31. Електричен ток в газове. Йонизация на газовете. Несамостоятелна газова проводимост. Волт-амперна характеристика. Ударна йонизация. Самостоятелна газова проводимост. Видове самостоятелен газов разряд. Аеройони. Биологично действие на аеройоните. Видове аеройонизатори.

31.1. Условия за протичане на ток в газовете.

Газовете при налягане, близко до атмосферното и при не-много високи температури са добри изолатори, тъй като при нормални условия те се състоят от неутрални молекули и не съдържат свободни електрични заряди.

За да се превърнат в проводяща среда, трябва част от молекулите на газа да се йонизират, т.е. да се получат йони и свободни електрони. Това може да стане под действието на някакъв външен фактор, наречен йонизатор. Като йонизатори могат да служат висока температура, ултравиолетово и рентгеново лъчение, радиоактивни лъчения, поток от елементарни частици и др. За да се йонизира една неутрална молекула е необходимо да и се придаде енергия, която се нарича енергия на йонизация. Следователно под действието на йонизатора в газа възникват положителни йони и електрони. Свободните електрони могат да се свържат с неутрални молекули и така ги превръщат в отрицателни йони, или под действие на йонизатора в газа се появяват положителни и отрицателни йони и свободни електрони. Поради хаотичното топлинно движение при удар между положителни йони и свободни електрони или между положителни и отрицателни йони може отново да се получат неутрални молекули. Този процес се нарича рекомбинация.

Ако йонизиращият източник има постоянна интензивност, се установява динамично равновесие между тези два процеса и концентрацията на йоните в единица обем остава приблизително постоянна.

Фиг. 31.1.

Ако в йонизиран газ се приложи външно електрично поле, йоните започват да се движат насочено и в газа започва да протича електричен ток. Скоростта на газовите йони е пропорционална на интензитета на електричното поле v=k.E, където k е подвижността на йоните.

Следователно подвижността на йоните се дефинира като скоростта на газовите йони в електрично поле с интензитет 1 V/m. Подвижността има различни стойности в зависимост от вида на йоните.

Тъй като в процеса на протичането на ток в газовете участват както положително заредени, така и отрицателно заредени частици, то големината на тока ще бъде , където q₀ е заряда на йоните, n₀ е концентрацията на йоните, v_n и v_p са скоростите на отрицателните и положителните йони.

31.2. Несамостоятелен газов разряд. Волт-амперна характеристика.

Токът в газ, поддържан от външен йонизатор се нарича несамостоятелен газов разряд, а проводимостта – несамостоятелна газова проводимо.

Фиг. 31.2.

Нека имаме една камера, пълна с газ, на който действа йонизатор с постоянна интензивност (Фиг. 31.2). В камерата се намират два електрода, на които може да се подава променящо се напрежение, и са свързани с галванометър, с който се измерва големината на тока, протичащ между тях. Зависимостта между големината на тока и напрежението (волт-амперната характеристика) има сложен вид. В участъка ОА големината на тока нараства правопропорционално на напрежението на електродите, както следва от формулата за скоростта на йоните в електрично поле. В този участък е в сила закона на Ом. При по-нататъшно повишаване на напрежението линейната зависимост се нарушава – в участъка АВ става нелинейна, а в участъка ВС големината на тока не се променя въпреки нарастването на напрежението. Напрежението в този участък е достатъчно голямо, така че всички образувани йони за единица време от йонизатора достигат до електродите. Поради това при действието на йонизатор с постоянна мощност големината на тока ще остава постоянна. Големината на тока, който съответства на участъка ВС, се нарича ток на насищане. Ако в този участък от волт-амперната характеристика се прекрати действието на външния йонизатор, то ще се прекрати и разряда.

При по-нататъшното повишаване на напрежението, токът в началото по-бавно (участъка СD), а след това (участъка DE) и рязко нараства. Това става при стойности на напрежението над 10⁵V/m. В газа се появява силно светене, придружено от отделяне на топлина. За протичането на ток не е необходима йонизираща причина. Причина за това рязко нарастване на тока е включването на нови механизми за йонизация.

31.3. Ударна йонизация.

При големи напрежения електроните, възникващи под действието на външния йонизатор, се ускоряват от високото напрежение и удряйки се в неутрални молекули, избиват електрони и ги йонизират. Вторичните електрони отново се ускоряват и йонизират нови молекули и т.н. По този начин общото количество на йоните и електроните нараства лавинообразно. Това явление се нарича ударна йонизация.

Фиг. 32.2.

При още по-високи напрежения възникват и други процеси. Положителни йони, ускорени в електричното поле, могат да възбуждат или йонизират неутрални молекули, или удряйки се в катода, да избиват електрони. Фотоните от своя страна могат да избиват електрони от катода или да йонизират неутрални молекули. В резултат на тези процеси броя на йоните и електроните силно нараства и разряда става самостоятелен. Напрежението, при което възниква самостоятелен разряд, се нарича пробивно напрежение.

