Что будет с газом если убрать ионизатор

3. Электрический разряд в газах

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.

Датчик ионизации пламени газовой колонки. Для чего нужен и как ремонтировать

Датчик ионизации пламени газовой колонки — важный элемент водонагревательных приборов с электрической системой розжига. Принцип его работы тесно связан с физическими процессами. Как работает электрод? Как определить неисправность свечи ионизации? Что делать, если колонка не зажигается? Давайте разберемся.

Зачем нужен датчик ионизации

Датчик ионизации устанавливается исключительно на газовые водонагреватели с электрическим принципом розжига. Он стал заменой более старой технологии — термопаре. Эта небольшая свеча отвечает за фиксацию пламени на горелке, а также помогает в контроле колебаний давления и энергоэффективности агрегата. Такая функция позволяет предотвратить несчастные случаи, связанные с затуханием огня или плохим розжигом.

Если газ был отключен вследствие ремонтных работ и пламя погасло, но, через время, подача топлива была возобновлена, газ начнет поступать в камеру сгорания. Это может привести к печальным последствиям, так как труба для вывода продуктов сгорания вряд ли справится с таким количеством горючего. Кроме того, пламя может погаснуть вследствие больших порывов ветра, которые задувают внутрь колонки.

Датчик ионизации фиксирует наличие пламени и отправляет сигнал на управленческий блок. Плата, в свою очередь, перекрывает подачу электричества и искра исчезает.

Но свеча ионизации предназначена не только для этого. Дело в том, что блок контроля пламени влияет на скорость работы вентилятора, задействуя при этом показатели ионизационного тока.

Датчик вмонтирован в корпус устройства розжига через специальную изолированную керамическую втулку. С автоматом контроля розжига элемент соединяется одножильным экранированным кабелем.

Принцип работы датчика

Чтобы понять принцип работы датчика ионизации пламени газовой колонки, потребуется немного вникнуть в физику. Итак, при сжигании горючей смеси образовывается множество заряженных ионов и электронов, которые свободно перемещаются в пространстве. Ионизационный электрод притягивает положительно заряженные частицы, а они, в свою очередь, своим движением вызывают появление тока ионизации, измеряющегося десятками микроампер.

Электрод соединен с входом автомата горения — так называется прибор, контролирующий наличие ионизации. Эта электронная плата отвечает за открытие клапана подачи газа. Если ток ионизации газового котла присутствует, клапан открывается, если тока нет — закрывается.

Главное преимущество электрода ионизации перед термопарой — мгновенное срабатывание при погасании пламени.

Датчик ионизации с двойной функцией

Иногда свеча ионизации берет на себя еще и роль электрода розжига. В таком случае, она умеет искрить и плавно переходить из одного режима в другой. Вначале, в течение какого-то времени, с трансформатора для розжига на электрод подается сильное напряжение. После совершения поджига, цепи поджига размыкаются и датчик переходит в режим контроля пламени.

Многофункциональный электрод соединяется с входом блока контроля пламени при помощи специального высоковольтного кабеля.

Неисправности колонки, связанные с датчиком ионизации

Иногда электрод может стать причиной серьезной поломки оборудования. Как проверить датчик ионизации в газовом котле? Признаком того, что элемент вышел из строя может стать неработающая горелка, которая поначалу зажигается, но затем гаснет. Однако стоит помнить, что виновниками подобной проблемы бывают:

• мембрана водяного узла;
• загрязненная горелка;
• оседание токопроводящей пыли на запальник.

Проверка горелки на загрязнение

Чтобы проверить состояние каналов горелки, при появлении пламени, пусть даже на короткое время, обратите внимание, обтекает ли оно электрод. Если да, значит неисправен сам датчик. Слишком короткое или вообще прерывающееся пламя возле электрода свидетельствует о загрязнении горелки.

Для чистки горелки, деталь нужно снять (она прикручивается несколькими болтами) и продуть сжатым воздухом.

Загрязненный запальник

Оседание токопроводящей пыли на запальник приводит к снижению сопротивления между ионизационной свечой и корпусом устройства розжига. Запальник очищается путем продувания трубки.

