществляется взаимно и на электродах.

2. Самостоятельный разряд возникает, когда убыль ионов и электронов восполняется процессами ионизации, проходящими в самом объеме газового разряда. В этом случае образовавшиеся свободные электрические заряды в разрядном промежутке в основном определяют протекание электрического разряда. Поддержание самостоятельного разряда осуществляется путем поступления зарядов в разрядный промежуток непосредственно из электродов вследствие вторичной электронной эмиссии, потенциальной электронной эмиссии авто- и термоэмиссии, а также вследствие взрывных процессов на электродах, вызывающих катодное распыление.

При наложении внешнего электрического поля в газе только тогда возникает электрический ток, когда в нем присутствуют свободные электрические заряды. Газ, в котором присутствует заметное количество свободных электрических зарядов, находится в плазменном состоянии. Плазма подчиняется газовым законам и во многих отношениях ведет себя, как газ, но это новое четвертое агрегатное состояние. Новые необычные свойства плазмы проявляются, когда на нее накладываются электрические и магнитные поля. Электрическое поле вызывает направленное движение заряженных частиц в плазме вследствие поляризации среды, а наложение магнитного поля увеличивает в плазме внутреннее давление. Плазма в магнитном поле обладает анизотропными свойствами. Электромагнитные волны, взаимодействуя с плазмой, в одних случаях могут проникать сквозь плазму, а в других - поглощаться или полностью отражаться. Все зависит от соотношения между критической плазменной частотой[2] и частотой падающего излучения. Когда частота падающей электромагнитной волны больше плазменной частоты, то волна проходит сквозь плазму, а когда меньше, то полностью отражается от плазмы и она представляет собой в этом случае подобие металлического состояния.

Большое количество свободных электрических зарядов в газе возникает при высоких температурах. Различают низкотемпературную плазму (до 10⁶ К) и высокотемпературную - термоядерную (свыше 10⁶ К).

Низкотемпературная плазма используется в различных областях: в металлургии, химии, прямом преобразовании тепловой энергии в электрическую энергию, в радиотехнике, в процессах сварки. Плазменные двигатели будут созданы в недалеком будущем, а полная электрификация различных летательных аппаратов требует своего решения в настоящее время.

Высокотемпературная плазма реализуется в термоядерном синтезе. Для получения плазмы выше 10⁶ К применяются мощные импульсные разряды с токами в несколько миллионов ампер и мощностью в несколько десятков мегаватт, а также встречные мощные лазерные лучи.

В настоящее время проблема термоядерного синтеза решается в трех направлениях: 1) создание методов получения высоких температур ионов; 2) изучение свойств высокотемпературной плазмы в целях установления сечений различных элементарных процессов; 3) разработка методов термоизоляции и удержания высокотемпературной плазмы.

Поиск по сайту: