§ 3.7. Электрический ток в газах

Определения и обозначения

Электрический ток в газах — направленное движение свободных электронов и ионов, возникающих при ионизации газа. В электрическом поле эти частицы движутся к электродам в противоположных направлениях. Понятие нужно, чтобы объяснить проводимость воздуха, свечение разрядов и работу газоразрядных приборов.

Ионизация газа — образование свободных электронов и положительных ионов при отрыве электронов от атомов или молекул. Нейтральная частица превращается в положительный ион, а отделившийся электрон становится носителем заряда. Без ионизации в газе почти нет частиц, способных переносить ток.

Несамостоятельный газовый разряд — ток в газе, существующий только при действии внешнего ионизатора. Ионизатор постоянно создаёт новые пары «электрон — положительный ион», компенсируя их исчезновение. Так можно исследовать проводимость газа, не доводя его до пробоя.

Самостоятельный газовый разряд — ток в газе, поддерживаемый внутренними процессами ионизации после удаления внешнего ионизатора. Главную роль часто играет ударная ионизация быстрыми электронами. Это определение позволяет отличить устойчивое свечение или искру от тока, полностью зависимого от внешнего излучения.

Как это устроено

Обычный газ почти не проводит ток, потому что его атомы и молекулы в целом электрически нейтральны, а связанные электроны не могут свободно перемещаться по всему объёму. Электрическое поле действует на заряды, но не создаёт заметного тока из неподвижных нейтральных частиц. После ионизации появляются электроны и положительные ионы, а электроны могут также присоединяться к молекулам и образовывать отрицательные ионы.

Ионизацию вызывают ультрафиолетовое и рентгеновское излучение, радиоактивное излучение, сильный нагрев и энергичные столкновения частиц. При поглощении достаточной энергии электрон отрывается от атома или молекулы. Обратный процесс называется рекомбинацией: электрон соединяется с положительным ионом, и снова образуется нейтральная частица, поэтому число свободных носителей уменьшается.

При небольшом напряжении внешнее поле разделяет уже возникшие заряды, но электроны ещё не получают энергии для массовой ионизации атомов. Если внешний ионизатор продолжает действовать, ток сохраняется, а при его отключении быстро ослабевает. Поэтому такой режим называют несамостоятельным, а его сила тока определяется интенсивностью ионизатора, свойствами газа и напряжением между электродами.

При увеличении напряжения электроны между столкновениями сильнее ускоряются полем. Если их энергия становится достаточной, столкновение выбивает новый электрон из атома; возникшие электроны также ускоряются и ионизируют другие частицы. Так развивается электронная лавина, резко возрастает число носителей, и разряд может перейти в самостоятельный.

Самостоятельный разряд сохраняется после удаления внешнего ионизатора, потому что внутренние процессы продолжают создавать заряженные частицы. Помимо ударной ионизации, помогают нагрев газа, эмиссия электронов с катода и излучение возбуждённых атомов. При искровом разряде происходит кратковременный пробой и яркая вспышка, дуга отличается большим током и сильным нагревом, тлеющий разряд даёт сравнительно слабое свечение при низком давлении, а коронный возникает в неоднородном поле около острия.

Виды электрического разряда в газах

В таблице сначала указано, требуется ли внешнее воздействие, а затем — как появляются и сохраняются носители заряда. Сравнивайте не только название разряда, но и давление, напряжение, силу тока, длительность и нагрев газа. Один и тот же газ при изменении условий может перейти из одной формы разряда в другую.

Разбор задач

Внешний ионизатор и вид разряда

Условие. Между электродами в воздухе возникает ток только при включённом источнике ультрафиолетового излучения. Нужно определить вид разряда и объяснить наблюдение.

1. Ультрафиолет отрывает электроны от молекул воздуха, то есть является внешним ионизатором.
2. Электрическое поле направляет появившиеся электроны и ионы к противоположным электродам, поэтому возникает ток.
3. После выключения источника новые носители почти не образуются, а оставшиеся исчезают из-за рекомбинации и оседания на электродах.

Ответ: это несамостоятельный газовый разряд, поскольку он существует только при действии внешнего ионизатора.

Искровой и дуговой разряды

Условие. Сравнить разряд при очень большом напряжении и малом времени действия с разрядом, который поддерживается большим током после пробоя газа.

1. Большое напряжение создаёт сильное поле и ускоряет электроны до энергий, достаточных для ударной ионизации.
2. Если ток быстро прекращается, возникает краткая лавина и проводящий канал — это искровой разряд.
3. Если источник способен поддерживать большой ток, канал сильно нагревается, а нагрев и эмиссия электронов с катода поддерживают ионизацию.
4. Такой длительный яркий разряд называют дуговым; его температура и ток намного больше, чем у искры.

Ответ: искра — кратковременный пробой при большом напряжении, дуга — устойчивый горячий разряд, поддерживаемый значительным током.

Разряд около острия

Условие. Около острия проводника высокого напряжения светится воздух. Определить вид разряда и причину свечения.

1. У острия силовые линии поля расположены особенно густо, поэтому поле там неоднородно и значительно сильнее, чем вдали от проводника.
2. Свободные электроны в этой области ускоряются и при столкновениях ионизируют молекулы воздуха.
3. Возбуждённые атомы и молекулы при возвращении в обычное состояние испускают фотоны, поэтому воздух светится.
4. Разряд остаётся локальным и не превращается сразу в сплошную дугу, так как сильное поле сосредоточено около острия.

Ответ: наблюдается коронный разряд; его вызывают ионизация в неоднородном поле и свечение возбуждённых частиц воздуха.

Типичные ошибки

Считать газ проводником в обычных условиях. Ошибка возникает, когда забывают о почти полном отсутствии свободных носителей заряда. Проверьте себя: спросите, какие именно частицы должны двигаться в поле и откуда они появились.

Путать ионизацию с рекомбинацией. Ионизация создаёт электрон и положительный ион, а рекомбинация соединяет их в нейтральную частицу. Для проверки определите, увеличивается или уменьшается число свободных носителей.

Называть любой разряд самостоятельным. Самостоятельность означает продолжение тока после удаления внешнего ионизатора, а не просто наличие свечения. Мысленно выключите источник излучения: если ток исчезает, разряд несамостоятельный.

Считать искровой, дуговой, тлеющий и коронный разряды несамостоятельными. Это формы самостоятельного разряда, хотя условия и внешний вид у них различаются. Проверьте классификацию по механизму поддержания: внутренние процессы или постоянное внешнее ионизирование.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания об электрическом токе, напряжении, силе тока, электрическом поле и движении заряженных частиц. Ионизация показывает, почему свойства газа отличаются от свойств металлического проводника.

Газовые разряды встречаются в газоразрядных лампах, свечах зажигания, молниеотводах, плазменных устройствах и сварочной дуге. В природе примером самостоятельного разряда служит молния.

Дальше эти знания помогут изучать плазму, взаимодействие заряженных частиц с электромагнитным излучением и технические применения электрического разряда.

Что запомнить

• Носителями тока в газах являются электроны и положительные и отрицательные ионы.
• Свободные носители заряда появляются при ионизации газа.
• При рекомбинации электроны и ионы вновь образуют нейтральные атомы или молекулы.
• Несамостоятельный разряд существует только при наличии внешнего ионизатора.
• Самостоятельный разряд поддерживается ударной ионизацией и другими внутренними процессами.
• Искровой, дуговой, тлеющий и коронный разряды относятся к самостоятельным разрядам.
• Газовый разряд широко используется в технике и наблюдается в природных явлениях, например в молнии.