4. Электрический ток в газах и вакууме

Определения и обозначения

Ионизация газа — образование свободных электронов и положительных ионов под действием внешнего ионизатора или сильного электрического поля. Иными словами, часть электронов отделяется от атомов и молекул, а оставшиеся частицы получают положительный заряд. Ионизация нужна, чтобы в газе появились подвижные носители тока.

Газовый разряд — прохождение электрического тока через ионизированный газ. Электроны движутся к положительному электроду, а положительные ионы — к отрицательному; если есть отрицательные ионы, они также переносят заряд. Это определение помогает отличить проводящий газ от обычного газа, в котором свободных носителей мало.

Электрический ток в вакууме — направленное движение свободных электронов в пространстве, из которого удалено почти всё газовое вещество. В вакууме нет достаточного количества молекул, чтобы они служили обычными носителями тока, зато электроны могут лететь от одного электрода к другому. Это явление используют в вакуумных приборах.

Термоэлектронная эмиссия — вылет электронов с поверхности нагретого металла. Нагрев помогает некоторым электронам преодолеть притяжение со стороны металла и покинуть его поверхность. Так в вакуумном приборе получают электроны, необходимые для создания тока.

Как это устроено

В обычном газе электроны в основном связаны с атомами и молекулами, поэтому свободных носителей очень мало и газ плохо проводит ток. Когда внешнее излучение, нагрев или сильное поле ионизируют частицы, появляются электроны и положительные ионы. Электрическое поле начинает направленно перемещать их, и возникает ток. Чем больше свободных носителей, тем больше заряд может пройти через газ за одинаковое время.

Внешний ионизатор создаёт новые пары зарядов, а поле ускоряет уже появившиеся частицы. Столкнувшись с молекулами, быстрые электроны иногда выбивают из них другие электроны — так происходит ударная ионизация. Одновременно возможна рекомбинация: электрон соединяется с положительным ионом, и число носителей уменьшается. Частицы также оседают на электродах, поэтому при слабом источнике ионизации ток ограничен скоростью образования зарядов.

Несамостоятельный разряд прекращается, если убрать внешний ионизатор: носители постепенно рекомбинируют или достигают электродов. Самостоятельный разряд поддерживается без такого источника, потому что ускоренные полем частицы сами создают новые заряженные частицы, а удары по электродам могут вызывать вторичную эмиссию электронов. Для этого напряжённость поля должна быть достаточной. Если напряжение ниже напряжения зажигания, цепочка размножения носителей не поддерживает разряд.

Искровой разряд возникает при кратковременном пробое газа сильным полем, как при молнии. Дуговой поддерживается большим током и нагревом, поэтому его используют при сварке. Тлеющий разряд обычно существует в разреженном газе при сравнительно небольшом токе, а коронный появляется в сильном неоднородном поле, например возле острых частей проводника. Условия — давление, напряжение, форма электродов и ток — определяют, какой вид разряда возникнет.

В вакууме ток не может поддерживаться ионами газа, поскольку молекул газа там крайне мало. Нагретый катод испускает электроны благодаря термоэлектронной эмиссии, а поле между катодом и анодом направляет их движение. В вакуумном диоде при положительном аноде электроны достигают анода и образуют ток; при обратной полярности анод не притягивает электроны от нагретого катода. Поэтому диод проводит ток преимущественно в одном направлении.

Электрический ток в газах и вакууме

Сравнивайте сначала носители заряда и источник их появления: именно это показывает, почему газ и вакуум проводят ток по-разному. Затем проследите, какое условие поддерживает движение частиц и как напряжение влияет на ток. Таблица обобщает типичные случаи; реальные характеристики зависят от устройства и условий опыта.

Разбор задач

Задача 1. При внешней ионизации за 1 с образуется 3,0·10¹² пар ионов. Найдём ток насыщения, если элементарный заряд равен 1,6·10⁻¹⁹ Кл. В каждой паре есть один положительный ион и один электрон, поэтому при движении к разным электродам переносят заряд оба носителя. Нужно учесть вклад двух зарядов каждой пары.

1. Число ионных пар за секунду: N/t = 3,0·10¹² с⁻¹.
2. За время t через сечение проходит суммарный заряд Q = 2Ne, так как одна пара даёт перенос заряда 2e к электродам.
3. Используем I = Q/t = 2(N/t)e = 2·3,0·10¹²·1,6·10⁻¹⁹ А.

