§ 47. Электрический ток в газах

Определения и обозначения

Электрический ток в газе — упорядоченное движение свободных электронов и ионов. Газ проводит ток, когда в нём есть такие подвижные заряженные частицы. Это определение помогает отличить ток в газе от движения нейтральных молекул.

Ионизация газа — образование свободных электронов и положительных ионов из нейтральных атомов или молекул. Частица может потерять электрон, и тогда электрон и оставшийся положительный ион становятся носителями заряда. Ионизация объясняет, откуда в газе появляются частицы, необходимые для тока.

Рекомбинация — соединение свободного электрона с положительным ионом с образованием нейтральной частицы. При этом носители заряда исчезают, поэтому рекомбинация уменьшает их число. Это понятие помогает объяснить, почему газовый разряд не всегда сохраняется.

Газовый разряд — прохождение электрического тока через газ. Для него нужны заряженные частицы, а их движение вызывает электрическое поле. Термин объединяет процессы, которые происходят при прохождении тока через газ.

Как это устроено

В обычных условиях почти все частицы газа нейтральны: число положительных зарядов в атоме или молекуле уравновешено числом отрицательных. Поэтому такие частицы не могут переносить заряд от одного электрода к другому. Свободные носители возникают редко, так что газ обычно служит диэлектриком — веществом, которое плохо проводит ток.

Чтобы газ начал проводить ток, в нём должны появиться свободные носители заряда. Их создаёт внешний ионизатор: например, пламя, излучение или сильный нагрев. При ионизации частица теряет электрон, и образуются электрон и положительный ион; иногда электроны присоединяются к нейтральным частицам, создавая отрицательные ионы. После этого в газе есть заряженные частицы, которые могут двигаться.

Когда между электродами есть электрическое поле, оно действует на заряженные частицы. Электроны и отрицательные ионы движутся к положительному электроду, а положительные ионы — к отрицательному. Хотя их движения направлены противоположно, перенос положительного заряда в одну сторону равносилен переносу отрицательного заряда в другую. Поэтому вклад обеих групп соответствует одному условному направлению тока.

В достаточно сильном поле электроны разгоняются и при столкновениях с атомами или молекулами могут выбивать из них новые электроны. Так появляются дополнительные электроны и положительные ионы, а число носителей растёт. Если такой процесс поддерживает образование новых заряженных частиц, ток может продолжаться и без внешнего ионизатора. Для этого поле должно сообщать электронам достаточно энергии между столкновениями.

Если внешнее ионизирующее воздействие убрать, число новых носителей обычно резко уменьшается. Электроны могут соединиться с положительными ионами при рекомбинации, а заряженные частицы — достичь электродов и перестать участвовать в токе. Когда носителей становится недостаточно, разряд прекращается. Самостоятельный разряд может продолжаться после отключения ионизатора, но тоже не при любых условиях: его поддерживает поле и процессы внутри газа.

Виды газового разряда

Сначала определите, откуда в газе берутся новые носители заряда: только от внешнего источника или также из-за процессов в самом газе. Затем проверьте, исчезает ли ток после отключения ионизатора. Так проще всего различить два вида разряда.

Разбор задач

Задача 1. Сухой воздух между электродами обычно не проводит ток, но при внесении пламени ток появляется. Нужно объяснить причину изменения. Сравним, какие носители есть в воздухе до действия пламени и после него.

1. В обычном сухом воздухе почти все частицы нейтральны. Поэтому свободных электронов и ионов недостаточно для заметного переноса заряда. Воздух между электродами почти не проводит ток.
2. Пламя действует как внешний ионизатор. Оно создаёт в воздухе свободные электроны и ионы из нейтральных частиц. Заряженные частицы начинают двигаться под действием электрического поля.
3. Их направленное движение переносит заряд между электродами. Значит, при действии пламени в воздухе возникает газовый разряд. Ответ: ток появляется благодаря ионизации воздуха.

Задача 2. Между двумя электродами движутся электроны и положительные ионы. Нужно определить направления их движения и объяснить, почему их вклад создаёт ток одного направления. Пусть левый электрод отрицательный, а правый — положительный.

1. Электроны имеют отрицательный заряд, поэтому движутся к положительному электроду — вправо. Положительные ионы движутся к отрицательному электроду — влево. Следовательно, направления движения частиц противоположны.
2. Условное направление тока принято считать направлением движения положительного заряда. Поэтому движение положительных ионов влево создаёт ток влево. Движение электронов вправо тоже соответствует току влево, потому что электроны несут отрицательный заряд.
3. Значит, вклады электронов и положительных ионов складываются по условному направлению тока. Ответ: электроны движутся вправо, ионы — влево, а ток направлен влево.

Задача 3. После отключения источника ионизации ток сохраняется только пока действует электрическое поле, а затем быстро прекращается. Нужно определить вид разряда и объяснить наблюдение. Главное — выяснить, может ли газ поддерживать появление носителей без внешнего источника.

1. В условии сказано, что ток прекращается после отключения источника ионизации. Значит, новые носители заряда создавались главным образом благодаря этому внешнему источнику. Сам газ не поддерживает разряд достаточно долго.
2. Пока поле действует, имеющиеся электроны и ионы перемещаются и переносят заряд. Затем носители рекомбинируют или достигают электродов, а новых частиц извне уже не поступает. Поэтому число носителей уменьшается.
3. Это признак несамостоятельного разряда: ему нужен внешний ионизатор. Ответ: разряд несамостоятельный, поскольку после прекращения ионизации ток быстро исчезает.

Типичные ошибки

Ошибка — считать газ проводником при любых условиях. Так думают, потому что воздух окружает электрические приборы и иногда проводит ток при искре. Проверьте себя: спросите, есть ли в газе свободные носители; без них обычный газ почти не проводит ток.

Ошибка — считать, что ток в газе переносят только электроны. Их часто вспоминают первыми, но положительные ионы тоже движутся и переносят заряд; возможен вклад и отрицательных ионов. Для проверки перечислите заряженные частицы в газе и выясните, куда направлено движение каждой группы.

Ошибка — путать движение электронов с условным направлением тока. Поскольку электрон заряжен отрицательно, ток направлен противоположно его движению. Проверьте ответ по знаку заряда: движение положительных частиц совпадает с направлением тока, а отрицательных — противоположно.

Ошибка — думать, что любой разряд продолжается после отключения внешнего ионизатора. Это обобщение возникает, если не различать два вида разряда. Проверьте себя вопросом: могут ли процессы в самом газе создавать новые носители? Если нет, для поддержания разряда нужен внешний ионизатор.

Связь с другими темами

Чтобы разобраться в токе в газах, нужно знать, что такое электрический ток, электрическое поле и носители заряда. Эти понятия помогают объяснить, почему частицы движутся между электродами и как возникает перенос заряда. Ионизация и газовый разряд связаны с изучением тока в жидкостях, полупроводниках и вакууме. В разных средах носители заряда и условия их появления могут различаться.

Что запомнить

• Обычный газ почти не проводит электрический ток.
• Для появления тока в газе нужны свободные заряженные частицы.
• Ионизация создаёт электроны и ионы.
• В газе ток могут переносить электроны и ионы.
• Несамостоятельный разряд поддерживается внешним ионизатором.
• Самостоятельный разряд продолжается без внешнего ионизатора.