"Физика (базовый уровень)", Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н. / Под ред. Парфентьевой Н.А.
Газовый разряд — это электрический ток через газ, который возникает, когда в нём есть свободные заряженные частицы. Их могут создавать внешние источники, например ионизатор, или процессы внутри самого газа. Если без внешнего источника ток исчезает, разряд несамостоятельный; если продолжается — самостоятельный. Главное — понять, откуда берутся носители тока и какую роль играет электрическое поле.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Газовый разряд — прохождение электрического тока через газ. Ток переносят свободные электроны и положительные ионы, а при некоторых условиях — также отрицательные ионы. Газ проводит ток, когда в нём есть такие подвижные заряженные частицы. Это понятие помогает отличать ток в газе от тока в металле, где основные носители — электроны.
Несамостоятельный разряд — ток в газе, который существует только при действии внешнего ионизатора. Ионизатором называют источник, создающий в газе свободные заряженные частицы. Если его отключить и поле не поддерживает ионизацию, число носителей быстро уменьшается и ток прекращается. Это определение позволяет проверить, зависит ли разряд от внешнего источника.
Самостоятельный разряд — разряд, продолжающийся после прекращения действия внешнего ионизатора благодаря процессам внутри газа. Электрическое поле при этом помогает создавать новые носители, поэтому зарядов хватает для поддержания тока. Название указывает на то, что разряд больше не зависит от внешнего ионизатора. Для возникновения такого режима нужны подходящие условия, а не просто наличие напряжения.
Ударная ионизация — образование ионов и электронов при столкновениях быстрых электронов с атомами или молекулами газа. Электрон должен получить в поле достаточно энергии, чтобы выбить другой электрон из атома или молекулы. В результате появляются новые заряженные частицы, а не просто ускоряются уже имеющиеся. Это понятие объясняет, как газ может сам пополнять число носителей.
Внешний ионизатор сообщает некоторым атомам или молекулам газа энергию, достаточную для появления свободных электронов и ионов. Между электродами создают электрическое поле, поэтому заряженные частицы начинают направленно двигаться: электроны и отрицательные ионы — к положительному электроду, положительные ионы — к отрицательному. Их упорядоченное движение и образует электрический ток. Без ионизации в газе мало свободных носителей, поэтому такой ток обычно очень мал.
При слабом поле часть созданных зарядов может успеть соединиться с частицами противоположного знака до того, как достигнет электрода. Когда напряжение увеличивают, поле сильнее направляет движение носителей и быстрее переносит их к электродам. Поэтому за то же время электродов достигает больше зарядов, и сила тока возрастает. При достаточно сильном поле почти все частицы, созданные ионизатором, успевают собраться на электродах; ток достигает насыщения и дальше почти не увеличивается.
В несамостоятельном разряде источник свободных зарядов — внешний ионизатор. После его отключения новые электроны и ионы почти не образуются. Носители, которые уже есть в газе, достигают электродов или соединяются с частицами противоположного знака, поэтому их число быстро падает. Если поле слишком слабое для ионизации при столкновениях, поддерживать ток становится нечем, и разряд прекращается.
Сильное электрическое поле может разогнать электроны между столкновениями с частицами газа. Если электрон набрал достаточно энергии, столкновение способно выбить электрон из атома или молекулы. Так возникают новые электроны и ионы; освобождённые электроны тоже ускоряются полем и могут вызвать следующие столкновения с ионизацией. Число носителей увеличивается лавинообразно, потому что каждая подходящая столкновительная ионизация добавляет новые частицы.
Переход к самостоятельному разряду происходит, когда внутренние процессы создают достаточно носителей для поддержания тока без внешнего ионизатора. Важную роль играет ударная ионизация, но условия должны обеспечивать её продолжение: электроны должны успевать набирать нужную энергию, а возникающие заряды — поддерживать дальнейшие процессы. Поэтому само наличие напряжения ещё не гарантирует самостоятельный разряд. Внешний источник можно отключить, а ток сохранится лишь тогда, когда процессы в газе продолжают восполнять носители.
| Признак | Несамостоятельный разряд | Самостоятельный разряд |
|---|---|---|
| Источник появления свободных зарядов | Внешний ионизатор | Процессы внутри газа, в том числе ударная ионизация |
| Что происходит после отключения внешнего ионизатора | Ток прекращается, если поле не создаёт новые носители | Разряд продолжается при сохранении условий для ионизации |
| Условие поддержания тока | Постоянное внешнее создание носителей | Восполнение носителей внутренними процессами |
| Роль электрического поля | Направляет носители к электродам | Направляет носители и разгоняет электроны для ионизации |
Сначала выясните, откуда берутся свободные заряды, а затем проверьте, что произойдёт при отключении ионизатора. Если ток сохраняется за счёт процессов в газе, разряд самостоятельный; если источник носителей исчезает вместе с ионизатором, он несамостоятельный. Насыщение тока само по себе не означает прекращения разряда.