Ремонт датчика ионизации

Если вы удостоверились, что причина неисправности в датчике ионизации, его нужно заменить.

Иногда свечу можно починить путем чистки, ведь, по сути, датчик ионизации — это отрезок толстой проволоки в изоляции. Очистку лучше производить латунной щеткой или наждачной шкуркой с нулевой зернистостью. Зачищается оголенная часть электрода.

Если во время осмотра датчика, на поверхности изоляции были замечены трещины, элемент ремонту не подлежит. Его нужно заменить.

Затухание горелки при нормальном пламени

Когда уровень ионизации падает до уровня, ниже допустимого, горелка выключается, даже при нормальной работе. Такое поведение колонки может быть признаком неправильного соотношения газа-воздуха на запальнике. Если оно падает ниже стандартных значений (указаны в руководстве по эксплуатации), пламя окрашивается в желтый цвет и становится вялым. Недостаточный приток ионов к датчику заставляет его потушить запальник.

Проблема решается путем регуляции давления. Настройка проводится с помощью манометра и специальных штуцеров, вращение которых снижает или увеличивает давление в трубке.

Неисправность датчика с двойной функцией

Электрод, выполняющий функции розжига и контроля ионизации, может перестать работать полноценно из-за обрыва во вторичной обмотке трансформатора. Зачастую, диагностировать подобную поломку очень трудно, так как искра продолжает и дальше нормально образовываться.

Коротко о главном

Датчик ионизации напрямую отвечает за подачу газа к горелке. Этот элемент контролирует наличие пламени и, в случае его отсутствия, дает сигнал на блок управления розжигом, который перекрывает клапан подачи газа. Такая процедура предотвращает несчастные случаи и неисправности колонки, вызванные затуханием пламени. Если свеча не выполняет свою функцию, ее можно почистить с помощью наждачного полотна или латунной щетки.

А что предпочитаете вы: самостоятельный ремонт газовой колонки или обращение в сервисный центр?

Тема 4. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ГАЗАХ

3) Различные виды разрядов в газах при атмосферном давлении.

4) Ток в газах при пониженном давлении.

5) Излучение и поглощение энергии атомами.

6) Катодные лучи и их свойства.

7) Двухэлектродная лампа. Диод

8) Трехэлектродная электронная лампа. Триод.

1. Ионизация газа.

Если на электроды подать напряжение и между электродами находится воздух в обычном состоянии, то тока в цепи практически не будет, т.к. в обычном состоянии воздух является диэлектриком. Для того, что бы газ стал проводником тока необходимо увеличить концентрацию свободных носителей заряда. Для этого атомам и молекулам газа необходимо сообщить дополнительную энергию, в результате нагревания или за счет какого-либо вида излучения. Такой источник дополнительной энергии называется ИОНИЗАТОРОМ. Если атомам и молекулам сообщить дополнительную энергию, то их скорость хаотического движения увеличивается, столкновения становятся чаще и сильнее. При таких столкновениях происходит обмен энергиями, в результате которого атомы могут терять электроны или приобретать, превращаясь в соответствующие ионы (+), (-);.

Т.о. из нейтральных атомов и молекул образуются положительно и отрицательно заряженные ионы и свободные электроны. Такой процесс называется ИОНИЗАЦИЕЙ. Заряды противоположного знака, притягиваясь, могут соединяться, образуя нейтральные атомы и молекулы – такой процесс называется РЕКОМБИНАЦИЕЙ. Т.о. одновременно с процессом ионизации происходит и обратный процесс – рекомбинация. Поэтому при постоянно работающем ионизаторе при условии, если его мощность не меняется, концентрация свободных носителей заряда становится примерно одинаковой. Если при работающем ионизаторе на электроды подать напряжение, то начнется направленное движение двух потоков: положительных ионов к катоду, отрицательных ионов – к аноду. Ток в газах представляет собой направленное движение ионов обоих знаков и электронов.

2. Зависимость тока в газах от напряжения.

