§ 11. Электрический ток в газах

Определения и обозначения

Ионизация газа — образование свободных электронов и положительных ионов из нейтральных атомов или молекул под действием внешнего воздействия. Иными словами, у частицы появляется заряд, а в газе — подвижные носители. Без них газ почти не проводит ток.

Газовый разряд — прохождение электрического тока через ионизированный газ. Электроны и положительные ионы движутся в противоположных направлениях, но оба их движения участвуют в переносе заряда. Термин нужен, чтобы отличать ток в газе от тока в металлах или электролитах.

Несамостоятельный разряд — ток в газе, существующий только при постоянном действии внешнего ионизатора. Ионизатором называют источник, который создаёт заряженные частицы, например радиоактивное излучение. Если его убрать, новые носители перестанут появляться, и ток исчезнет.

Самостоятельный разряд — ток в газе, который после начала поддерживается самим электрическим полем без внешнего ионизатора. Ускоренные частицы создают новые носители при столкновениях. Понятие помогает понять, почему после пробоя газ продолжает проводить ток.

Как это устроено

В чистом нейтральном газе электроны связаны с атомами или молекулами, а сами частицы не перемещаются через газ как свободные заряды. Поэтому при обычных условиях носителей тока мало, и газ проводит плохо. Когда частица теряет электрон, остаётся положительный ион, а выбитый электрон может двигаться отдельно. Оба вида частиц становятся носителями заряда.

Ионизировать газ могут нагревание, ультрафиолетовое и радиоактивное излучение, а также сильное электрическое поле. Эти воздействия сообщают частицам энергию, достаточную для отделения электрона от атома или молекулы. В электрическом поле заряженные частицы начинают направленно двигаться к электродам. Пока носители создаются извне, разряд остаётся несамостоятельным.

При небольшом напряжении часть созданных ионизатором частиц может успеть рекомбинировать — соединиться обратно в нейтральные частицы, — прежде чем достигнет электродов. С увеличением напряжения поле быстрее направляет носители к электродам, поэтому сила тока растёт. Затем наступает ток насыщения: почти все частицы, созданные ионизатором за единицу времени, собираются электродами. Дальнейшее увеличение напряжения уже не может заметно увеличить их число, если интенсивность ионизации не меняется.

При достаточно сильном поле электрон между столкновениями набирает энергию и при ударе может выбить электрон из молекулы газа. Этот процесс называется ударной ионизацией. Освободившиеся электроны тоже ускоряются и вызывают новые столкновения, поэтому число носителей растёт лавинообразно; дополнительные электроны могут также появляться при выбивании частиц с электродов. Так возникает самостоятельный разряд, а напряжение, при котором газ пробивается, называют напряжением пробоя.

Искровой разряд — кратковременный пробой при сильном поле; его природный пример — молния. Дуговой разряд поддерживается большим током, сильно нагревает газ и применяется, например, при электрической сварке. Тлеющий разряд обычно возникает в разреженном газе при сравнительно небольшом токе и используется в газоразрядных лампах и неоновых вывесках. Коронный разряд появляется у острых проводников, где поле особенно сильное; его учитывают в высоковольтных установках и используют в некоторых электрофильтрах.

Виды электрического разряда в газах

Сравнивайте разряды по тому, откуда берутся носители и что происходит с током при изменении условий. Несамостоятельный ток исчезает без внешней ионизации, тогда как самостоятельный разряд может поддерживаться внутри газа. Примеры в таблице показывают, к какому типу относится наблюдаемое явление.

Разбор задач

Задача 1. Почему ток между электродами прекращается вскоре после удаления внешнего источника ионизации? Нужно проследить, что происходит с носителями, а не только отметить исчезновение источника.

1. Внешний источник создаёт новые электроны и положительные ионы.
2. После его удаления образование новых носителей резко уменьшается. Имеющиеся частицы движутся к электродам или рекомбинируют, то есть снова образуют нейтральные частицы.
3. Так как поле не вызывает достаточной ударной ионизации, размножения носителей не происходит. Ответ: несамостоятельный ток вскоре прекращается из-за исчезновения свободных носителей.

Задача 2. Внешняя ионизация создаёт 2,0×10¹¹ пар ионов в секунду. Найдите силу тока насыщения при e = 1,6×10⁻¹⁹ Кл. При насыщении за секунду электроды собирают все созданные пары, поэтому заряд, проходящий за это время, равен числу пар, умноженному на элементарный заряд.

1. Запишем связь силы тока с зарядом за единицу времени: I = Ne.
2. Подставим данные: I = 2,0×10¹¹ × 1,6×10⁻¹⁹ Кл/с.
3. Перемножаем коэффициенты и складываем показатели степени: I = 3,2×10⁻⁸ А. Ответ: ток насыщения равен 3,2×10⁻⁸ А.

Задача 3. По качественной вольт-амперной характеристике определите участки несамостоятельного и самостоятельного разряда и объясните резкий рост тока после пробоя. На графике по горизонтали отложено напряжение U, по вертикали — сила тока I.

1. До участка насыщения рост тока связан с тем, что поле эффективнее собирает созданные извне носители. На почти горизонтальном участке ток достигает Iнас: внешняя ионизация задаёт число частиц, и почти все они достигают электродов.
2. Этот участок относится к несамостоятельному разряду: без внешнего ионизатора носители не пополняются. В точке Uпр начинается пробой газа.
3. После пробоя ускоренные электроны вызывают ударную ионизацию, а новые электроны запускают следующие столкновения. Число носителей растёт лавинообразно, поэтому ток резко увеличивается и разряд становится самостоятельным.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что ток в газе создают только электроны. Так думают, потому что электроны легче и быстрее движутся, но положительные ионы тоже переносят заряд. Проверка: назовите оба типа носителей и укажите, что они движутся к противоположным электродам.

Ошибка: путать ионизацию с рекомбинацией. Оба процесса связаны с заряженными частицами, но ионизация создаёт их, а рекомбинация уменьшает их число, соединяя противоположные заряды. Проверка: спросите себя, увеличилось или уменьшилось после процесса число свободных носителей.

Ошибка: называть любой газовый разряд самостоятельным. Светящийся газ легко принять за признак самостоятельности, хотя важен не внешний вид, а способ поддержания тока. Проверка: мысленно уберите внешний ионизатор — если ток без него не сохраняется, разряд несамостоятельный.

Ошибка: полагать, что ток всегда пропорционален напряжению. Это ожидание переносят с простых случаев закона Ома, но при несамостоятельном разряде появляется насыщение, а после пробоя ток резко растёт. Проверка: рассмотрите вольт-амперную характеристику и найдите участок насыщения и начало пробоя.

Связь с другими темами

Для понимания разряда нужны понятия силы тока, напряжения, электрического поля и закона Ома: они описывают движение зарядов и связь тока с условиями в цепи. Тема продолжает изучение проводимости веществ, показывая, как заряд переносится в газе, а не только в металле. Эти знания пригодятся при разборе газоразрядных приборов, молний, плазмы, сварки, неоновых ламп и газовых лазеров.

Что запомнить

• Носителями тока в газах являются свободные электроны и ионы.
• Для появления тока газ необходимо ионизировать.
• Несамостоятельный разряд существует только при действии внешнего ионизатора.
• Самостоятельный разряд поддерживается процессами внутри самого газа.
• Ударная ионизация может вызвать лавинообразное увеличение числа носителей заряда.
• Искровой, дуговой, тлеющий и коронный разряды являются разновидностями самостоятельного разряда.
• При токе насыщения все созданные внешним ионизатором носители достигают электродов.