§ 77. Электропроводность газов

Определения и обозначения

Ионизация газа — превращение нейтральной частицы в заряженные частицы. При отрыве электрона от атома или молекулы остаются положительный ион и свободный электрон; при присоединении электрона нейтральная частица становится отрицательным ионом. Ионизация нужна, чтобы в газе появились носители тока.

Рекомбинация — соединение свободного электрона с положительным ионом с образованием нейтральной частицы. В результате число свободных носителей уменьшается, а электрический ток ослабевает. Этот процесс конкурирует с ионизацией и влияет на то, сколько заряженных частиц остаётся в газе.

Газовый разряд — прохождение электрического тока через газ. Его создают движущиеся в электрическом поле свободные электроны и ионы, а не нейтральные атомы и молекулы. Это определение помогает отличить проводимость газа от движения нейтрального газа как целого.

Самостоятельный газовый разряд — разряд, который продолжается после прекращения внешнего воздействия, вызывавшего ионизацию. Его носители поддерживают образование новых заряженных частиц, например при столкновениях в сильном поле. Главное при определении такого разряда — проверить, нужен ли ему внешний ионизатор для продолжения.

Как это устроено

Обычный газ при нормальных условиях почти не проводит ток, поскольку его атомы и молекулы электрически нейтральны. Свободные заряженные частицы в нём возникают редко, а значит, переносить заряд почти некому. Поэтому сам факт наличия газа между электродами ещё не означает, что через него пойдёт заметный ток.

Нагревание, излучение или пламя могут сообщить частицам достаточно энергии, чтобы выбить электроны и ионизировать газ. Так образуются электроны и ионы — носители, способные перемещаться в поле. При подключении напряжения электроны направляются к положительному электроду, а положительные ионы — к отрицательному; противоположно заряженные частицы движутся в разные стороны, но обе переносят заряд и создают ток.

При усилении электрического поля носители быстрее достигают электродов, поэтому ток растёт. Однако число частиц, созданных внешним ионизатором за секунду, ограничено. Когда все эти носители успевают добраться до электродов, дальнейшее увеличение напряжения уже не повышает ток: устанавливается ток насыщения.

В несамостоятельном разряде новые носители появляются благодаря внешнему ионизатору. Если его выключить, число частиц перестаёт пополняться, а существующие носители уходят к электродам или исчезают при рекомбинации. Самостоятельный разряд, напротив, продолжается без внешнего источника ионизации: достаточно сильное поле разгоняет электроны, которые при столкновениях могут выбивать электроны из атомов и вызывать ударную ионизацию.

Вид самостоятельного разряда зависит от напряжённости поля, давления газа, расстояния и формы электродов. Искровой разряд — короткий яркий пробой при сильном поле, дуговой возникает при большом токе и сильно нагретом газе. Тлеющий разряд обычно наблюдается при низком давлении и сопровождается свечением, а коронный появляется у острых участков электродов, где поле особенно сильное и неоднородное.

Виды газового разряда и условия их возникновения

Сначала определите, продолжится ли ток без внешнего ионизатора: это отличает несамостоятельный разряд от самостоятельного. Затем сопоставьте условия и видимые проявления с частными видами разряда. Краткая яркая вспышка, длительная горячая дуга, свечение разреженного газа и свечение возле острия указывают на разные режимы.

Разбор задач

Задача 1. Внешний ионизатор создаёт 8·10⁸ пар заряженных частиц за секунду; все они достигают электродов. Требуется найти ток насыщения. Каждая пара содержит электрон и положительный ион, поэтому нельзя считать только заряд одного электрона.

1. За секунду создаётся N = 8·10⁸ пар. Элементарный заряд по модулю равен e = 1,6·10⁻¹⁹ Кл.
2. Электрон и положительный ион пары переносят через цепь суммарный заряд 2e. Поэтому за секунду электроды получают заряд 2eN.
3. Сила тока равна заряду, проходящему за одну секунду: I = 2eN = 2·1,6·10⁻¹⁹·8·10⁸ А = 2,56·10⁻¹⁰ А.

