§ 33. Ток в газах

Определения и обозначения

Ионизация газа — образование свободных электронов и положительных ионов из нейтральных атомов или молекул. Её могут вызывать нагревание, излучение и столкновения частиц. Ионизация нужна для появления носителей заряда, без которых ток в газе почти невозможен.

Рекомбинация — соединение свободного электрона с положительным ионом с образованием нейтральной частицы. При этом число заряженных частиц уменьшается. Поэтому рекомбинация ослабляет газовый разряд и может привести к исчезновению тока.

Газовый разряд — прохождение электрического тока через газ. Ток создают направленно движущиеся свободные электроны и положительные ионы. Сам термин помогает отличать проводимость газа от проводимости металлов, где основными носителями являются электроны.

Самостоятельный газовый разряд — разряд, который продолжается после прекращения действия внешнего ионизатора благодаря процессам внутри газа. Новые заряженные частицы возникают, например, при столкновениях быстрых электронов с нейтральными частицами. Поэтому такой разряд не требует постоянного облучения или другого внешнего воздействия.

Как это устроено

Обычный газ почти не проводит ток, потому что его атомы и молекулы в основном нейтральны. Свободные заряженные частицы быстро захватываются или соединяются друг с другом, поэтому их концентрация мала. Чтобы газ стал проводником, нужно увеличить число электронов и ионов с помощью ионизации.

Электрическое поле действует на все заряженные частицы. Электроны перемещаются к положительному электроду, а положительные ионы — к отрицательному. Их направленное движение создаёт электрический ток, хотя отдельные частицы одновременно продолжают беспорядочно двигаться и сталкиваться.

При достаточно сильном поле электроны между столкновениями успевают набрать большую энергию. Ударившись о нейтральную частицу, такой электрон может выбить из неё другой электрон, оставив положительный ион. Новые электроны также ускоряются и вызывают следующие столкновения, поэтому возникает цепная ударная ионизация.

Несамостоятельный разряд существует только при действии внешнего ионизатора, например источника ультрафиолетового излучения. После его выключения новые пары зарядов почти не образуются, а рекомбинация и уход частиц к электродам уменьшают ток. Самостоятельный разряд отличается тем, что процессы внутри газа сами поддерживают необходимое число носителей.

Вид разряда зависит от напряжения, давления, расстояния между электродами и силы тока. Краткая яркая вспышка характерна для искрового разряда, устойчивый горячий канал — для дугового. Слабое свечение при малом токе называют тлеющим разрядом, а свечение около острого электрода при сильном неоднородном поле — коронным.

Виды газового разряда и их особенности

Сначала определите условия: напряжение, давление, силу тока и форму электродов. Затем сравните проявление разряда с особенностями строк таблицы. Один и тот же газ может давать разные виды разряда при изменении условий.

Разбор задач

Задача 1. Почему ток исчезает после выключения ионизатора?

В газе есть внешний ионизатор, но электрическое поле недостаточно сильное. Пока ионизатор работает, он создаёт электроны и положительные ионы. Нужно объяснить, что произойдёт после его выключения.

1. Определим источник носителей заряда: им является внешний ионизатор, а не само слабое электрическое поле.
2. После выключения ионизатора новые пары заряженных частиц образуются слишком редко.
3. Оставшиеся частицы достигают электродов или соединяются при рекомбинации, поэтому их число быстро уменьшается.

Ответ: ток исчезает, потому что без ионизатора не поддерживается нужная концентрация носителей. Рекомбинация и уход частиц к электродам прекращают разряд.

Задача 2. Как определить вид разряда по способу поддержания?

В первом случае ток идёт только при работающем источнике ультрафиолетового излучения. Во втором случае ток продолжается и после выключения этого источника. Требуется определить вид каждого разряда.

1. Сравним условие существования тока с определением несамостоятельного разряда.
2. Первый разряд зависит от внешнего ионизатора, поэтому он является несамостоятельным.
3. Во втором случае зарядовые частицы образуются внутри газа, поэтому разряд является самостоятельным.

Ответ: первый разряд — несамостоятельный, второй — самостоятельный. Главное различие состоит в необходимости внешнего ионизатора.

Задача 3. Почему дуговой разряд применяют для сварки?

Между электродами возникла яркая проводящая дуга. Нужно объяснить, какие процессы поддерживают ток и почему дуга пригодна для соединения металлических деталей. Учитываем, что дуговой разряд сопровождается сильным нагреванием.

1. Большой ток нагревает газ и электроды, поэтому усиливается термическая ионизация.
2. В ионизированном газе электроны и ионы движутся между электродами и поддерживают ток.
3. Высокая температура дуги плавит металл в месте соединения, а после охлаждения образуется прочный шов.

Ответ: дугу поддерживают ионизация газа, движение зарядов и высокая температура. Её применяют для сварки, потому что она локально расплавляет металл и позволяет соединить детали.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что газ проводит ток так же, как металл. В газе носителями служат не только электроны, но и положительные ионы, возникающие при ионизации. Проверьте себя: назовите два вида носителей, прежде чем объяснять движение тока.

Ошибка: путать ионизацию с рекомбинацией. Ионизация создаёт заряженные частицы, а рекомбинация соединяет их и уменьшает их число. Для проверки спросите себя, увеличивается или уменьшается количество свободных носителей.

Ошибка: считать любой разряд самостоятельным. Несамостоятельный разряд прекращается после выключения внешнего ионизатора, если поле недостаточно сильное. Проверьте признак разряда вопросом: может ли он продолжаться без внешнего источника ионизации?

Ошибка: смешивать направление движения электронов с условным направлением тока. Электроны движутся против направления тока, а положительные ионы — по нему. Нарисуйте стрелки от отрицательного электрода к положительному для электронов и наоборот для положительных ионов.

Связь с другими темами

Для понимания тока в газах нужны знания об электрическом токе, электрическом поле и движении заряженных частиц. Поле задаёт направление движения носителей, а ток является результатом этого движения. Ионизация объясняет, откуда носители появляются в почти нейтральном газе.

Тема связана с электролизом: в электролитах, как и в газах, ток переносят заряженные частицы. Однако в электролитах это положительные и отрицательные ионы, а в газе обычно движутся электроны и положительные ионы. Различие носителей приводит к различиям в свойствах проводимости.

Представления об ионизации и газовом разряде пригодятся при изучении плазмы, электрических приборов и атмосферных явлений. Плазма содержит большое количество свободных заряженных частиц. Молния и свечение газовых трубок помогают увидеть действие этих процессов в природе и технике.

Что запомнить

• В обычном газе мало свободных заряженных частиц, поэтому он плохо проводит ток.
• Ионизация создаёт свободные электроны и положительные ионы.
• Ток в газе создают направленно движущиеся электроны и ионы.
• Рекомбинация уменьшает число свободных заряженных частиц.
• Несамостоятельный разряд требует внешнего ионизатора.
• Самостоятельный разряд поддерживается процессами внутри газа.
• Искровой, дуговой, тлеющий и коронный разряды различаются условиями и проявлениями.