§ 68. Электрический ток в газах

Определения и обозначения

Ионизация газа — образование свободных электронов и положительных ионов при отрыве электронов от атомов или молекул. Её могут вызвать нагревание, ультрафиолетовое и рентгеновское излучение, столкновения с быстрыми частицами и сильное электрическое поле. Это понятие объясняет, откуда в газе берутся носители заряда, способные переносить ток.

Рекомбинация — соединение свободного электрона с положительным ионом, в результате которого заряженные частицы исчезают как отдельные носители. При этом атом или молекула снова становится нейтральной. Понятие помогает понять, почему число частиц, переносящих заряд, может уменьшаться.

Несамостоятельный газовый разряд — электрический ток в газе, существующий только при действии внешнего ионизатора. Ионизатором называют источник, который создаёт в газе заряженные частицы, например ультрафиолетовая лампа. Если убрать источник ионизации, ток вскоре прекращается.

Самостоятельный газовый разряд — ток в газе, который продолжается после прекращения действия внешнего ионизатора благодаря процессам внутри газа. Поле должно обеспечивать появление новых носителей, иначе старые достигнут электродов или рекомбинируют. По этому признаку самостоятельный разряд отличают от несамостоятельного.

Как это устроено

В обычных условиях газ почти не проводит ток, потому что его атомы и молекулы в целом нейтральны. В отличие от металла, где много свободных электронов, в газе заряженных частиц обычно мало. Поэтому даже приложенное напряжение не всегда вызывает заметный перенос заряда.

Когда действует внешний ионизатор, часть атомов или молекул теряет электроны. Возникают отрицательно заряженные электроны и положительные ионы, а электрическое поле заставляет их двигаться в противоположных направлениях. Упорядоченное движение этих носителей и есть электрический ток в газе.

Двигаясь, заряженные частицы сталкиваются с нейтральными атомами и молекулами. При слабом поле столкновения обычно не дают новых носителей, но сильное поле успевает разогнать электроны. Если энергии электрона хватает, он выбивает электрон из частицы газа: это ударная ионизация, увеличивающая число носителей.

Разряд становится самостоятельным, когда внутренние процессы в газе поддерживают образование новых заряженных частиц без внешнего ионизатора. Ударная ионизация может запустить такое умножение носителей; в некоторых условиях частицы, достигшие электродов, также способствуют появлению новых электронов. Если же поле недостаточно для поддержания этих процессов, носители рекомбинируют или достигают электродов, и ток прекращается.

Вид самостоятельного разряда зависит от давления газа, напряжённости поля, формы электродов и силы тока. Тлеющий разряд возникает обычно в разреженном газе при сравнительно небольшом токе и сопровождается свечением. Искровой разряд — короткий яркий пробой, как молния; дуговой поддерживается длительно большим током и нагревает газ до высокой температуры. Коронный разряд появляется около острых проводников, где поле особенно сильное, и выглядит как слабое свечение.

Несамостоятельный и самостоятельный разряды в газе

Сначала выясните, откуда берутся носители, а затем — что поддерживает их появление. Главный проверочный вопрос: сохранится ли ток после отключения внешнего ионизатора? Если да, разряд самостоятельный; если нет — несамостоятельный.

Разбор задач

Задача 1. В газе между электродами течёт ток, пока газ освещают ультрафиолетом. Определите вид разряда и объясните, что произойдёт после прекращения освещения. Здесь нужно проверить, зависит ли ток от внешнего источника ионизации, а не только установить наличие заряженных частиц.

1. Ультрафиолет служит внешним ионизатором: он создаёт в газе электроны и положительные ионы.
2. Ток течёт лишь при освещении, значит, образование носителей зависит от внешнего воздействия. По определению это несамостоятельный разряд.
3. После выключения света новые носители перестанут возникать. Оставшиеся достигнут электродов или рекомбинируют, поэтому ток прекратится.

Ответ: разряд несамостоятельный; после прекращения ультрафиолетового освещения ток исчезнет.

Задача 2. Объясните, почему при увеличении напряжения между электродами ток в ионизированном газе может резко возрасти. Нужно проследить не только за движением уже имеющихся зарядов, но и за тем, как меняется их количество при столкновениях.

1. Увеличение напряжения усиливает электрическое поле между электродами.
2. Электроны сильнее разгоняются и при столкновениях могут передать частицам газа достаточно энергии для ионизации.
3. Каждый такой акт добавляет электрон и положительный ион. Возросшее число носителей переносит больше заряда за то же время, поэтому ток может резко увеличиться.

Ответ: сильное поле вызывает ударную ионизацию и умножение носителей, что ведёт к росту тока.

Задача 3. Между электродами в газе возник разряд, который не исчез после выключения внешнего источника ионизации. Опишите механизм поддержания тока и назовите возможные виды такого разряда при разных условиях. По условию внешняя ионизация уже не требуется, значит, ток поддерживают процессы внутри газа.

1. Электрическое поле разгоняет электроны, а при достаточно энергичных столкновениях они ионизируют атомы и молекулы.
2. Образовавшиеся носители также участвуют в движении и новых столкновениях. Если образование частиц компенсирует их уход к электродам и рекомбинацию, разряд сохраняется.
3. В зависимости от условий он может быть тлеющим, искровым, дуговым или коронным. Различаются давление и свойства газа, величина тока, форма электродов и характер свечения.

Ответ: это самостоятельный разряд; его поддерживает внутренняя ионизация, а конкретный вид определяется условиями.

Типичные ошибки

Считать, что ток в газе переносят только электроны. Так думают, потому что электрон легко представить как подвижную частицу, но положительные ионы тоже перемещаются в поле и переносят заряд. Проверьте себя: назовите оба вида носителей, которые появляются при ионизации.

Называть любой ток в газе самостоятельным. Сам факт существования тока этого не доказывает: он может поддерживаться внешним ионизатором. Чтобы определить вид разряда, мысленно отключите ионизатор и выясните, продолжится ли ток.

Путать ионизацию с рекомбинацией. Оба процесса связаны с заряженными частицами, поэтому их легко смешать, но результаты противоположны: ионизация создаёт носители, а рекомбинация уменьшает их число. Проверка простая: спросите, стало ли после процесса больше свободных электронов и ионов.

Считать, что для самостоятельного разряда достаточно напряжения. Напряжение создаёт поле, но разряд продолжится только при условии, что внутренние процессы создают новые носители быстрее, чем те исчезают. Проверяйте не наличие напряжения само по себе, а способность поля и столкновений поддерживать ионизацию.

Связь с другими темами

Для понимания газового разряда нужны представления об электрическом токе, электрическом поле и носителях заряда, а также о строении атома и иона. Эта тема объясняет электрический пробой, молнию, свечение газоразрядных ламп и работу газоразрядных приборов. Дальше она связывается с понятием плазмы — ионизированного вещества, свойства которого изучают в физике.

Что запомнить

• В нейтральном газе свободных носителей заряда обычно мало.
• Ионизация создаёт свободные электроны и положительные ионы.
• Рекомбинация уменьшает число заряженных частиц.
• Несамостоятельный разряд требует внешнего ионизатора.
• Самостоятельный разряд поддерживается внутренними процессами в газе.
• Тлеющий, искровой, дуговой и коронный разряды различаются условиями возникновения и протекания.