Электрические разряды в газах: тлеющий разряд

МИНОБРНАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ»
ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ
КАФЕДРА ОБЩЕЙ ФИЗИКИ
ПРОЕКТ 1
на тему:
«Электрические разряды в газах:
тлеющий разряд»
Направление подготовки: 44.03.05 Педагогическое образование
Профиль физика и математика
Выполнил:
студент 1 курса 10 группы
Молчанова Екатерина Захаровна
Руководитель проекта:
кандидат физико-математических наук,
доцент Петрова Галина Григорьевна
г.Ростов-на-Дону, 2026г.
Оглавление
Введения .................................................................................................. 3
Что известно о газовых разрядах. ................................................ 4
I.
1.
Ионизация газов, газовые ионы ................................................ 4
2.
Вольтамперная характеристика газового разряда................... 6
3.
Несамостоятельный и самостоятельный разряды в газах ...... 8
4.
Виды разрядов в газах. ............................................................... 9
Наблюдение тлеющего разряда в лаборатории: ....................... 13
II.
1.
Условия для наблюдения тлеющего разряда. ........................ 13
2.
Описание приборов .................................................................. 14
3.
Описание наблюдаемого явления ........................................... 15
III.
Высотные разряды в атмосфере ................................................. 17
1.
Глобальная электрическая цепь. ............................................. 17
2.
Спрайты, джеты, гало и эльфы. .............................................. 18
Заключение ............................................................................................ 20
Список литературы ............................................................................... 21
2
Введения
Проблема:
Особенностью электромагнитных взаимодействий является то, что они
осуществляются без непосредственного контакта взаимодействующих
тел, что выглядит, на первый взгляд, как чудо! Каковы свойства тех
объектов, посредством которых осуществляются эти взаимодействия?
Как проявляют себя электрические и магнитные поля?
Актуальность:
Воздух как все мы знаем является диэлектриком. Однако во время грозы
все мы видели молнии, направленные в землю. Почему в воздухе
являющимся диэлектриком происходят электрические разряды? Какие
необходимы условия для возникновения электрического разряда в газах?
Происходят ли в атмосфере еще какие-то разряды помимо привычных
нам направленных в землю молний?
Цель:
Исследование электрических разрядов в газах и способов получения
тлеющего разряда.
Задачи:
1. Изучить теоретические материалы по теме электрические разряды
в газах.
2. Наблюдать тлеющий разряд в лаборатории.
3. Ознакомится с высотными разрядами.
3
I.
Что известно о газовых разрядах.
1. Ионизация газов, газовые ионы
Газы не содержат свободных заряженных частиц, то есть при
обычных условиях газы является диэлектриком. Газ становится
проводником, если часть его молекул ионизировать (расщепить на
положительные ионы и свободные электроны). Отрицательные ионы
образуются, когда свободный электрон присоединяется к нейтральном
атомам.
Для ионизации молекулы (или атома) газа необходимо совершить
работу ионизации. Она зависит от химической природы газа и
энергетического состояния вырываемого электрона в ионизируемом
молекуле или атоме.
После удаления из атома валентного (слабо связанного, внешнего)
электрона прочность связи остальных электронов возрастает. Значит, для
удаления ещё одного электрона нужно совершить работу, которая
значительно больше работы отрыва первого электрона.
Работу ионизации можно характеризовать с помощью потенциала
ионизации. Разность потенциалов, которую должен пройти электрон в
ускоряющем электрическом поле, чтобы увеличение его энергии было
равно работе ионизации, называется потенциалом ионизации (φₙ = Aₙ/e)
Количественной характеристикой процесса ионизации является
интенсивность ионизации, равная числу пар противоположных по знаку
заряженных частиц, возникающих в единице объёма газа за единицу
времени.
Ионизация газа происходить под влиянием различных факторов. В
обычных условиях газ постоянно подвергается действию космического и
радиоактивного излучений. Поэтому проводимость газа никогда не равна
нулю. Однако интенсивность ионизации под влиянием космических
лучей и распада рассеянных в земной коре радиоактивных элементов
4
очень мала. Присутствие в газах даже малого количества свободных
электронов и ионов играет существенную роль в возникновении заметной
проводимости газов в достаточно сильных электрических полях.
5
2. Вольтамперная характеристика газового разряда
На рис. 1 показана схема установки для изучения вольтамперной
характеристики газового разряда в заполненной газом стеклянной трубке
М, т. е. зависимости силы тока I от напряжения U между электродами А
и К, впаянными в трубку. Газ ионизируется рентгеновским излучением,
испускаемым рентгеновской трубкой R. Для измерения силы тока I
служит чувствительный гальванометр G. Напряжение регулируется
потенциометром Р и измеряется вольтметром V. Интенсивность
ионизации газа не изменяется.
