Электрофизические характеристики газов, эффект генерации ионов

Электрофизические характеристики газов, эффект генерации ионов

Зайцев Ю.В., Соловьёв А.В.(тс81у@1теета11.ги), Носачёв К.В.

Московский энергетический институт

Атмосферный воздух представляет собой смесь многих газообразных веществ. Кроме кислорода и азота , образующих основную массу воздуха, в его состав входят в небольшом количестве так называемые инертные газы, двуокись углерода и водяные пары. Помимо перечисленных газов , в воздухе содержится ещё большее или меньшее количество пыли и некоторые случайные примеси. Кислород, азот и инертные газы считаются постоянными составляющими частями воздуха, так как их содержание в воздухе практически повсюду одинаково. Наоборот, содержание С02, водяных паров и пыли может изменяться в зависимости от различных условий.

Как известно при обычных условиях давления и температуры различные газы, входящие в состав воздуха, являются диэлектриками. Рассмотрим, каким образом и при каких условиях в атмосферном воздухе возникают свободные носители заряда.

Известен ряд способов, посредством которых можно сообщать газам заметную электропроводность. Так, например, будучи освещены ультрафиолетовыми или рентгеновскими лучами, или находясь под действием катодных или анодных частиц или частиц, испускаемых радиоактивными веществами, или, наконец, под действием высокой температуры, газы приобретают определённую электропроводность. Так заряженный электроскоп теряет свой заряд независимо от его знака, почти моментально, при воздействии на него электромагнитного излучения. По аналогии с электропроводностью электролитов было сделано еще предположение, что под влиянием таких лучей в пронизываемом ими газе появляются положительно и отрицательно заряженные частицы. Это предположение было затем подтверждено многочисленными опытами Дж. Томсона и его учеников в лаборатории Кавендиша (Саvеndish) в Кембридже в период 1897 - 1903 гг. Эти заряженные электричеством частицы газов были названы ионами, а сам процесс их возникновения - ионизацией. Газообразные вещества характеризуются, как известно, весьма малыми плотностями вследствие больших расстояний между молекулами. Поэтому одна из основных электрофизических характеристик газообразных диэлектриков - диэлектрическая проницаемость незначительна и близка к единице во всех газах без исключения. Из

таблицы 1 видно, что диэлектрическая проницаемость газа тем выше, чем больше радиус молекулы.

Таблица 1

Показатель преломления и диэлектрическая проницаемость некоторых газов

газ Радиус молекулы, нм Показатель преломления п п2 Диэлектрическая проницаемость Ег

Гелий Водород Кислород Аргон Азот Углекислый газ этилен 0,112 0,135 0,182 0,183 0,191 0,230 0,278 1,000035 1,000140 1,000270 1,000275 1,000300 1,000500 1,000650 1,00007 1,00028 1.00054 1.00055 1,00060 1,00100 1,00130 1,000072 1,000270 1,000550 1,000560 1,000600 1,000960 1,001380

Примечание: Г давлении 760 мм рт. риведенные значения справедливы при температуре 20 оС и ст.

Изменение числа молекул в единице объема газа п0 при изменении температуры

и давления вызывает изменение диэлектрической проницаемости газа (табл. 2, 3). Число молекул N пропорционально давлению и обратно пропорционально абсолютной температуре.

Таблица 2

Зависимость диэлектрической проницаемости некоторых газов от давления

при 1=20°С

Давление, МПа

Газ 0,1 2 4

Воздух 1,00058 1,0108 1,0218

Углекислый газ 1,00098 1,0200 1,0500

Азот 1,00060 1,0109 1,0550

Таблица 3

Зависимость диэлектрической проницаемости воздуха от температуры при

р=0,1 МПа

Температура Ег

оС К

+60 333 1,00052

+20 293 1,00058

-60 213 1,00081

В табл. 2 и 3 приведены значения для сухих газов. При изменении влажности воздуха его диэлектрическая проницаемость (при ?=20°С и р=0,1 МПа) изменяется:

Относительная влажность воздуха, % 0 50 100

Диэлектрическая проницаемость 1,00058 1,00060 1,00064

Влияние влажности воздуха незначительно при ?=20°С, но заметно усиливается при повышенной температуре.

