3. Электрический ток в газах и вакууме

Определения и обозначения

Газовый разряд — прохождение электрического тока через газ. Ток переносят заряженные частицы: электроны и положительные ионы, то есть атомы или молекулы, потерявшие электроны. Это определение помогает отличить ток в газе от простого движения нейтральных частиц.

Несамостоятельный газовый разряд — ток в газе, который существует только при действии внешнего ионизатора. Ионизатором называют источник, создающий в газе заряженные частицы; им может быть, например, ультрафиолетовое излучение. Термин показывает, что без такого источника разряд не поддерживается.

Самостоятельный газовый разряд — разряд, который продолжается после прекращения действия внешнего ионизатора. Его поддерживают процессы внутри самого газа, прежде всего ионизация при столкновениях быстрых электронов с атомами. Это понятие нужно, чтобы объяснить, почему в некоторых условиях ток не исчезает сразу после отключения источника ионизации.

Термоэлектронная эмиссия — вылет электронов с поверхности нагретого металла. Нагрев даёт некоторым электронам возможность покинуть металл и стать свободными частицами. В вакууме эта эмиссия служит источником носителей заряда, без которых электрический ток возникнуть не может.

Как это устроено

В обычных условиях газ почти не проводит ток, потому что его атомы и молекулы в целом нейтральны. В них положительный заряд ядра уравновешен отрицательным зарядом электронов, поэтому электрическое поле не может направлять такую частицу как носитель тока. Свободных электронов и ионов обычно мало, и заряды между электродами переносятся слабо. Чтобы ток стал заметным, в газе нужно создать больше заряженных частиц.

Внешний ионизатор сообщает атомам и молекулам газа энергию, достаточную для отделения электронов. В результате появляются свободные электроны и положительные ионы, которые могут двигаться под действием поля. Электроны направляются к положительному электроду, а положительные ионы — к отрицательному. Их упорядоченное движение и образует электрический ток.

При несамостоятельном разряде ионизатор непрерывно создаёт новые носители заряда. Если его выключить, новые частицы перестают появляться, а существующие достигают электродов или соединяются с частицами противоположного заряда. Поэтому число носителей уменьшается и ток прекращается. Само электрическое поле не заменяет источник ионизации, если его силы недостаточно для образования новых зарядов.

При достаточно сильном поле электроны между столкновениями успевают разогнаться. Сталкиваясь с атомами газа, они могут выбивать из них новые электроны; этот процесс называется ионизацией при столкновении. Возникающие электроны и ионы становятся дополнительными носителями, а новые электроны тоже способны ионизировать атомы. Так разряд поддерживает себя без внешнего ионизатора.

В вакууме газа почти нет, поэтому свободные электроны и ионы не возникают в объёме среды так, как при газовом разряде. Для тока нужен электрод, способный испускать электроны; обычно их источником служит нагретый катод. Испущенные электроны оказываются в пространстве между электродами, а поле направляет их к положительному аноду. Так работает вакуумный диод — прибор с катодом и анодом, в котором ток создаётся движением электронов.

Электрический ток в газах и вакууме

Сравнивайте сначала среду и носители: это показывает, откуда берётся заряд в каждом случае. Затем проверьте условие существования тока и роль поля — поле направляет частицы, но не всегда создаёт их. Для вакуумного диода отдельно уточняйте, какой электрод испускает электроны.

Разбор задач

Внешняя ионизация газа

Между электродами в газе действует напряжение, а ультрафиолетовая лампа освещает газ. Нужно объяснить, почему появляется ток и что будет после выключения лампы. Рассуждаем от источника носителей: ультрафиолет выбивает электроны из частиц газа, и возникают электроны и положительные ионы.

1. Определяем, что делает лампа: она служит внешним ионизатором и создаёт заряженные частицы.
2. Учитываем поле между электродами: электроны движутся к положительному электроду, ионы — к отрицательному.
3. После выключения лампы образование новых носителей прекращается, поэтому такой разряд не сможет поддерживаться.

