§ 121. Электрический ток в газах

Определения и обозначения

Электрический ток в газе, или газовый разряд, — упорядоченное движение электронов и ионов. В обычном газе заряженных частиц, которые могут свободно двигаться, мало, поэтому ток почти не проходит. Это определение помогает отличать проводящий газ от нейтрального газа, который обычно служит изолятором.

Ионизация газа — образование свободных электронов и положительных ионов из нейтральных атомов или молекул. Частицы могут появиться под действием внешнего ионизатора, например излучения, или при столкновениях быстрых частиц с атомами. Понятие ионизации объясняет, откуда берутся носители тока в газе.

Несамостоятельный газовый разряд — ток в газе, который существует лишь при действии внешнего ионизатора. Внешний источник непрерывно создаёт новые заряженные частицы, поэтому газ проводит ток, пока продолжается ионизация. Это название указывает на зависимость разряда от причины, находящейся вне газа.

Самостоятельный газовый разряд — ток, который продолжается после прекращения внешней ионизации благодаря процессам внутри газа. Например, сильное поле ускоряет электроны, и они сами могут создавать новые носители при столкновениях. Такое определение позволяет понять, способен ли разряд поддерживать себя без внешнего источника ионизации.

Как это устроено

В нейтральном газе положительные и отрицательные заряды связаны внутри атомов и молекул, поэтому они не могут свободно переноситься через весь объём. Свободные носители возникают при ионизации: электрон отделяется, а оставшаяся частица становится положительным ионом. Чем меньше таких частиц, тем слабее проводимость газа. Поэтому само наличие газа между электродами ещё не означает, что через него пойдёт ток.

Когда в газе появляются заряженные частицы и действует электрическое поле, они начинают двигаться направленно. Электроны имеют отрицательный заряд и движутся к положительному электроду — аноду, а положительные ионы направляются к отрицательному электроду — катоду. Заряды движутся в разные стороны, однако оба потока участвуют в переносе электрического тока. Следовательно, газовый ток создаётся не только электронами, но и ионами.

В несамостоятельном разряде новые носители поставляет внешний ионизатор. Если его выключить, образование новых электронов и ионов резко уменьшается, а уже существующие частицы постепенно теряются: достигают электродов или соединяются друг с другом. Соединение электрона с положительным ионом называют рекомбинацией; после неё снова образуется нейтральная частица. Поэтому ток такого разряда прекращается.

При сильном электрическом поле электроны успевают набрать большую энергию между столкновениями. Ударяясь о нейтральные атомы, они могут выбивать из них электроны и создавать новые пары «электрон — положительный ион»; этот процесс называется ударной ионизацией. Новые электроны тоже ускоряются и ионизируют другие атомы, поэтому число носителей быстро растёт, словно лавина. Если этого размножения достаточно для поддержания тока, разряд становится самостоятельным.

Самостоятельный разряд не всегда выглядит одинаково: его форма зависит от давления газа, напряжения, силы тока и устройства электродов. При высоком напряжении может возникать короткая искра, а при большом токе — длительная горячая дуга. В разреженном газе возможен тлеющий разряд, а возле острых проводников при сильном неоднородном поле — коронный. Эти различия объясняют, почему ток в газе встречается и в молнии, и в лампах, и у линий электропередачи.

Формы самостоятельного газового разряда

Сравнивайте формы разряда по условиям возникновения и характеру тока: это помогает не путать краткую искру с длительной дугой. Давление, напряжение и ток действуют совместно, поэтому одного признака не всегда достаточно для распознавания. Примеры в последнем столбце показывают, где встречается каждая форма.

Разбор задач

Задача 1. Объясните, почему при отключении внешнего источника ионизации ток в газе прекращается. Нужно определить, от чего зависит число свободных носителей и что происходит с ними после отключения источника.

