§ 3.8. Несамостоятельный и самостоятельный разряды

Определения и обозначения

Несамостоятельный разряд — прохождение электрического тока через газ, возможное только при действии внешнего ионизатора. Ионизатор создаёт носители заряда, а после его отключения они постепенно исчезают из-за рекомбинации или достигают электродов. Это понятие помогает отличить ток, поддерживаемый внешним воздействием, от разряда, который может существовать сам.

Самостоятельный разряд — прохождение тока через газ, при котором носители заряда образуются без внешнего ионизатора, а разряд поддерживает себя. Источником новых частиц становятся процессы внутри газа, прежде всего ударная ионизация. Такое определение показывает, что для разряда требуется не только наличие поля, но и воспроизводство носителей.

Ионизация газа — образование свободных электронов и положительных ионов при отрыве электронов от атомов или молекул газа. Нейтральная частица превращается в положительный ион, а отделившийся электрон может переносить заряд. Ионизация объясняет, откуда в почти непроводящем газе берутся частицы, создающие ток.

Газовый разряд — прохождение электрического тока через газ. Ток возникает потому, что свободные электроны и ионы под действием электрического поля движутся направленно к противоположно заряженным электродам. Термин является общим: газовый разряд может быть как несамостоятельным, так и самостоятельным.

Как это устроено

В обычных условиях газ почти не проводит ток, потому что большинство его частиц электрически нейтральны, а связанные электроны не могут свободно перемещаться. Внешнее воздействие, например нагревание или излучение, передаёт атомам достаточную энергию для отрыва электронов. Так появляются свободные электроны и положительные ионы, то есть газ частично ионизируется.

Электрическое поле действует на заряженные частицы с противоположными направлениями: электроны движутся к положительному электроду, а положительные ионы — к отрицательному. Их упорядоченное движение образует электрический ток, хотя частицы одновременно сталкиваются с атомами газа. Часть электронов и ионов при встрече соединяется обратно, поэтому происходит рекомбинация и снова образуются нейтральные частицы.

При несамостоятельном разряде число носителей зависит от работы внешнего ионизатора. Пока он действует, новые пары электронов и ионов компенсируют потери на рекомбинацию и попадание частиц на электроды. Если ионизатор убрать, образование носителей резко уменьшается, оставшиеся частицы постепенно исчезают, и ток прекращается.

При увеличении напряжения электроны приобретают между столкновениями большую энергию. Если её хватает, электрон при ударе выбивает электрон из атома газа, оставляя положительный ион, — происходит ударная ионизация. Возникший электрон также разгоняется полем и может вызвать новые столкновения, поэтому число носителей начинает быстро увеличиваться.

Разряд становится самостоятельным, когда образование новых носителей при ударной ионизации компенсирует их потери без внешнего источника. Для этого электрическое поле должно быть достаточно сильным, а условия в газе — подходящими для эффективных столкновений. Тогда цепочка ионизаций поддерживает ток внутри газа даже после отключения внешнего ионизатора.

Сравнение несамостоятельного и самостоятельного разрядов

Сначала определите, откуда берутся новые носители заряда: извне или благодаря процессам в самом газе. Затем мысленно отключите внешний ионизатор и проверьте, останется ли ток. Если поле только собирает созданные частицы, разряд несамостоятельный; если оно запускает их воспроизводство, разряд самостоятельный.

Разбор задач

Задача 1

Условие. Газ между электродами проводит ток под действием ультрафиолетового излучения. Определите, будет ли ток сохраняться после прекращения облучения.

1. Ультрафиолет действует как внешний ионизатор: он создаёт в газе свободные электроны и положительные ионы.
2. Пока облучение продолжается, поле направленно перемещает эти частицы, поэтому ток существует.
3. После прекращения облучения новые носители почти не появляются. Оставшиеся частицы постепенно достигают электродов или рекомбинируют.

Ответ: ток не сохранится надолго; разряд является несамостоятельным и постепенно прекратится.

Задача 2

Условие. В газе поддерживают неизменное внешнее ионизирующее воздействие, а напряжение между электродами постепенно увеличивают. Объясните, почему ток сначала растёт, а затем может перестать заметно увеличиваться.

1. При малом напряжении часть созданных ионизатором электронов и ионов успевает рекомбинировать или не достигает электродов.
2. Увеличение напряжения усиливает поле, поэтому частицы движутся быстрее и большая их доля доходит до электродов. Ток возрастает.
3. При достаточно большом напряжении почти все носители, создаваемые ионизатором за единицу времени, собираются электродами. Дальнейшее усиление поля уже почти не увеличивает их число.

Ответ: ток сначала растёт из-за улучшения сбора зарядов, а затем достигает режима насыщения. Это само по себе не означает переход к самостоятельному разряду.

Задача 3

Условие. Внешний ионизатор выключили, но при достаточно большом напряжении ток через газ продолжился. Объясните механизм сохранения тока и назовите разряд.

1. Сильное электрическое поле ускоряет оставшиеся свободные электроны до больших энергий.
2. При столкновениях быстрые электроны выбивают электроны из атомов газа. Возникают новые электроны и положительные ионы.
3. Новые электроны снова ускоряются и ионизируют другие атомы, поэтому внутри газа устанавливается цепь размножения носителей.

Ответ: ток сохраняется благодаря ударной ионизации; возникший разряд называют самостоятельным.

Типичные ошибки

Ошибка 1. Считать любой ток через газ самостоятельным. Так думают, потому что слово разряд часто связывают с ярким электрическим явлением. Проверка проста: выясните, исчезает ли ток после отключения внешнего ионизатора.

Ошибка 2. Думать, что носители исчезают мгновенно. На самом деле электроны и ионы некоторое время движутся к электродам и рекомбинируют, поэтому ток обычно ослабевает постепенно. Проверяйте, учитываете ли вы оба процесса потери зарядов.

Ошибка 3. Объяснять самостоятельный разряд наличием внешнего ионизатора. Ионизатор может запустить ток, но поддержание должно происходить за счёт процессов внутри газа, главным образом ударной ионизации. Спросите себя, откуда берутся новые носители после выключения источника.

Ошибка 4. Принимать любой рост тока с напряжением за переход к самостоятельному разряду. Ток может расти просто потому, что электроды собирают больше созданных ионизатором частиц. Для проверки нужно выяснить, сохраняется ли ток без внешней ионизации.

Связь с другими темами

Перед изучением разрядов нужно понимать, как электрическое поле действует на заряженные частицы и почему их направленное движение создаёт электрический ток. Эти знания позволяют объяснить движение электронов и ионов между электродами.

Тема связана с ионизацией, рекомбинацией и проводимостью веществ. Она понадобится при изучении различных видов газового разряда и электрического пробоя, когда проводимость газа резко возрастает.

Что запомнить

• В газе ток создают электроны и ионы.
• Несамостоятельному разряду необходим внешний ионизатор.
• После отключения внешнего ионизатора несамостоятельный разряд прекращается.
• Ударная ионизация возникает, когда быстрые электроны выбивают электроны из атомов газа.
• Самостоятельный разряд поддерживается процессами ионизации внутри газа.
• Для возникновения самостоятельного разряда электрическое поле должно быть достаточно сильным.