Выясним, какой зависимости находится сила тока в газах от напряжения при постоянной мощности ионизатора. Если напряжение на электродах равно 0, при работающем ионизаторе сила тока равна 0. По мере увеличения напряжения скорость направленного движения двух встречных потоков зарядов противоположного знака будет увеличиваться, время их взаимодействия будет уменьшаться, будет уменьшаться и вероятность их рекомбинации, а кол-во зарядов, доходящих до соответствующих электродов будет увеличиваться, будет увеличиваться и сила тока (отрезок ОА)

При определенных напряжениях вероятность рекомбинации зарядов приближается к 0, при этом сила тока в газе достигает максимальной величины, и при дальнейшем увеличении напряжения сила тока меняться не будет. Такой ток в газах называется током НАСЫЩЕНИЯ (отрезок АВ). Если при таких напряжениях убрать ионизатор, то ток в газах становится = 0, такой разряд в газах называется НЕСАМОСТОЯТЕЛЬНЫМ. Если продолжать увеличивать напряжение, то будет увеличиваться совершаемая работа электрическим полем при перемещении заряда на длине свободного пробега. За счет этой работы будет увеличиваться кинетическая энергия электронов и при определенном значении ее электроны сталкиваясь с нейтральными атомами, могут вызвать ионизацию, в результате которой появляются дополнительные электроны и положительные ионы. Электроны второго поколения могут вызвать ионизацию. Процесс ионизации протекает лавинообразно, в результате концентрация зарядов резко возрастает, резко увеличивается и сила тока (отрезок ВС). Если сейчас убрать ионизатор, то ток будет продолжать идти. Такой разряд называется САМОСТОЯТЕЛЬНЫМ, который в данном случае является ИСКРОВЫМ. Поддерживается самостоятельный разряд положительными ионами газа, которые, сталкиваясь с катодом, выбивают из него электроны, которые являются родоначальниками нового искрового заряда.

3. Различные виды разрядов в газах при атмосферном давлении.

Электрический ток в газах называется РАЗРЯДОМ. Проходит ток в газах по- разному: отсюда существуют разные виды разрядов: 1- искровой, 2 – дуговой, 3 – коронный, 4 – кистевой.

1. искровой. Можно получить при холодных электродах, но высоком напряжении. Возникает искровой разряд при ионизации атомов, молекул воздуха, заряженными частицами. Сопровождается этот разряд свечением и характерным потрескиванием.

2. Дуговой. Такой разряд можно получить при сравнительно низком напряжении, но очень высокой температуре электродов. Дуговой разряд сопровождается ярким свечением и используется как мощный источник света, поэтому его используют при сварке, плавке металлов.

3. Коронный. Такой разряд можно получить вблизи проводов высокого напряжения. Ионизация воздуха происходит за счет сильного электрического поля, сопровождается голубоватым свечением и характерным шипением. Корона на проводах линий электропередач – явление вредное, т.к. происходит потеря электроэнергии.

4. Кистевой. Можно получить при высоком напряжении между двумя электродами. Один из которых – плоский, а другой – заостренный. Представляет собой кистевой разряд несколько искровых, происходящих одновременно.

4. Ток в газах при пониженном давлении.

Если на электроды трубки подать напряжение и при этом давление в трубке равно атмосферному, то тока в цепи не будет. Если с помощью насоса откачивать воздух их трубки, то плотность будет уменьшаться, среднее расстояние между атомами и молекулами будет увеличиваться, будет увеличиваться и длина свободного пробега электронов. Т.к. электрическое поле совершает работу над электроном на длине свободного пробега, то эта работа будет увеличиваться, т.о. увеличивается и кинетическая энергия электронов. При определенном значении кинетической энергии электроны, сталкиваясь с нейтральными атомами, могут вызвать их ионизацию, в результате которой появляются дополнительные заряды, которые в свою очередь вызывают дальнейшую ионизацию, в результате концентрация зарядов в трубке возрастает, сопротивление току уменьшается и по цепи идет ток. Прохождение тока в газах сопровождается свечением, поэтому воздух в трубке будет светиться. Цвет свечения зависит от рода газа внутри трубки. Это используют в газосветных (рекламных) трубках. Аналогичное явление происходит и в лампах дневного света.

