§ 11. Электрический ток в газах. Плазма

Определения и обозначения

Электрический ток в газах — направленное движение свободных электронов и ионов, возникающих при ионизации газа. Это определение показывает, чем газовая проводимость отличается от проводимости металлов: в ней участвуют носители двух знаков.

Ионизация газа — образование свободных электронов и положительных ионов из нейтральных атомов или молекул. Понятие нужно, чтобы объяснить появление носителей: без отрыва электронов от частиц газ почти не способен проводить ток.

Газовый разряд — прохождение электрического тока через ионизированный газ. Так называют наблюдаемое явление, а его вид зависит от напряжения, давления, состава газа и условий отвода энергии.

Плазма — ионизированный газ, содержащий свободные электроны и ионы и в целом сохраняющий электрическую нейтральность. Благодаря большому числу подвижных частиц плазма хорошо проводит ток и реагирует на электрические и магнитные поля.

Как это устроено

Обычный газ почти не проводит ток, потому что его атомы и молекулы электрически нейтральны, а связанных электронов недостаточно для направленного переноса заряда. Внешнее поле само по себе не создаёт много новых носителей: оно лишь действует на уже имеющиеся заряженные частицы. Если газ ионизировать, появляются свободные электроны и положительные ионы, поэтому среда становится проводящей.

Внешний ионизатором могут быть ультрафиолетовое или радиоактивное излучение, нагревание и поток быстрых частиц. Электрическое поле разделяет возникшие заряды: электроны ускоряются к положительному электроду, а положительные ионы — к отрицательному. Их движение в противоположные стороны всё равно создаёт ток одного условного направления, поскольку учитывается знак заряда каждой частицы.

Одновременно с ионизацией идёт рекомбинация — соединение электрона с положительным ионом с образованием нейтральной частицы. Поэтому число носителей зависит от соперничества двух процессов: ионизации и рекомбинации. Если внешний ионизатор выключить, а поле недостаточно сильно для восполнения потерь, носители исчезают и ток прекращается; такой режим называют несамостоятельным разрядом.

При достаточно сильном поле электрон разгоняется между столкновениями и может ударом выбить электрон из нейтральной частицы. Возникают новые электроны и ионы, которые тоже ускоряются и вызывают следующие ионизации: развивается электронная лавина. Когда внутренние процессы поддерживают нужное число носителей, начинается самостоятельный разряд; его проявление зависит от условий и может быть тлеющим, искровым, дуговым или коронным.

Как это устроено

График показывает качественную зависимость силы тока от напряжения. Сначала ток возрастает, затем достигает насыщения I_нас: почти все частицы, созданные внешним ионизатором, успевают попасть на электроды. После напряжения пробоя U_пр начинается резкий рост тока из-за перехода к самостоятельному разряду.

Виды электрического разряда в газах

Сначала определите, нужен ли внешний ионизатор и продолжается ли ток после его удаления. Затем обратите внимание на давление, яркость, длительность разряда и нагрев. Плазма — более общее состояние ионизированного газа, а перечисленные разряды описывают конкретные режимы его протекания.

Разбор задач

Задача 1. Ионизация воздуха

Условие. Объяснить, почему сухой воздух между электродами не проводит ток, а при воздействии ультрафиолетового излучения ток появляется, и указать носители заряда.

1. В обычном сухом воздухе молекулы нейтральны, а свободных заряженных частиц очень мало. Поэтому электрическое поле почти не может создать направленное движение зарядов, и воздух ведёт себя как диэлектрик.
2. Ультрафиолетовый фотон может передать молекуле достаточную энергию, чтобы выбить из неё электрон. После этого остаются свободный электрон и положительный ион.
3. Поле направляет электроны к положительному электроду, а положительные ионы — к отрицательному. Возникающий ток существует, пока излучение создаёт новые пары быстрее, чем они исчезают при рекомбинации.

Ответ: без ионизации сухой воздух почти не проводит ток; под действием ультрафиолета возникает несамостоятельный разряд. Носители — свободные электроны и положительные ионы.

Задача 2. Сила тока в газе

Условие. Площадь газового промежутка S = 2 см², концентрация свободных электронов n = 5·10¹⁵ м⁻³, средняя скорость направленного движения u = 4·10⁻³ м/с. Найти силу тока.

1. Переведём площадь: 2 см² = 2·10⁻⁴ м². Это необходимо, потому что концентрация дана в м⁻³, а формула использует единицы СИ.
2. Плотность электронного тока вычисляется по формуле j = enu, где e = 1,6·10⁻¹⁹ Кл. Получаем j = 1,6·10⁻¹⁹ · 5·10¹⁵ · 4·10⁻³ = 3,2·10⁻⁶ А/м².
3. Теперь умножим плотность тока на площадь: I = jS = 3,2·10⁻⁶ · 2·10⁻⁴ А.

Ответ: I = 6,4·10⁻¹⁰ А. В задаче учтён только электронный вклад; если движутся ионы, их вклад добавляется к общему току.

Задача 3. Определение вида разряда

Условие. Напряжение между электродами постепенно увеличивают. Ток сначала мал, а после пробоя возникает кратковременная яркая вспышка и громкий щелчок. Определить вид разряда и объяснить механизм.

1. Яркая кратковременная вспышка и звук указывают на быстрое разрушение изоляции газового промежутка, то есть на искровой разряд.
2. При достижении пробойного напряжения электроны, уже имеющиеся в газе, сильно ускоряются электрическим полем. Сталкиваясь с молекулами, они выбивают новые электроны и создают положительные ионы.
3. Число носителей быстро растёт лавинообразно, проводимость промежутка резко увеличивается, а накопленная энергия выделяется в виде света, тепла и звука. После короткого импульса канал может исчезнуть, если источник не поддерживает устойчивый ток.

Ответ: это искровой разряд, возникающий вследствие ударной ионизации и лавинного размножения носителей после пробоя.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что газовый ток создают только электроны. Так думают из-за аналогии с металлами, но в газе положительные ионы тоже движутся и переносят заряд; проверьте, учтены ли оба типа носителей.

Ошибка: путать направление электронов с направлением тока. Электроны идут к положительному электроду, а условное направление тока противоположно их движению; всегда сначала определяйте знак заряда частицы.

Ошибка: называть любой разряд самостоятельным. Если после выключения внешнего ионизатора ток прекращается, разряд был несамостоятельным; проверка связана именно с источником появления носителей.

Ошибка: считать плазму полностью состоящей из заряженных частиц или полностью нейтральной. В плазме есть электроны и ионы, но их суммарные заряды обычно почти компенсируются; это и называют квазинейтральностью.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны представления об электрическом поле, силе тока, напряжении, сопротивлении и движении заряженных частиц. С электропроводностью металлов и полупроводников газовые разряды сравнивают по носителям и механизму проводимости. Эти знания объясняют молнию, работу неоновых ламп, сварку, плазменные технологии, газоразрядные приборы и процессы в термоядерной энергетике.

Что запомнить

• В обычном газе почти нет свободных носителей заряда, поэтому он является диэлектриком.
• Ионизация создаёт свободные электроны и положительные ионы.
• Электрический ток в газе переносится электронами и ионами.
• Несамостоятельный разряд существует только при действии внешнего ионизатора.
• Самостоятельный разряд поддерживается ударной ионизацией и другими внутренними процессами.
• Плазма — ионизированный квазинейтральный газ с высокой электропроводностью.
• Вид газового разряда определяется напряжённостью поля, давлением, составом газа и условиями отвода тепла.