Получаем I = 9,6·10⁻⁷ А. Это ток насыщения: при достаточном напряжении все образованные ионизатором носители успевают достичь электродов, и дальнейшее увеличение напряжения почти не увеличивает их число. Ответ: 9,6·10⁻⁷ А.

Задача 2. За 4 мкс через анод вакуумного диода проходит 2,5·10⁸ электронов. Требуется определить силу анодного тока. Здесь заряд переносят только электроны, поэтому сначала найдём полный заряд, прошедший через анод. Затем разделим его на время.

1. Переведём время в секунды: t = 4 мкс = 4·10⁻⁶ с.
2. Модуль заряда электронов Q = Ne = 2,5·10⁸·1,6·10⁻¹⁹ Кл = 4,0·10⁻¹¹ Кл.
3. По формуле I = Q/t получаем I = 4,0·10⁻¹¹ / 4·10⁻⁶ = 1,0·10⁻⁵ А.

Знак заряда электрона не меняет значение силы тока, потому что в задаче требуется её модуль. Ответ: 1,0·10⁻⁵ А, или 10 мкА.

Задача 3. После отключения внешнего ионизатора ток сначала сохраняется, а затем прекращается, если напряжение ниже напряжения зажигания. Объясним последовательность. В газе ещё остаются электроны и ионы, созданные до выключения ионизатора, поэтому они продолжают двигаться к электродам и некоторое время создают ток.

1. Пока носители не исчезли, ток не пропадает мгновенно: частицы ещё движутся в электрическом поле.
2. Часть зарядов рекомбинирует, а часть оседает на электродах, поэтому число носителей постепенно уменьшается.
3. При напряжении ниже напряжения зажигания ударная ионизация и вторичная эмиссия не создают достаточно новых носителей, чтобы заменить исчезающие.

Разряд остаётся несамостоятельным и затухает, когда свободных носителей становится слишком мало. Если бы напряжение достигло условий самостоятельного разряда, внутренние процессы могли бы поддерживать ток и без внешнего ионизатора. Ответ: ток сохраняется из-за оставшихся носителей, а затем прекращается, поскольку их потери не компенсируются размножением.

Типичные ошибки

• Считать газ проводником при любых условиях. Так думают, потому что газ окружает нас постоянно и иногда проводит ток, например во время молнии. Но в обычном газе почти нет свободных носителей; проверьте, указана ли в условии ионизация или сильное поле.
• Приписывать ток в газе только электронам. Электроны заметнее и легче, поэтому о движении ионов легко забыть. Положительные ионы тоже переносят заряд к электродам; проверяйте, какие частицы входят в состав ионизированного газа.
• Путать внешнюю ионизацию с самостоятельным разрядом. Ошибка возникает, если считать любой ток в газе самоподдерживающимся. Спросите себя, исчезнет ли ток после выключения ионизатора: самостоятельный разряд продолжается благодаря процессам внутри газа.
• Считать вакуум абсолютным отсутствием частиц и забывать об источнике электронов. В реальном приборе вакуум означает крайне малое количество газа, а электроны испускает катод. Проверьте, указаны ли катод, эмиссия и электрическое поле, которое переносит электроны к аноду.

Связь с другими темами

Для изучения темы нужны знания о строении атома и электрическом заряде: они объясняют появление ионов и электронов. Силу тока, напряжение, электрическое поле и закон Ома используют, чтобы описывать движение зарядов и измерять ток. Тема связана с электронной эмиссией, устройством вакуумного диода, полупроводниками и принципами работы электронных приборов. Её применения встречаются в газоразрядных лампах, молниеотводах, сварочных аппаратах, плазменных установках и рентгеновских трубках.

Что запомнить

• В обычном газе почти нет свободных носителей заряда, поэтому он плохо проводит ток.
• При ионизации в газе появляются электроны и положительные ионы.
• Газовый разряд бывает несамостоятельным и самостоятельным.
• Самостоятельный разряд поддерживается ударной ионизацией и вторичной эмиссией.
• В вакууме ток создаётся направленным движением электронов.
• В вакуумных приборах электроны получают главным образом благодаря термоэлектронной эмиссии.
• Вольт-амперная характеристика газового разряда включает участки слабого тока, насыщения и резкого роста после зажигания.