31.4. Самостоятелен газов разряд.

В зависимост от налягането на газа и вида на електродите, могат да възникнат различни видове самостоятелен разряд.

Искров разряд възниква при интензитет на полето от порядъка на 3.10⁶ V/m и газ при атмосферно налягане. Получава се ярко светещ разклонен канал, отделя се голямо количество енергия и газът се загрява до висока температура (от порядъка на 10⁴ градуса). Бързото нагряване на газа води до повишено налягане и възникване на ударни вълни, които пораждат звуковите ефекти при искровия разряд. Искров разряд представляват мълниите в атмосферата.

Дъгов разряд възниква при ниски напрежения около 60 V между два въгленови или метални електроди. За да възникне дъга, електродите трябва да се допрат. Протичащият силен ток ги нажежава и при разделянето на електродите се получава дъга, която се поддържа за сметка на емисия на електрони от катода. Намира приложение като източник на светлина при прожектори и живачни лампи и при заваряване и рязане на метали.

Коронен разряд възниква в нееднородно електрично поле при газ с нормално или повишено налягане. Около заострените части на електродите се наблюдава виолетово светене, придружено от звуков ефект. При естествени условия се получава под влияние на атмосферното електричество на върховете на мачти или високи дървета, около проводниците на далекопроводите и др.

Тлеещ разряд възниква в разреден газ. Използва се като източник на светлина в луминесцентните лампи. При естествени условия полярното сияние представлява тлеещ разряд. То се възбужда от потоци заредени частици, изхвърляни от Слънцето, които се концентрират от магнитното поле на Земята в горните разредени слоеве на атмосферата.

Фиг. 32.3. Снимки на различни видове газов разряд.

31.5. Аеройони

Под действие на различни йонизиращи фактори във въздуха винаги се съдържа определено количество газови йони, които се наричат аеройони. Това са главно азотни и кислородни йони. Главни естествени йонизиращи фактори са космичното лъчение, ултравиолетовото лъчение на Слънцето, лъчение от радиоактивни атоми в земната кора, в някои минерални води и във въздуха. Аеройони могат да се получат и при разпрашване на водата от морския прибой или край водопади.

Положителните и отрицателните газови йони могат да се свържат с неутрални молекули на въздуха, прашинки, димни частици и други частици, които се намират във въздуха и да образуват комплекси с различна големина. Поради това аеройоните можем да разделим на леки, средни и тежки.

Леките аеройони са съставени от единични газови йони с диаметъв 7-8.10^-10 m. Средните аеройони са съставени от неутрални молекули, към които са се прикрепили единични газови йони. Размерите им са от 1.6 10^-7 до 5.10^-6 m. Тежките йони се получават при прикрепване на газови йони към прашинки, димни частици, капчици течност и др., които се намират във въздуха. Имат размери от 5.10^-6 до 2.10^-5 m.

Установено е, че леките отрицателни аеройони имат общоукрепващо действие и определен бактерициден ефект. Положителните аеройони пък подтискат нормалните функции на организмите.

Аеройонизатори се наричат генератори на отрицателни йони за целите на профилактиката и терапията в медицината. При всички видове образуваните положителни йони се неутрализират и във въздуха остават само отрицателните. Според вида на йонизиращата причина биват електроефлювиални, радиоактивни и ултравиолетови.

При електроефлювиалните аеройонизатори за йонизация се използва коронен разряд между два електрода. Единият електрод е заземен, а другият е свързан с отрицателния полюс на източник на постоянно напрежение от 70-100kV и е във формата на острие. Получените положителни йони се неутрализират на отрицателния електрод. Отрицателните йони се ускоряват в електричното поле до енергии, достатъчни за предизвикване на ударна йонизация. Концентрацията на леките отрицателни йони в близост до йонизатора достига до 10¹² йони в кубичен метър. Недостатък на този вид генератори е образуването на озон и на някои азотни оксиди, които са токсични.

При радиоактивните генератори се използва силното йонизиращо действие на α или β радиоактивни изотопи. Радиоактивното вещество се фиксира върху метална подложка. Във въздуха около радиоактивния източник се образуват непрекъснато аеройони от двата вида. Металната подложка се свързва с отрицателния полюс на източника на напрежение и върху нея се неутрализират положителните йони. Отрицателните йони се издухват във въздуха, като концентрацията им е около 10¹² йони в кубичен метър.

При ултравиолетовите йонизатори се използват живачно-кварцови лампи, които излъчват ултравиолетово лъчение, което йонизира въздуха. Положителните аеройони се отклоняват в електрично поле и се неутрализират, а отрицателните се издухват във въздуха.