Рис.1
Рис.2
На участке ОА сила выполняется закон Ома.
На участке АВ рост тока замедляется, закон Ома нарушается.
На участке ВС рост ток не меняется – явление «ток насыщения».
Все
электроны,
созданные
внешним
ионизатором,
достигают
соответствующих электродов.
Начиная с точки С рост тока возобновляется, это связано с тем, что
при больших напряжениях электроны ускоряются электрическим полем
настолько, что при столкновении с нейтральным атомом ионизируют их,
потому что масса электрона намного меньше массы иона, а электроны
обладают большой кинетической энергией.
6
Ускоренные электроны, двигаясь к электродам, вновь ионизируют
атомы и молекулы. Этот процесс называется ударной ионизацией.
Однако, ударной ионизации еще недостаточно для создания лавины
(участок DЕ на вольтамперной характеристике). Для лавины необходимо
наличие следующих процессов:
 ускоренные электрическим полем положительные ионы достигают
катода и выбивают из него вторичные электроны;
 положительные ионы, сталкиваясь с нейтральными атомами,
переводят их в возбужденное состояние.
 Возбужденные атомы излучают фотоны, эти фотоны вызывают
ионизацию нейтральных атомов и молекул.
Процесс
лавинообразно
нарастает. Напряжение,
при
котором
наблюдается лавинообразное нарастание тока, называется напряжением
пробоя.
7
3. Несамостоятельный и самостоятельный разряды
в газах.
Несамостоятельный
разряд.
Пусть
с
помощью
какого-либо
ионизатора в газе образуется в секунду определённое число пар
заряженных частиц: положительных ионов и электронов. При небольшой
разности потенциалов между электродами трубки, заряженные частицы
стремятся к соответствующим электродам. В результате в трубке
происходит газовый разряд. Часть ионов воссоединяется с электронами,
образуя нейтральные молекулы газа. По мере увеличения разности
потенциалов между электродами трубки доля заряженных частиц,
достигающих электродов, увеличивается. Возрастает и сила тока в цепи.
Наконец наступает момент, при котором все заряженные частицы,
образующиеся в газе за секунду, достигают за это время электродов. При
этом дальнейшего роста силы тока не происходит (рис.2 участок ВС). Ток
достигает насыщения.
Самостоятельный разряд. В газах при увеличении разности
потенциалов между электродами, начиная с некоторого её значения, сила
тока
снова
возрастает.
Это
означает,
что
в
газе
появляются
дополнительные ионы помимо тех, которые образуются за счёт действия
ионизатора. Сила тока может возрасти в сотни и тысячи раз, а число
ионов, возникающих в процессе разряда, может стать таким большим, что
внешний ионизатор будет уже не нужен для поддержания разряда. Если
убрать внешний ионизатор, то разряд может не прекратиться. Разряд,
происходящий
в
газе
без
внешнего
ионизатора,
называется
самостоятельным разрядом.
8
4. Виды разрядов в газах.
Искровой разряд — это кратковременный самостоятельный
электрический пробой газа, который визуально проявляется как сеть
ярких, извилистых каналов. Эти каналы не статичны: они стремительно
формируются, гаснут и заменяются новыми структурами, создавая
эффект мерцающего света. Рост искровых каналов может начинаться: от
катода; от анода; иногда из произвольной точки в межэлектродном
пространстве.
Это объясняется тем, что ионизация ударом происходит по отдельным
каналам проходящих в тех местах, в которых концентрация ионов
случайно оказалась наибольшей.
Искровой разряд сопровождается выделением большого количества
теплоты, ярким свечением газа, треском и громом.
Примером гигантского искрового разряда в атмосфере является
молния между заряженными облаками или между облаком и Землёй.
Сила тока в основной фазе молнии колоссальна — она достигает 10–100
кА и более.
9
Коронный
разряд
возникает
в
условиях
нормального
атмосферного
давления, когда газ находится
в
резко
неоднородном
электрическом
Типичные
поле.
зоны
появления:
проводников
его
острия
и
провода
высоковольтных
линий
электропередачи.
Особенность этого типа разряда — локализация ионизации и
свечения: процессы происходят исключительно вблизи коронирующих
электродов, не распространяясь на весь межэлектродный промежуток.
Различают два типа короны:
1. Отрицательная корона (при коронировании катода): электроны,
инициирующие ударную ионизацию, выбиваются из катода
ускоренными положительными ионами.
2. Положительная корона (при коронировании анода): генерация
свободных электронов происходит за счёт фотоионизации в
прианодной области.