5. Излучение и поглощение энергии атомами.

Объясним, почему газ при прохождении через него тока светится и почему разные газы дают разный цвет свечения. Для этого воспользуемся постулатами датского ученого Нильса Бора.

1.Постулат: электроны в атомах могут вращаться по оболочкам строго определенного радиуса, при этом обладая строго определенным значением энергии.

2. Постулат: электрон, вращающийся по любой из разрешенных оболочек энергии не поглощает и не излучает.

3. Постулат: электроны могут переходить с одной разрешенной оболочки на другую, при этом атом либо излучает квант энергии, либо поглощает, численно равный разности энергий электрона на этих оболочках. Если электрон переходит на оболочку большего радиуса, то атом поглощает квант энергии.

Такое состояние атомов называется ВОЗБУЖДЕННЫМ.

При переходе электронов на оболочку меньшего радиуса, атом излучает квант энергии.

Электромагнитные волны определенных частот вызывают в глазах человека зрительные ощущения, причем разных частот, разные цветовые ощущения. Прохождения тока в газах сопровождается возбуждением атомов, поэтому сопровождается свечением. Т.к. атомы разных химических элементов дают разное по частотам излучение, отсюда и разный цвет свечения.

6. Катодные лучи и их свойства.

Если продолжать откачивать воздух из трубки, то длина свободного пробега электронов будет увеличиваться, вероятность ударной ионизации будет уменьшаться, будет уменьшаться и яркость свечения газа. При сравнительно низком давлении вблизи катода появляется темное пространство, которое увеличивается по мере уменьшения давления в газах. При давлении порядка 0,01 мм. рт.ст. свечение в трубке прекращается, но ток продолжает идти, объясняется это тем, что при таком давлении длина свободного пробега электронов примерно одного порядка с расстоянием между электродами, и вероятность ионизации близка к 0. В результате редких процессов ионизации образуются положительные ионы, которые, двигаясь к аноду, разгоняются электрическим полем до больших значений кинетической энергии и, сталкиваясь с катодом, выбивают из него электроны, которые в виде направленного пучка двигаются к аноду. Такой направленный поток электронов от катода к аноду назвали КАТОДНЫМИ ЛУЧАМИ. Катодные лучи обладают энергией. При взаимодействия с веществом — эту энергию они могут отдавать. Если это люминесцирующее вещество, то оно начинает светиться (экран телевизора). Поверхности других веществ за счет этой энергии могут разогреваться до очень высокой температуры, плавиться, поэтому катодные лучи используются для плавки, сварки и резки веществ. Катодные лучи хорошо реагируют на электрические и магнитные поля, поэтому с помощью таких полей катодный луч можно фокусировать, менять его траекторию движения в любом направлении. Это свойство катодных лучей используется для получения видимых изображений на экране трубки.

7. Двухэлектродная лампа. Диод

Двухэлектродная лампа (Диод) состоит из баллона, внутри которого создан технический вакуум. В баллон впаивают два электрода, один из которых в виде спирали и называется катодом, форма другого электрода может быть любой и называться анодом. Катод является источником электронов, электроны появляются в баллоне в результате термоэлектронной эмиссии с поверхности катода.

Анод в лампе служит для управления потоком электронов, летящих от катода к аноду.

Если через нить накала катода пропустить ток от батареи накала (Б_Н), то катод разогреется, и с его поверхности будет происходить термоэлектронная эмиссия, в результате которой вблизи катода образуется электронное облачко. Подадим на анод положительный потенциал. Анод создает ускоряющее электрическое поле, и электроны из этого облачка устремляются к аноду, образуя анодный ток. Если напряжение на аноде увеличить, то анодный ток будет увеличиваться, а плотность электронного облачка будет уменьшаться. При определенном напряжении облачко вблизи катода исчезает, это означает, что все электроны, вылетающие с катода, не задерживаясь, устремляются к аноду. Анодный ток при этом достигает наибольшей величины и дальше от напряжения зависеть не будет. Такой ток называется током НАСЫЩЕНИЯ. Подадим на анод отрицательный потенциал, анодный ток идти не будет. Т.о. двухэлектродная электронная лампа диод обладает явно выраженной односторонней проводимостью, т.е. пропускает ток только в одном направлении, а именно в том случае, когда на аноде (+), поэтому такие лампы в электрорадиотехнике используются, как выпрямители переменного тока.