1. Пока ионизатор действует, он создаёт в газе электроны и положительные ионы.
2. После отключения ионизатора новые пары почти перестают появляться. Оставшиеся частицы уходят на электроды или рекомбинируют, образуя нейтральные частицы.
3. Число носителей уменьшается, поэтому газ перестаёт поддерживать заметный ток.

Ответ: ток прекращается, потому что несамостоятельный разряд зависит от постоянного поступления новых носителей извне.

Задача 2. Электроны в газе ускоряются электрическим полем и при столкновениях создают новые пары заряженных частиц. Определите, может ли разряд стать самостоятельным. Для решения выясним, способны ли эти столкновения заменить действие внешнего ионизатора.

1. Поле сообщает электронам энергию, необходимую для ионизации атомов при столкновениях.
2. Каждый такой акт добавляет свободный электрон и положительный ион. Новые электроны также ускоряются полем и могут вызвать следующие акты ионизации.
3. Если размножение носителей поддерживает ток после отключения внешнего ионизатора, разряд является самостоятельным.

Ответ: да, разряд может стать самостоятельным, если ударная ионизация внутри газа достаточно интенсивна для поддержания числа носителей.

Задача 3. Сопоставьте искровой разряд в воздухе, дугу при сварке и тлеющий разряд в разреженном газе по условиям возникновения и характеру тока. Необходимо использовать не только внешний вид, но и условия, при которых идёт ток.

1. Искра в воздухе кратковременна и возникает при высоком напряжении; знакомый пример — молния.
2. Сварочная дуга существует длительно, проводит большой ток и сильно нагревается.
3. Тлеющий разряд характерен для разреженного газа и сравнительно малого тока, поэтому применяется в газоразрядных лампах.

Ответ: искра — краткий разряд высокого напряжения, дуга — длительный разряд с большим током, а тлеющий разряд возникает в разреженном газе при сравнительно малом токе.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что газовый ток переносят только электроны. Это заблуждение возникает потому, что электроны легче и быстрее обнаружить в рассуждениях о токе, но положительные ионы тоже движутся в поле и переносят заряд. Проверка простая: назовите оба типа частиц и укажите, что они движутся в противоположных направлениях.

Ошибка: называть любой газовый разряд самостоятельным. Слово «разряд» обозначает ток в газе, но не говорит, поддерживает ли газ ионизацию сам; путаница появляется, если не учитывать источник носителей. Проверьте себя вопросом: продолжится ли ток после отключения внешнего ионизатора?

Ошибка: полагать, что одного подключения напряжения достаточно, чтобы газ проводил ток. Поле направляет заряды, но в обычном нейтральном газе почти нет свободных частиц, которые оно могло бы привести в движение. Перед выводом о токе проверьте, есть ли в газе носители, созданные ионизацией.

Ошибка: смешивать ионизацию с рекомбинацией. Оба процесса связаны с заряженными частицами, поэтому их названия иногда путают, но направления процессов противоположны: ионизация создаёт электрон и положительный ион, а рекомбинация возвращает систему к нейтральной частице. Самопроверка: при ионизации число свободных носителей растёт, при рекомбинации — уменьшается.

Связь с другими темами

Чтобы понять газовый разряд, нужно знать, что такое носители заряда, электрическое поле и электрический ток. Поле приводит электроны и ионы в направленное движение, а их движение образует ток; это связывает тему с основами электричества. Дальше эти знания пригодятся при изучении плазмы, газоразрядных ламп, молнии и электрических явлений в атмосфере. В этих примерах можно проследить, как ионизация и движение зарядов проявляются в природе и технике.

Что запомнить

• Нейтральный газ почти не проводит ток, пока в нём мало свободных носителей.
• При ионизации образуются свободные электроны и положительные ионы.
• В газе ток создают электроны и ионы, движущиеся в противоположных направлениях.
• Несамостоятельный разряд существует только при внешней ионизации.
• Самостоятельный разряд поддерживается процессами внутри газа.
• К формам самостоятельного разряда относятся искровой, дуговой, тлеющий и коронный.