Ответ: ток насыщения равен 2,56·10⁻¹⁰ А. Именно условие, что все пары достигают электродов, позволяет использовать число созданных пар без поправки на потери в газе. Вклад обеих частиц пары удваивает переносимый заряд.

Задача 2. После удаления источника ультрафиолета ток через газ быстро исчезает. Нужно определить вид разряда. Ультрафиолет здесь выступает внешним ионизатором, а наблюдение показывает, что без него разряд не поддерживается.

1. Пока действует излучение, оно создаёт в газе свободные электроны и ионы.
2. После удаления источника новые носители почти перестают появляться. Оставшиеся частицы достигают электродов или рекомбинируют.
3. Ток исчезает, потому что разряд зависит от внешней ионизации, а не поддерживает её самостоятельно.

Ответ: это несамостоятельный разряд. Быстрое прекращение тока — признак того, что для появления новых носителей требовался ультрафиолет.

Задача 3. При повышении напряжения разряд сохраняется после отключения внешнего ионизатора. Объясним, почему он стал самостоятельным, и назовём возможный вид короткого яркого пробоя. Само по себе увеличение напряжения — не определение самостоятельности: решающим признаком служит продолжение тока без внешнего источника.

1. Сильное поле разгоняет свободные электроны. При столкновениях с атомами они могут выбивать из них новые электроны и создавать дополнительные пары заряженных частиц.
2. Новые электроны тоже ускоряются и участвуют в ионизации. Так разряд пополняет число носителей и может продолжаться после отключения внешнего ионизатора.
3. Если пробой короткий и сопровождается яркой вспышкой, возможен искровой разряд. Ударная ионизация объясняет его поддержание, а кратковременный яркий пробой — выбор вида.

Ответ: разряд стал самостоятельным благодаря ионизации при столкновениях в сильном поле; возможный вид короткого яркого пробоя — искровой.

Типичные ошибки

Считать нейтральные частицы носителями тока. Нейтральные атомы и молекулы не испытывают электрической силы так, как заряженные частицы, поэтому их обычное движение не создаёт электрический ток. Ошибку допускают, потому что газ состоит из множества частиц и кажется естественным считать каждую из них носителем. Проверьте себя: у частицы должен быть заряд, чтобы электрическое поле направляло её к электроду.

Учитывать только электроны. Положительные ионы тоже перемещаются в поле и переносят заряд, хотя и движутся к противоположному электроду. Их пропускают, сосредоточившись на лёгких и быстро движущихся электронах. При расчёте проверьте, сколько заряда переносит каждая созданная пара: по модулю это 2e, если обе частицы достигают электродов.

Путать ионизацию с рекомбинацией. Ионизация создаёт заряженные частицы из нейтральных, а рекомбинация, наоборот, соединяет электрон с положительным ионом. Путаница возникает из-за того, что оба процесса связаны с изменением числа носителей. Проверьте направление изменения: ионизация увеличивает их число, рекомбинация уменьшает.

Называть разряд самостоятельным только потому, что идёт ток. Ток может существовать и при постоянном действии внешнего ионизатора, поэтому одного наличия тока недостаточно. Различие легко упустить, если не учитывать, откуда поступают новые носители. Чтобы проверить вид разряда, мысленно отключите внешний ионизатор: если ток прекращается, разряд несамостоятельный.

Связь с другими темами

Для понимания электропроводности газов нужно знать, что такое электрический ток, сила тока, электрическое поле и элементарный заряд. Эти понятия позволяют объяснить, почему частицы движутся к электродам, и вычислить переносимый заряд. Тема связана с изучением плазмы — газа, в котором есть свободные заряженные частицы, — и атмосферных электрических явлений, например молнии. Она также помогает понять, как работают газоразрядные источники света.

Что запомнить

• Ток в газе создают свободные электроны и ионы.
• Ионизация увеличивает число свободных носителей заряда.
• Рекомбинация уменьшает число свободных носителей.
• Несамостоятельный разряд поддерживается внешним ионизатором.
• Самостоятельный разряд может поддерживаться ударной ионизацией.
• Искровой, дуговой, тлеющий и коронный разряды различаются условиями возникновения и проявлениями.