8. Трехэлектродная электронная лампа. Триод.

Трехэлектродная электронная лампа — триод отличается от диода тем, что между катодом и анодом ближе к катоду впаивают третий электрод, названный управляющей сеткой. Катод и анод в триоде выполняют те же функции, что и в диоде.

Выясним роль сетки: если на анод подать положительный потенциал, а напряжение на сетке равно 0, то практически заметного влияния на величину анодного тока сетка не оказывает и лампа работает в режиме диода. Если на сетку подать положительный потенциал, то сетка вблизи катода создает дополнительно ускоряющее поле и анодный ток лампы увеличивается. Если на сетку подать отрицательный потенциал, то сетка вблизи катода создает тормозящее электрическое поле, в результате анодный ток уменьшается. На сетку можно подать такой отрицательный потенциал, при котором анодный ток станет равным 0. При небольших изменениях напряжения на сетке анодный ток меняется в значительной степени, поэтому такие лампы используются в качестве усилителей переменного тока.

Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:

Электрический разряд в газах

Для изучения устройства и работы газоразрядных электронных приборов нам необходимо сначала немного вспомнить физику. Точнее, раздел электрический ток в газах . Ведь приборы не зря называют газоразрядными, в основе их работы лежат физические процессы протекания электрического тока через газовую среду. Но погружение в физику не будет слишком глубоким.

Протекание электрического тока через газы называется газовым разрядом. В нормальном состоянии газы являются изоляторами, так как в них отсутствуют носители тока. Но при создании особых условий в газах могут появиться носители тока (ионы и электроны), что делает возможным возникновение электрического разряда.

Носители тока в газах могут возникать в результате внешних воздействий, не связанных с наличием электрического поля. Возникающая таким образом проводимость является несамостоятельной. Несамостоятельный газовый разряд может быть вызван нагреванием газа, воздействием ультрафиолетовых лучей, воздействием ионизирующего излучения, и т.д. Без ионизирующего фактора несамостоятельный разряд прекращается.

Если носители тока возникают в результате процессов, обусловленных созданным в газе электрическим полем, то проводимость называется самостоятельной, как и возникающий при этом газовый разряд.

Характер газового разряда зависит от многих условий. От химической природы газа (состава газовой смеси) и электродов. От формы и размеров электродов, их взаимного расположения. От приложенного к электродам напряжения и плотности тока. Некоторые, но не все, виды разряда сопровождаются видимым свечением и даже звуковыми эффектами.

Звучание газового разряда использовалось, например, в ионофоне — высокочастотном громкоговорителе. В журнале Радио № 12 за 1959 можно найти схему Звуковоспроизводящего агрегата с ионофоном разработанную радиолюбителями.

Несамостоятельный газовый разряд

Давайте возьмем два плоских электрода и поместим их в газовую среду. Напряжение на электроды подавать пока не будем. Находящийся между электродами газ будет подвергаться непрерывному воздействию какого-либо ионизатора. Нам не важна природа ионизатора. Это может быть, например, ионизирующее излучение. В результате действия ионизатора от некоторых молекул газа может отрываться один или несколько электронов. В результате чего эти молекулы превращаются в положительно заряженные ионы. Если давление газа не слишком мало, электроны будут захватываться нейтральными молекулами газа, которые превращаются в отрицательно заряженные ионы. Этот процесс называется ионизацией. Давайте обозначим количество пар ионов, возникающих в единице объема за секунду, как ∆n_i.