В газе под действием внешнего ионизатора возник ток. Нужно предсказать, что произойдёт после отключения ионизатора, если поле недостаточно для ионизации при столкновениях. Здесь важно определить источник носителей, а не только наличие напряжения между электродами. Сравним условия задачи с определением несамостоятельного разряда.
Ответ: ток быстро прекратится; это несамостоятельный разряд.
При неизменном внешнем ионизаторе увеличивают напряжение между электродами. Требуется объяснить, почему ток сначала растёт, а потом почти перестаёт увеличиваться. Ионизатор создаёт носители с прежней интенсивностью, а изменение напряжения влияет на их движение и сбор. Поэтому нужно различить начальный режим и насыщение.
Ответ: ток увеличивается, пока поле улучшает сбор носителей, а затем достигает насыщения.
Внешний ионизатор отключили, но ток в газе продолжил протекать. Нужно объяснить, что поддерживает разряд и почему носителей становится больше. Сам факт сохранения тока указывает, что газ может создавать заряженные частицы без внешнего источника. Проверим, как это происходит в сильном поле.
Ответ: разряд самостоятельный; его поддерживает ударная ионизация в достаточно сильном поле.
Ошибка: считать любой газовый разряд самостоятельным. Так думают, потому что ток уже возник и кажется, будто он должен продолжаться сам; но носители могут поступать только от внешнего ионизатора. Проверьте себя вопросом: сохранится ли ток, если ионизатор отключить и поле не вызывает ионизацию? Если нет, разряд несамостоятельный.
Ошибка: принимать насыщение тока за прекращение разряда. Рост прекращается, но ток остаётся: почти все заряды, созданные ионизатором, уже достигают электродов. Проверьте график или условие: насыщение означает почти постоянную силу тока, а не её исчезновение.
Ошибка: путать увеличение числа носителей с ускорением их движения. При ударной ионизации быстрые электроны создают новые пары заряженных частиц, а не только быстрее движутся сами. Чтобы проверить рассуждение, назовите, что именно прибавилось после столкновения: новые электроны и ионы или скорость прежних частиц.
Ошибка: полагать, что для самостоятельного разряда достаточно любого напряжения. Напряжение создаёт поле, но оно должно разгонять электроны настолько, чтобы внутренние процессы поддерживали ионизацию. Проверьте, указано ли в объяснении, откуда берутся новые носители после отключения ионизатора.
Для понимания газового разряда понадобятся знания об электрическом токе, электрическом поле, движении электронов и ионов, а также об ионизации вещества. В этой теме эти идеи соединяются: поле направляет носители, а ионизация создаёт их. Дальше знания пригодятся при изучении электрического тока в газах, электрического пробоя и разных видов газового разряда. Особенно важно различать появление носителей и их направленное движение.
Почему газ обычно плохо проводит электрический ток?
В обычных условиях в газе мало свободных заряженных частиц: большинство электронов связано с атомами и молекулами. Без достаточного числа подвижных носителей газ проводит ток слабо.
Чем несамостоятельный разряд отличается от самостоятельного?
Несамостоятельному разряду нужен внешний ионизатор, который создаёт свободные заряды. Самостоятельный разряд поддерживается процессами внутри газа и продолжается после отключения ионизатора.
Почему ток сначала растёт при увеличении напряжения, а потом достигает насыщения?
При увеличении напряжения поле быстрее перемещает электроны и ионы к электродам, поэтому в единицу времени их успевает достичь больше. Насыщение наступает, когда практически все заряды, созданные ионизатором, уже собираются электродами.
Что происходит с несамостоятельным разрядом после отключения ионизатора?
Новые носители перестают появляться, а имеющиеся электроны и ионы достигают электродов или исчезают при соединении друг с другом. Поэтому ток быстро прекращается, если поле не вызывает ионизацию при столкновениях.
Как ударная ионизация помогает поддерживать самостоятельный разряд?
Сильное поле разгоняет электроны, и при столкновениях с атомами или молекулами они могут выбивать из них новые электроны. Новые носители также ускоряются и ионизируют другие частицы, поэтому их число растёт и разряд поддерживается без внешнего ионизатора.
§ 122. Несамостоятельный и самостоятельный разряды