10
Практический недостаток
коронного разряда — утечка
тока в высоковольтных линиях,
вызывающая
потери.
энергетические
При
повышении
напряжения коронный разряд
на остриях трансформируется:
появляются
динамичные
светящиеся линии с изломами,
напоминающие кисть. Это явление называют кистевым разрядом.
Дальнейшее увеличение напряжения может спровоцировать переход
коронного разряда в искровой.
Дуговой разряд формируется при высокой плотности тока и
относительно
низком
напряжении.
Его
зарождение
обусловлено
интенсивной эмиссией термоэлектронов с поверхности раскалённого
катода. Эти электроны, ускоряемые электрическим полем, вызывают
ударную ионизацию молекул газа, что резко снижает сопротивление
межэлектродного промежутка.
Характерная
особенность
дугового
разряда
—
падающая
вольтамперная характеристика: при увеличении силы тока (за счёт
снижения
сопротивления
внешней
цепи) проводимость газового
промежутка возрастает, а напряжение между электродами падает.
Таким образом, дуговой разряд имеет падающую вольтамперную
характеристику. При атмосферном давлении температура катода
достигает 30000С; электроны интенсивно испускаются нагретым катодом
и бомбардируют анод, создают в нем кратеры. Температура кратера
40000С, а при большом давлении – 70000С. Температура в канале между
электродами также чрезвычайно высока. Это приводит к интенсивной
термоионизации.
11
Шнуровой разряд возникает при высоком давлении газа и больших
значениях тока. В отличие от равномерного распределения тока (как в
тлеющем разряде) или кратковременных искровых каналов, здесь ток
концентрируется в узких светящихся каналах — «шнурах», которые
могут иметь цилиндрическую или иную форму.
Ток стягивается в узкие каналы из‑за радиальной неоднородности
ионизации и рекомбинации заряженных частиц. В центре канала
плотность тока и температура выше, чем на периферии, что усиливает
ионизацию и создаёт положительную обратную связь.
Несмотря на малое сечение шнура, через него может протекать
практически весь ток разряда.
В шнурах резко возрастает объёмная плотность энергии плазмы, что
приводит к усилению свечения и изменению спектрального состава
излучения.
Положение и форма шнуров могут колебаться, вызывая пульсации
тока и напряжения.
Тлеющий разряд представляет собой один из видов стационарного
самостоятельного разряда в газах. Поговорим о нем подробней далее.
12
II.
Наблюдение тлеющего разряда в лаборатории:
1.
Условия для наблюдения тлеющего разряда.
Тлеющий разряд возникает в условиях пониженного давления газа
— обычно порядка нескольких килопаскалей и ниже. Его удобно
наблюдать в лабораторных условиях с помощью разрядных трубок с
холодным катодом, где для инициирования разряда достаточно подать
напряжение в сотни вольт. Характерная зона формирования разряда
локализуется
вблизи
катода,
что
определяет
особенности
его
пространственной структуры и физических процессов.
13
2.
Описание приборов
Для
наблюдения
тлеющего
разряда
необходима
трубка
с
стеклянная
электродами,
насос для откачки воздуха
и источник питания.
14
3.
Описание наблюдаемого явления
На
иллюстрации
представлена
типичная
разрядная трубка с тлеющим
разрядом,
а
также
график
распределения электрического
потенциала
φ
вдоль
её
продольной оси.
Ключевую роль в поддержании устойчивого тлеющего разряда играют
первые две зоны катодной части. Их взаимодействие создаёт условия для
самоподдерживающейся ионизации газа.
Область резкого падения потенциала (около катода). На границе зон I
и II наблюдается значительный скачок потенциала. Это явление
обусловлено высокой концентрацией положительных ионов, которые
накапливаются
из‑за
их
направлению
к
катоду.
пространственный
заряд
сравнительно
низкой
Образовавшийся
создаёт
сильное
подвижности
по
положительный
электрическое
поле,
необходимое для ускорения электронов.
Катодное тёмное пространство. В этой зоне ускоренные электроны и
положительные ионы бомбардируют поверхность катода, выбивая из
него дополнительные электроны (вторичная эмиссия). Несмотря на
интенсивные процессы, видимого свечения здесь не наблюдается —
энергия частиц ещё не достаточна для возбуждения атомов газа,
излучающих свет.
Область тлеющего свечения. По мере удаления от катода электроны
приобретают энергию, достаточную для ударной ионизации молекул газа.