Одновременно с ионизацией протекает и процесс рекомбинации ионов. То есть, взаимная нейтрализация разноименных ионов при их встрече. Рекомбинацией является и возврат электрона на положительно заряженный ион. В результате рекомбинации ионы снова становятся нейтральными молекулами. Вероятность встречи двух ионов разных знаков пропорциональна как числу положительных ионов, так и числу отрицательных. Обозначим количество рекомбинирующих в единице объема за секунду пар ионов как ∆n_r.

здесь r это коэффициент пропорциональности. В состоянии равновесия число возникающих ионов равно числу рекомбинирующих

Таким образом, для равновесной концентрации ионов можно записать

Давайте теперь подадим на электроды напряжение и включим в цепь гальванометр

Теперь убыль ионов будет определяться не только процессом рекомбинации, но и перемещением ионов электрическим полем к электродам. Количество пар ионов, которые из единицы объема газа перемещаются к электродам, за секунду обозначим ∆n_j. Заряд иона обозначим e'. Нейтрализация на электродах одной пары ионов сопровождается переносом по внешней цепи заряда e'. Если площадь электродов равна S, а расстояние между ними l, то каждую секунду электродов будет достигать ∆n_jSl пар ионов (Sl это объем пространства между электродами). А ток в цепи, измеряемый гальванометром, будет равен

Количество нейтрализуемых между электродами пар ионов удобно выразить через плотность тока

При наличии тока условие равновесия изменяется

Мы можем рассматривать отдельно положительные и отрицательные ионы, так как их подвижность u₀ — и u₀ + может быть различной. И плотность тока можно выразить через подвижность ионов и напряженность электрического поля E

Давайте рассмотрим два крайних случая — слабые и сильные электрические поля. В случае слабых полей плотность тока будет мала и мы можем пренебречь слагаемым j/e’l. Другими словами, в слабых полях убыль ионов в основном происходит за счет рекомбинации. И выражение для плотности тока становится таким

Обратите внимание, что в этой формуле множитель перед E не зависит от напряженности поля. Другими словами, в слабых полях несамостоятельный газовый разряд подчиняется закону Ома. Это важный вывод.

В случае сильных полей мы можем пренебречь слагаемым rn 2 . То есть, практически все ионы достигают электродов не успев рекомбинировать. И выражение для плотности тока станет совсем другим

Эта плотность тока создается всеми ионами возникшими в процессе ионизации в столбе газа с единичным поперечным сечением. Другими словами, эта плотность тока является максимально возможной при данной интенсивности ионизатора и данном расстоянии между электродами. Это плотность тока насыщения.

При промежуточных значениях напряженности электрического поля происходит плавный переход от линейной зависимости j от E (слабые поля) к насыщению (сильные поля), при котором j перестает зависеть от E. Мы можем изобразить это графически

За областью насыщения лежит область резкого увеличения плотности тока. Она показана штриховой линией. Начиная с некоторых значений напряженности электрического поля порождаемые внешним ионизирующим фактором электроны (вы ведь помните, что ионизатор порождает именно электроны, которые, в свою очередь, позволяют появляться ионам) приобретают за время свободного пробега энергию, которой достаточно для того, что бы при столкновении с нейтральной молекулой вызвать ее ионизацию. Возникшие при такой ударной ионизации электроны разгоняются полем и вызывают новую ионизацию. Происходит лавинообразное размножение первичных ионов, созданных действием внешнего ионизатора. Это явление называется газовым усилением разрядного тока. Важно отметить, что газовый разряд при этом остается несамостоятельным. Если убрать ионизатор, то разряд будет продолжаться только до тех пор, пока все электроны не достигнут анода. После этого разряд погаснет.

Что бы разряд стал самостоятельным необходимо наличие двух встречных лавин ионов. А это возможно только в случае, если ионизацию ударов способны вызывать носители обоих знаков. В следствии большей длины свободного пробега электроны раньше приобретают способность вызывать ударную ионизацию, чем более медленные ионы газа.

Важно отметить, что токи разряда, усиленные за счет размножения носителей (газовое усиление), пропорциональны числу первичных ионов, которые создает внешний ионизатор. Это позволяет создавать пропорциональные счетчики частиц.

