68.  Электрический ток в газах

Определения и обозначения

Электрический ток в газах — упорядоченное движение электронов и ионов. Электроны несут отрицательный заряд, положительные и отрицательные ионы — заряд соответствующего знака. Поэтому ток в газе нельзя объяснить движением только одного вида частиц: его создают носители обоих знаков.

Ионизация газа — образование свободных электронов и положительных ионов из нейтральных атомов или молекул. При этом часть электронов отделяется от атомов, а оставшиеся частицы становятся положительно заряженными. Ионизация необходима, чтобы в газе появились носители, способные переносить заряд.

Несамостоятельный газовый разряд — ток в газе, существующий только при действии внешнего ионизатора. Ионизатором может быть, например, источник излучения, который создаёт заряженные частицы. Это понятие помогает понять, почему без внешнего воздействия такой ток исчезает.

Самостоятельный газовый разряд — ток, который поддерживается без внешнего ионизатора благодаря процессам, вызванным электрическим полем. В сильном поле заряженные частицы могут создавать новые носители при столкновениях. Такой разряд способен продолжаться, пока сохраняются необходимые условия в газе и поле.

Как это устроено

В обычном газе почти все атомы и молекулы нейтральны, а свободных электронов и ионов мало. Нейтральная частица не переносит заряд при направленном движении, поэтому даже приложенное напряжение обычно не создаёт заметного тока. Чтобы газ стал проводником, нужно получить свободные носители — для этого его ионизируют.

Внешний ионизатор выбивает электроны из нейтральных частиц, оставляя положительные ионы. Если между электродами есть напряжение, электрическое поле начинает направленно перемещать заряды: электроны и положительные ионы движутся к электродам противоположных знаков. Их движение и образует ток, но новые частицы возникают благодаря ионизатору, поэтому такой разряд называют несамостоятельным.

Если увеличивать напряжение, поле сильнее направляет заряженные частицы к электродам, и ток возрастает. Однако количество частиц, созданных внешним ионизатором за единицу времени, ограничено. Когда поле собирает практически все эти частицы, дальнейшее увеличение напряжения почти не меняет ток: наступает насыщение. Оно показывает, что ограничивающим фактором стало уже не движение зарядов, а скорость их образования ионизатором.

При достаточно сильном поле электрон успевает разогнаться между столкновениями и набирает энергию. Столкнувшись с нейтральным атомом или молекулой, он может выбить из неё электрон; так появляются новый электрон и положительный ион. Новые электроны также ускоряются и вызывают дальнейшую ионизацию, поэтому число носителей растёт.

Когда размножение заряженных частиц поддерживает ток без внешнего ионизатора, разряд становится самостоятельным. Не всякое сильное поле приводит к одинаковому результату: важны условия в газе, расстояние между электродами и характер поля. Поэтому самостоятельные разряды проявляются по-разному и делятся на тлеющий, искровой, дуговой и коронный.

Сравнение несамостоятельного и самостоятельного газового разряда

Сначала определите, откуда берутся заряженные частицы, а затем проверьте, нужен ли разряду внешний ионизатор. Эти признаки позволяют различить виды разряда даже тогда, когда в условии не названы конкретные частицы. Примеры помогают связать определение с наблюдаемыми явлениями.

Разбор задач

Задача 1

Условие. Нужно объяснить, почему газ между электродами начинает проводить ток, если его облучить источником ионизирующего излучения. Напряжение между электродами создаёт электрическое поле. Требуется связать появление тока с поведением частиц газа.

1. До облучения в газе мало свободных электронов и ионов, поэтому он почти не проводит ток.
2. Излучение ионизирует нейтральные частицы: появляются свободные электроны и положительные ионы.
3. Поле направляет заряженные частицы к электродам, и их упорядоченное движение создаёт ток.

Ответ. Облучение создаёт в газе носители заряда, а электрическое поле приводит их в направленное движение. Поэтому между электродами возникает ток.

Задача 2

Условие. Напряжение между электродами не меняли, но внешний ионизатор отключили, после чего ток прекратился. Нужно определить вид разряда и объяснить наблюдение. Само по себе наличие напряжения ещё не означает, что ток будет поддерживаться в газе. Важно выяснить, откуда поступали носители заряда.

1. Пока ионизатор работал, он создавал свободные электроны и ионы.
2. После его отключения новые носители перестали поступать извне.
3. Ток прекратился, значит, поле не создавало достаточно новых частиц, чтобы поддерживать разряд.

Ответ. Это был несамостоятельный разряд: для его существования требовался внешний ионизатор. После отключения ионизатора число носителей стало недостаточным для продолжения тока.

Задача 3

Условие. Напряжение между электродами увеличивают до значения, при котором разряд сохраняется после выключения ионизатора. Нужно объяснить, что позволяет току продолжаться. Отличительный признак здесь — устойчивость разряда без внешнего источника частиц. Значит, новые носители возникают непосредственно в газе.

1. Сильное электрическое поле разгоняет электроны между столкновениями.
2. При достаточно энергичных столкновениях электроны ионизируют нейтральные частицы, выбивая из них новые электроны.
3. Новые носители сами участвуют в дальнейших столкновениях и ионизации, поэтому их образование поддерживает ток.

Ответ. Возникает самостоятельный разряд. Его поддерживают ударная ионизация и размножение заряженных частиц под действием электрического поля.

Типичные ошибки

• Считать, что ток в газе переносят только электроны. Так думают, потому что электроны часто выделяют при объяснении ионизации. Но положительные ионы тоже перемещаются и переносят заряд; проверьте себя, перечислив все подвижные заряженные частицы.

• Называть любой ток в газе самостоятельным. Само наличие тока не показывает, может ли он поддерживаться без внешнего воздействия. Уточните, требуется ли ионизатор: если без него ток прекращается, разряд несамостоятельный.

• Полагать, что отключение ионизатора всегда сразу прекращает ток. Это верно для несамостоятельного разряда, но не для разряда, в котором сильное поле создаёт новые носители. Проверьте, может ли поле вызвать ионизацию при столкновениях.

• Смешивать ионизацию с рекомбинацией. Оба процесса связаны с изменением состава заряженных частиц, поэтому их легко перепутать. Ионизация создаёт электроны и ионы, а при рекомбинации заряженные частицы соединяются и исчезают как отдельные носители.

Связь с другими темами

Для понимания тока в газах нужны знания об электрическом токе, электрическом поле, заряде электрона и иона. Полезно также знать, что при столкновениях частиц может передаваться энергия, а закон сохранения заряда выполняется и при ионизации: заряды возникают парами противоположных знаков. Эти представления помогают разбирать, как формируются носители и куда они движутся.

Тема пригодится при изучении газоразрядных приборов и явлений в природе. Разряды объясняют появление молнии и электрической дуги, а также используются в технике. Различие между видами разряда помогает понять, какие условия нужны для их возникновения и поддержания.

Что запомнить

• В газе ток создают движущиеся электроны и ионы.

• Для возникновения проводимости в газе нужны свободные носители заряда.

• Ионизатор создаёт электроны и положительные ионы.

• Несамостоятельный разряд прекращается без внешнего ионизатора.

• Самостоятельный разряд поддерживается процессами, вызванными электрическим полем.

• К видам самостоятельного разряда относятся тлеющий, искровой, дуговой и коронный.