Температурная зависимость диэлектрической проницаемости обычно характеризуется выражением

1

ткег = ае = — г е ег ¿т

По формуле (1) можно вычислить относительное изменение диэлектрической проницаемости при повышении температуры на 1 К — так называемый температурный коэффициент диэлектрической проницаемости.

Значение ТКег неполярного газа можно найти по формуле

ТКег =

Для воздуха при t=20 оС

ткег =

-(1.00058 - 1) 0 6 1

—--- = -2 • 10 6 К-1

293

Зависимость диэлектрической проницаемости неполярного газа от давления характеризуют выражением

1 ег - 1

ег dт р

Для воздуха при р=0,1 МПа

1 1,00058 - 1

= 0,0058 МПа-1.

dт 0Г1

Число молекул в единице объема газа п0 определяется

„ _ Р

кТ

Рассмотрим ещё одну не менее важную электрофизическую характеристику газообразных диэлектриков - электропроводность.

Ток в газах, как показали многочисленные исследования, может возникнуть только при наличии в них ионов или , что встречается довольно редко, в результате возникновения свободных электронов. Ионизация нейтральных молекул газа возникает либо под действием внешних факторов, либо вследствие соударений заряженных частиц с молекулами.

Внешними факторами, вызывающими ионизацию газа, являются рентгеновские лучи, ультрафиолетовые лучи, космические лучи, радиоактивное излучение, а также термическое воздействие (сильный нагрев газа). Электропроводность газа, обусловленная действиям внешних ионизаторов, называется несамостоятельной.

С другой стороны, особенно в разреженных газах, возможно создание электропроводности за счет ионов, образующихся в результате соударения заряженных частиц с молекулами газа. Ударная ионизация возникает в газе в тех случаях, когда кинетическая энергия заряженных частиц, приобретаемая под действием электрического поля, достигает достаточно больших значений. Электропроводность газа, обусловленная ударной ионизацией, носит название самостоятельной. Отметим, что в слабых полях ударная ионизация отсутствует и самостоятельной электропроводности не обнаруживается.

Образование ионов связано с процессом отрыва электронов из нейтральных атомов и молекул того или иного газа, которые вследствие этого заряжаются положительно. В тоже время другие молекулы связываются с оторвавшимися электронами и превращаются в отрицательно заряженные ионы.

Для отрыва электрона от атома с превращением последнего в положительный ион необходимо затратить некоторую энергию, которая называется энергией ионизации.

Энергию ионизации определяют путём бомбардировки атомов, находящихся в электрическом поле быстро летящими электронами. То, наименьшее напряжение поля, при котором скорость электронов становится достаточной для ионизации атомов, называется потенциалом ионизации данного элемента и выражается в вольтах.

Величина потенциала ионизации зависит от 3-х причин - от величины заряда ядра, от радиуса атома и от особого рода взаимодействия между электронами в электрическом поле ядра вызванного их волновыми свойствами. У инертных газов потенциал ионизации больше, чем у галогенов, в этом случае сильно сказывается взаимодействие между электронами вследствие чего внешняя электронная оболочка

атома инертного газа имеет особую энергетическую устойчивость и удаление из неё электрона требует значительно большей затраты энергии. В таблице приведены потенциалы ионизации различных газовых компонент атмосферного воздуха.

Таблица 4.

Потенциалы ионизации различных газовых компонент атмосферного воздуха

Газ Потенциал Газ Потенциал

ионизации

Лг 15,8 Б02 13,1

N2 15,6 Н2О 12,6

Н2 15,4 О2 12,5

С02 14,4 N02 11,0

СО 14,1 N0 9,5

Одновременно с образованием ионов обоих полярностей часть положительных ионов соединяется с отрицательными частицами, образуя нейтральные молекулы. Этот процесс называется рекомбинацией.

Наличие рекомбинации препятствует безграничному росту числа ионов в газе и объясняет установление определенной концентрации ионов спустя короткое время после начала действия внешнего ионизатора.