Счетчики частиц и ионизационные камеры, которые используются для обнаружения элементарных частиц и измерения интенсивности ионизирующего излучения (рентгеновское, гамма-излучение, и т.д.) будут рассматриваться в отдельных статьях. Если конечно до из написание дело дойдет.

Самостоятельный газовый разряд

Чтобы разряд стал самостоятельным, необходимо, чтобы носители тока (электроны и ионы) создавались в результате процессов обусловленных электрическим полем.

Столкновение электронов и ионов с молекулами

Столкновения электронов и ионов с молекулами могут быть упругими и неупругими. Энергия молекулы, как и энергия атома, квантуется. Она может принимать лишь дискретные значения, которые называются уровнями энергии. Состояние с наименьшей энергией называется основным состоянием. Что бы перевести молекулу из основного в возбужденные состояния требуются определенные значения энергии. Сообщив молекуле достаточно большую энергию можно вызвать ее ионизацию.

В возбужденном состоянии молекула пребывает порядка 10 -8 секунд. После чего возвращается в основное состояние излучив избыток энергии в виде фотона. Существуют и метастабильные возбужденные состояния в которых молекулы могут находиться дольше.

При соударении частиц должны выполняться законы сохранения энергии и импульса. То есть, на передачу энергии при ударе накладываются ограничения. Не вся энергия, которой обладает ударяющая частица, может быть передана другой частице. Если при столкновении молекуле не может быть передана энергия, достаточная для ее возбуждения, то суммарная кинетическая энергия частиц не изменяется, а удар будет упругим. Мы можем найти энергию, сообщаемую ударяемой частице при упругом ударе.

Возьмем частицу массой m₁ и имеющую скорость v₁₀, которая ударяется о неподвижную частицу (v₂₀=0) массой m₂. Пусть удар будет центральным. Тогда должны выполняться условия

Здесь v₁ и v₂ скорости частиц после соударения. Из этих уравнений можно найти скорость второй частицы после удара. Передаваемая при упругом ударе второй частице энергия

если ударяющая частица много легче ударяемой (электрон ударяет по молекуле), то выражение для передаваемой энергии можно упростить

Здесь W₁₀ это начальная энергия ударяющей частицы. Поскольку m₂ много больше m₁, при упругом соударении электрон (легкая частица) передаст молекуле (тяжелая частица) только малую часть своей энергии. Электрон просто отскочит от молекулы, как мячик отскакивает от стены.

Все меняется, если ударяющая частица обладает достаточно большой энергией. При этом молекула может быть ионизирована. В таком случае суммарная кинетическая энергия частиц не сохраняется, так как часть энергии затрачивается на возбуждение или ионизацию. Другими словами, на увеличение внутренней энергии соударяющихся частиц или на разделение одной из частиц на две.

Соударения, при которых происходит возбуждение частиц, называются неупругими столкновениями первого рода.

Если в соударении участвует уже возбужденная молекула, то она может перейти в основное состояние без излучения фотона, так как она передаст избыток энергии другой частице. При этом суммарная кинетическая энергия частиц после удара оказывается большей, чем до удара. Такие соударения называются неупругими столкновениями второго рода. Переход молекул из метастабильных состояний в основное происходит за счет столкновений второго рода.

При неупругом столкновении первого рода уравнения сохранения энергии и импульса будут выглядеть так

Здесь ∆W_вн — приращение внутренней энергии молекулы, которое соответствует ее переходу в возбужденное состояние. Можно преобразовать эти уравнения, одновременно исключив из них скорость ударяющей частицы

Видно, что при заданной скорости ударяющей частицы приращение внутренней энергии зависит от скорости, с которой молекула движется после удара. Можно найти наибольшее возможное приращение внутренней энергии (я опущу математические преобразования)

Если ударяющая частица много легче ударяемой, то первый множитель будет близок близок к единице. То есть, при ударе электрона о молекулу почти вся его энергия может быть потрачена на возбуждение или ионизацию молекулы. Стоит отметить, что в случае ионизации наши уравнения будут сложнее, так как после соударения будет не две, а три частицы. Тем не менее, возможность затраты почти всей энергии электрона на ионизацию остается справедливой.

