§ 53. Носители электрических зарядов в газах

Определения и обозначения

Ионизация газа — образование свободных заряженных частиц из нейтральных атомов или молекул. Атом, потерявший электрон, становится положительным ионом, а присоединивший электрон может превратиться в отрицательный ион. Ионизация нужна для появления носителей, без которых направленное движение зарядов и электрический ток в газе невозможны.

Носители электрического заряда — частицы, способные свободно перемещаться в газе и переносить заряд. К ним относятся электроны, положительные ионы и отрицательные ионы. Под действием электрического поля эти частицы движутся в противоположных направлениях, но создаваемые ими токи могут складываться.

Рекомбинация — соединение разноимённо заряженных частиц, после которого образуется нейтральный атом или молекула. Например, электрон может соединиться с положительным ионом. Рекомбинация уменьшает число носителей и поэтому ослабляет проводимость газа.

Как это устроено

В обычном газе электроны прочно связаны с атомами и молекулами, поэтому свободных носителей очень мало. Даже если частицы сталкиваются, их теплового движения недостаточно, чтобы надолго разделить положительный и отрицательный заряды. Поэтому при небольшом напряжении газ обычно считают изолятором.

Чтобы газ начал проводить ток, его нужно ионизировать. Ионизатором называют источник, который сообщает частицам энергию: им может быть пламя, сильный нагрев, ультрафиолетовое, рентгеновское или радиоактивное излучение. Получив энергию, электрон покидает атом, и вместо одной нейтральной частицы появляются положительный ион и свободный электрон.

Если между электродами создать электрическое поле, свободные частицы начнут двигаться направленно. Электроны и отрицательные ионы перемещаются к положительному электроду, а положительные ионы — к отрицательному. Столкновения с нейтральными частицами изменяют путь движения, но поле снова ускоряет заряд, поэтому направленное перемещение сохраняется.

При достаточно сильном поле быстрый электрон может при столкновении выбить электрон из нейтрального атома. Возникают новые электрон и положительный ион, затем процесс повторяется и число носителей быстро растёт. Такое явление называют ударной ионизацией.

Разряд бывает несамостоятельным, если для его поддержания постоянно нужен внешний ионизатор. После его выключения рекомбинация постепенно уменьшает число зарядов, и ток прекращается. Самостоятельный разряд продолжается без внешнего источника ионизации, потому что частицы, ускоренные полем, сами создают новые носители.

Основные носители заряда в газах

Сравнивать носители удобно по знаку заряда, направлению движения и роли в разряде. Направление движения не всегда совпадает с направлением электрического тока: для отрицательных частиц оно противоположно условному направлению тока.

При решении задач сначала определите знак заряда частицы, а затем направление её движения. Если в газе присутствуют несколько видов носителей, учитывайте движение каждого вида отдельно. Помните: положительные и отрицательные частицы движутся навстречу друг другу, но обе создают ток одного условного направления.

Разбор задач

Задача 1. В газе образовались свободные электроны и положительные ионы. Между горизонтальными электродами создано поле, причём верхний электрод заряжен положительно, а нижний — отрицательно. Определите, к каким электродам будут двигаться частицы.

1. Электрон имеет отрицательный заряд, поэтому электрическое поле действует на него в сторону, противоположную направлению поля.
2. Положительный верхний электрод притягивает электрон, значит, электроны движутся вверх.
3. Положительный ион притягивается к отрицательному электроду, значит, он движется вниз, к нижнему электроду.

Ответ: электроны движутся к верхнему положительному электроду, а положительные ионы — к нижнему отрицательному электроду. Нельзя выбирать направление только по движению электронов: ионы также переносят заряд и участвуют в токе.

Задача 2. В газе за одну секунду через поперечное сечение в одном направлении проходит заряд 0,06 Кл, а в противоположном направлении — заряд 0,04 Кл. Найдите общий заряд, перенесённый за секунду, и силу тока. Нужно учесть, что встречное движение отрицательных и положительных носителей может создавать ток одного направления.

1. Выбираем условное направление тока и замечаем, что оба потока зарядов соответствуют ему.
2. Складываем перенесённые заряды: q = 0,06 Кл + 0,04 Кл = 0,10 Кл.
3. Используем формулу силы тока I = q / t. При t = 1 с получаем I = 0,10 А.

Ответ: за секунду переносится заряд 0,10 Кл, сила тока равна 0,10 А. Если бы оба потока были направлены так, что создавали противоположные токи, из большего заряда пришлось бы вычесть меньший.

Типичные ошибки

• Считать газ проводником в любых условиях. Ошибка появляется потому, что ученик переносит свойства металлов на газ. Проверьте себя: спросите, есть ли в газе свободные носители и чем они образовались.
• Называть носителями только электроны. В газе заряд переносят также положительные и отрицательные ионы. Для проверки перечислите частицы, возникающие при отрыве электрона от атома и при его присоединении.
• Путать направление движения заряда и направление тока. Отрицательные частицы движутся противоположно условному направлению тока. Нарисуйте стрелку поля, определите знак частицы и только потом выбирайте направление её движения.
• Считать любой разряд самостоятельным. Наличие тока ещё не означает, что он сохранится без внешнего воздействия. Проверьте, продолжается ли ионизация после удаления ионизатора.

Связь с другими темами

Тема связана с электрическим током: ток определяется направленным движением заряженных частиц, а в газах такими частицами бывают электроны и ионы. С электрическим полем она связана через действие поля на носители и их ускорение между столкновениями. С атомной физикой связь объясняется строением атома, потерей и присоединением электронов.

Что запомнить

• Обычный газ почти не проводит ток из-за отсутствия свободных носителей.
• Главные носители заряда в газах — электроны, положительные и отрицательные ионы.
• Ионизация создаёт заряженные частицы, а рекомбинация уменьшает их число.
• В электрическом поле положительные ионы движутся к отрицательному электроду, отрицательные частицы — к положительному.
• Несамостоятельный разряд требует внешнего ионизатора, самостоятельный поддерживает себя сам.
• Ударная ионизация возникает, когда быстрые электроны выбивают электроны из атомов при столкновениях.