В некоторых газах, например в кислороде, углекислом газе, парах воды, отделившийся электрон при одной из ближайших встреч с другой нейтральной молекулой соединяется с ней, превращая ее в электроотрицательный ион. Присоединение, «прилипанием электрона к нейтральной молекуле приводит в подобных случаях к такой перестройке ее электронной оболочки, что в итоге энергия молекулы, захватившей лишний электрон, оказывается меньше энергии нейтральной молекулы на некоторую величину, которую называют энергией сродства к электрону. Она колеблется у большинства различных газов 0,75—4,5 эВ. В инертных газах — в аргоне, неоне, гелии, криптоне, ксеноне, а также в азоте — отрицательные ионы не возникают.

Скорость электрона (километр в секунду), прошедшего без столкновений разность потенциалов и (вольт), определяется выражением

и и 600^й.

Подставляя в эту формулу ионизационные потенциалы, видим, что электрон ионизирует газовые молекулы, когда скорость его движения свыше 1000 км/с.

Предположим, что ионизированный газ находится между двумя плоскими параллельными электродами, к которым приложено электрическое напряжение. Ионы под влиянием напряжения будут перемещаться, и в цепи возникает ток. Часть ионов будет нейтрализовываться на электродах, часть — исчезать за счет рекомбинации.

На начальном участке кривой (до напряжения насыщения ин ), характеризующей

зависимость тока в газе от напряжения (рис. 1), выполняется закон Ома, при этом запас положительных и отрицательных ионов достаточный и его можно считать постоянным.

Плотность тока в газообразном диэлектрике определяется следующим выражением:

где g - заряд ионов; п - концентрация ионов в газообразном диэлектрике(учитывая, что концентрация ионов обоих полярностей равна); ц + и ц _ - подвижность ионов с положительным и отрицательным зарядом соответственно^ - напряженность электрического поля.

где N - число одновременно генерируемых ионов; V - коэффициент рекомбинации.

Ток между электродами ионизатора: 1=]8, где 8 - площадь каждого электрода в пространстве, между которыми имеет место эффект генерации ионов.

По мере возрастания приложенного напряжения ионы уносятся к электродам, не успевая рекомбинировать, и при некотором напряжении все ионы, создаваемые в газовом промежутке, будут разряжаться на электродах. Очевидно, что дальнейшее увеличение напряжения уже не будет вызывать возрастания тока, что соответствует горизонтальному участку кривой на рис. 1. Ток насыщения достигается для воздуха в нормальных условиях при расстоянии между электродами, равном 10 мм, и напряженности поля около 0,6 В/м.

.!=§п(ц++ Ц Ж

Рис. 1. Зависимость тока в газе от приложенного напряжения

Реальное значение плотности тока насыщения в воздухе весьма мало и составляет примерно 10-15 А/м2. Поэтому воздух можно рассматривать как весьма совершенный диэлектрик до тех пор, пока не создадутся условия для появления ударной ионизации. При увеличении напряжения ток остается постоянным лишь до тех пор, пока ионизация осуществляется под действием внешних факторов. При возникновении ударной ионизации появляется самостоятельная электропроводность (при напряжении, большем напряжения ионизации ии ), и ток вновь начинает увеличиваться с

возрастанием напряжения (рис. 1). Для воздуха Еи ~105^106 В/м.

Эффект увеличения концентрации ионов в результате приложения электрического поля играет ключевую роль в, так называемых, генераторах аэроионов. В этом случае генерация ионов имеет место у электродов вблизи острия т.е. там, где существует наибольшее значение напряженности электрического поля. В связи с этим рабочие элементы генераторов представляют собой систему электродов, создающих повышенную напряженность электрического поля, что и приводит к формированию носителей заряда(ионов) в пространстве между электродами рабочего элемента генератора. В формировании определенной концентрации носителей заряда в диэлектрической газообразной среде важную роль играю аэроионы(отрицательно заряженные частицы кислорода), поскольку для кислорода характерно высокое значение электроотрицательности(для кислорода х=4.08,где /-относительная величина электроотрицательности по А. С.Поваренных (для углерода х=2.5) . В связи с чем атомы и молекулы в электрическом поле с повышенной напряженностью воспринимают на свои электронные оболочки электроны и преобразуются в отрицательно заряженные ионы.

Список литературы

Зайцев Ю.В., Кустов Е.Ф., Кузищина Т.К. Физикохимические свойства элементов проводников. М.: Издательство МЭИ, 2002.