Ответ: пока лампа освещает газ, поле направляет созданные заряды, и возникает ток. После выключения лампы ток прекращается, если поле само не вызывает достаточную ионизацию; в описанных условиях это несамостоятельный разряд.

Разряд сохраняется без ионизатора

В газе возник разряд, который сохраняется после отключения внешнего ионизатора. Нужно определить его вид и выяснить, откуда берутся носители после отключения источника. Если ток сохраняется, заряды должны образовываться внутри газа, а не только внешним воздействием.

1. По условию разряд продолжается без внешнего ионизатора, значит, он самостоятельный.
2. Электрическое поле разгоняет свободные электроны между столкновениями с атомами газа.
3. При столкновениях быстрые электроны ионизируют атомы, создавая новые электроны и положительные ионы.
4. Новые электроны тоже могут участвовать в ионизации, поэтому носители восполняются и ток продолжается.

Ответ: это самостоятельный газовый разряд. Он сохраняется благодаря ионизации атомов быстрыми электронами при столкновениях в сильном электрическом поле.

Направление тока в вакуумном диоде

Нагретый катод подключён к отрицательному полюсу, а анод — к положительному. Нужно установить направление движения электронов и понять, почему обратная полярность уменьшает ток. Сначала найдём источник частиц: в диоде электроны испускает нагретый катод.

1. При нагревании электроны покидают поверхность катода — происходит термоэлектронная эмиссия.
2. Положительный анод притягивает отрицательные электроны, поэтому они движутся от катода к аноду.
3. При обратной полярности анод становится отрицательным и не притягивает электроны от катода.
4. Обратный ток резко уменьшается, потому что у анода нет сопоставимого источника испускаемых электронов.

Ответ: при прямом включении электроны движутся от катода к аноду. При обратном включении направленного потока от нагретого катода к положительному аноду нет, поэтому ток значительно меньше.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что газ проводит ток благодаря движению нейтральных атомов. Нейтральная частица не переносит заряд так, как электрон или ион, хотя её движение может сопровождать другие процессы. Путают это потому, что газ состоит из атомов и молекул, но ток создаёт направленное движение именно заряженных частиц. Проверьте себя: можете ли вы назвать заряд носителя и объяснить, к какому электроду он движется?

Несамостоятельный и самостоятельный разряды иногда смешивают, потому что в обоих случаях через газ идёт ток. Первый требует внешнего ионизатора, а второй может продолжаться без него благодаря ионизации при столкновениях. Проверка проста: мысленно выключите ионизатор и спросите, есть ли механизм, который создаёт новые носители. Если такого механизма нет, разряд несамостоятельный.

Неверно говорить, что в вакууме ток переносится самим вакуумом. Вакуум — среда между электродами, а носители в диоде — испущенные электродом электроны. Ошибку допускают, когда представляют вакуум как проводящую субстанцию; проверить себя можно вопросом, откуда появился заряд. Если источник электронов не назван, объяснение неполное.

Ещё одна ошибка — считать, что электроны в диоде движутся от анода к катоду. Электроны испускает нагретый катод, а при прямом включении положительный анод их притягивает. Путаница возникает из-за условного направления тока, которое противоположно движению электронов. Проверяйте отдельно направление электронов и направление условного тока: это не одно и то же.

Связь с другими темами

Для изучения газового разряда и тока в вакууме понадобятся понятия электрического тока, электрического поля и заряда, а также знание о направлении движения электронов. Они помогают проследить, какие частицы являются носителями и куда их направляет поле. Эти явления применяются в газоразрядных приборах и вакуумном диоде. Понимание работы диода помогает разобраться и в принципах действия электронных устройств.

Что запомнить

• Ток в газе переносят электроны и ионы.
• Внешний ионизатор создаёт свободные заряженные частицы в газе.
• Несамостоятельный разряд прекращается после отключения ионизатора.
• Самостоятельный разряд поддерживается процессами ионизации в газе.
• В вакууме ток возможен при наличии источника электронов.
• В вакуумном диоде электроны испускаются нагретым катодом и движутся к аноду.