Однако, даже если энергия ударяющей частицы достаточно велика, соударение не обязательно приведет к возбуждению или ионизации. Процесс носит вероятностный характер. Вероятность зависит от скорости, то есть, энергии ударяющей частицы. Чем выше ее скорость, тем меньшее время взаимодействия с ударяемой частицей. Поэтому вероятности выглядят примерно так

Хорошо видно, что с ростом энергии ударяющей частицы сначала резко возрастает вероятность возбуждения, которая быстро, но плавно, снижается. Зато резко возрастает вероятность ионизации. Которая тоже постепенно снижается.

Фотоионизация

Фотон электромагнитного излучения (видимый свет это тоже электромагнитное излучение) обладает энергией равной ℏω. Фотом может быть поглощен молекулой газа. При этом его энергия идет на возбуждение или ионизацию молекулы. Такая ионизация называется фотоионизацияей. Для фотоионизации фотон должен обладать достаточной энергией. Непосредственно фотоионизацию может вызвать ультрафиолетовое или еще более коротковолновое излучение. Фотон видимого света обладает недостаточной для отрыва электрона энергией.

Однако, видимый свет может вызвать ступенчатую фотоионизацию. Этот процесс проходит в два этапа. На первом этапе фотон переводит молекулу в возбужденное состояние. На втором этапе происходит ионизация возбужденной молекулы за счет ее соударения с другой частицей (электроном, ионом).

Кроме того, в газовом разряде возможно и возникновение коротковолнового излучения, которое способно вызвать фотоионизацию. Достаточно быстрый электрон, обладающий большой энергией, способен не только ионизировать молекулу, но и перевести ион в возбужденное состояние. Переход иона в основное состояние сопровождается испусканием фотона большей энергии (частоты), чем у нейтральной молекулы. Энергия такого фотона может оказаться достаточной для непосредственной фотоионизации.

Испускание электронов поверхностью электродов

Электроны могут поступать в пространство газового разряда не только за счет ионизации, но и за счет эмиссии из поверхности электродов. Причем эмиссия играет основную роль в некоторых видах газового разряда. Мы кратко коснемся трех видов эмиссии электронов.

Термоэлектронная эмиссия

Испускание электронов нагретыми телами называется термоэлектронной эмиссией. Наиболее известно применение термоэлектронной эмиссии и нагретых катодов в вакуумных электронных лампах. Но и в газоразрядных электронных приборах такие катоды используются. В металлах всегда имеется некоторое количество свободных электронов. Однако, для из выхода из поверхности за пределы тела электроны должны обладать энергией превышающей работу выхода. При комнатной температуре таких электронов очень мало. И даже покинувшие поверхность тела электроны возвращаются обратно, так как оставшаяся у них энергия (и скорость) очень мала. Повышение температуры повышает энергию электронов и все большее количество электронов покидают поверхность тела. Где они могут подхвачены и ускорены электрическим полем. Повысить термоэлектронную эмиссию позволяет активация катодов.

Вторичная электронная эмиссия

Тоже хорошо известна по вакуумным электронным лампам. Когда обладающий высокой энергией электрон или ион достигают поверхности электрода, они могут выбить из нее вторичные электроны. Энергия таких электронов невелика, но они могут быть ускорены электрическим полем. Отношение количества вторичных электронов к числу частиц, вызвавших вторичную эмиссию, называется коэффициентом вторичной эмиссии. Причем для некоторых металлов, например, платины этот коэффициент выше 1.

Холодная (автоэлектронная) эмиссия

Электроны могут вырваны из поверхности тела очень сильным электрическим полем созданным вблизи этой поверхности. Газоразрядные приборы с холодным катодом используют именно такой вид эмиссии.

Заключение

Наше небольшое повторение физики, раздела посвященного электрическому разряду в газах, было, надеюсь, не слишком сложным. Но оно еще не закончено. В следующий раз мы займемся газоразрядной плазмой. Все это нам необходимо для понимания принципов работы различных газоразрядных приборов. И, в конечном итоге, для успешного их применения. Без упования на счастливую случайность .