15
Именно в этой зоне возникает характерное свечение, давшее название
всему типу разряда. Цвет свечения зависит от природы газа, как показано
на фотографиях
Тлеющий разряд в неоне
Тлеющий разряд в водороде
Тлеющий разряд в воздухе
Таким образом, первые две катодные области (резкое падение
потенциала и катодное тёмное пространство) выполняют функцию
«генератора» заряженных частиц, а область тлеющего свечения — «зоны
активной ионизации». Эта самоподдерживающаяся система позволяет
разряду существовать длительное время при стабильных внешних
условиях.
16
III.
Высотные разряды в атмосфере.
1. Глобальная электрическая цепь.
Между поверхностью Земли (–) и электросферой (+) существует
огромная разность потенциалов (~300 000 В), создающая постоянное
электрическое поле.
В областях без гроз («спокойная погода») положительный заряд
медленно стекает к Земле через слабопроводящий воздух (ток спокойной
погоды).
Грозы компенсируют этот ток, перенося отрицательный заряд с
облаков на поверхность Земли, поддерживая разность потенциалов.
Таким образом, глобальная электрическая цепь замкнута: заряд
циркулирует между Землёй и атмосферой, поддерживая электрический
баланс планеты.
17
2. Спрайты, джеты, гало и эльфы.
Искровые электрические разряды, наблюдаемые в атмосфере земли
выше тропосферных облаков, и в отличии от молний чаще всего
направление вверх, а не к земле или другому облаку называются
высотными разрядами.
Высотные разряды в атмосфере Земли были открыты в ночь с 5 на
6 июля 1989 г. американским физиком Дж. Р. Уинклером, который
направил высокочувствительную видеокамеру на область над грозовыми
облаками и обнаружил несколько восходящих ярких вспышек,
направленных к ионосфере. В 1993 году на высоте не менее 50–60 км
были обнаружены разряды с размерами в несколько десятков километров.
В настоящее время выделяют 4 основных типа высотных разрядов:
спрайты, джеты, гало и эльфы(см рис. 3).
Рис. 3. Изображение типов высотных разрядов в атмосфере
Джеты зарождаются в верхней части облаков и распространяются со
скоростью около 100м/с. Гигантские джеты способны достигнуть
18
мезосферы. Джеты обычно наблюдаются в экваториальных областях, где
грозовые облака могут достигать высоты 18 км.
Эльфы встречаются в нижней ионосфере на высотах 80–100 км и
выглядят как красно-фиолетовое кольцо. В атмосфере Земли может
наблюдаться до 35 эльфов в минуту. Это самые распространённые и
самые коротко живущие разряды.
Спрайты наблюдаются на высотах 50–90 км и представляют собой
горизонтальное яркое структурированное свечение размером до 40-50 км.
Красные спрайты – полное название данного вида разрядов, однако
оптическое излучение сосредоточено не только в красной, но и в синей
части спектра.
Гало возникает на высоте около 75–85 км и выглядит как светящийся
диск с поперечным масштабом 40–80 км в мезосфере над областью
тропосферного разряда. Гало встречаются гораздо чаще спрайтов.
19
Заключение
В ходе проектной работы по теме «Электрические разряды в газах:
тлеющий разряд» я узнала о различных видах электрических разрядов в
газах и условиях их возникновения. Также я изучила процесс получения
тлеющего разряда и провела опыт по его получению. Кроме того, я
ознакомилась с информацией о высотных разрядах, происходящих над
облаками в верхних слоях атмосферы.
Понимание того, как протекают электрические разряды в газах,
может помочь в изучении высотных разрядов, что будет способствовать
развитию науки и технологий в области электродинамики атмосферы.
20
Список литературы
1. Курс физики высшее специальное образование А. А. Детлаф Б. М.
Яворский
издательский
центр
"академия"
2009
год.
Глава
20.
Электрический ток в жидкостях, газах и плазме.
2. Н. А. Кормаков Электрический ток в различных средах.
(https://kormakov.ru/upload/10klass/ok/10.%D0%AD%D0%BB.%D1%82%D0%BE%D0%BA%20%D0%B
2%20%D1%80%D0%B0%D0%B7%D0%BB%D0%B8%D1%87%D0%BD
%D1%8B%D1%85%20%D1%81%D1%80%D0%B5%D0%B4%D0%B0%D
1%85.pdf)
3.
Высотные
разряды
в
атмосфере.
Большая
российская
энциклопедия (https://bigenc.ru/c/vysotnye-razriady-v-atmosfere-f6180a)
4. Лекция №12 раздел «Электричество и магнетизм» Составитель:
Еремеев Б.Н. (https://studfile.net/preview/9457163/page:2/)
5.
Райзер
Ю.
П.
Физика
газового
разряда.
(https://djvu.online/file/PAYNdQndcqI2R?ysclid=mnvpmebjdw536232425)
21