Глава Vlil. Прохождение электрического тока через газы

§ 91. Самостоятельная и несамостоятельная проводимость газов. В естественном состоянии газы не проводят электри­ческого тока, т. е. являются диэлектриками. В этом легко убедиться с помощью простого опыта, изображенного на рис. 147, который показывает, что даже чувствительный гальванометр не обнаруживает тока, если цепь прервана воздушным промежутком. Мы пользуемся этим всякий раз,

Рис. 147. Газы в естественном состоянии не являются проводниками: 1 — газовый промежуток, 2 — аккумуляторная батарея, 3 — галь­ванометр

когда желаем прервать идущий ток: выключая рубильник или поворачивая выключатель, мы тем самым создаем воз­душный промежуток между двумя точками цепи. Изоли­рующие свойства газа объясняются тем, что атомы и моле­кулы газов в естественном состоянии являются нейтраль­ными, незаряженными, частицами. Поэтому в обычных условиях в газе почти нет свободных носителей заряда, дви­жение которых могло бы создать электрический ток.

Отсюда ясно, что, для того чтобы сделать газ проводя­щим, нужно тем или иным способом внести в него или со­здать в нем свободные носители заряда — заряженные час­тицы. При этом возможны два случая: либо эти заряженные частицы создаются действием какого-нибудь внешнего фак­тора или вводятся в газ извне, либо они создаются в газе действием самого электрического поля, существующего между электродами. В первом случае проводимость газа называется несамостоятельной, во втором — самостоятель­ной.

§ 92. Несамостоятельная проводимость газа. Простейший опыт, иллюстрирующий возникновение несамостоятельной проводимости газов, может быть осуществлен с помощью ус­тановки, изображенной на рис. 147, которая показывает, что в обычных условиях газы не проводят тока: несмотря на приложенное напряжение, гальванометр в цепи показы­вает отсутствие тока.

Нагреем теперь газ в промежутке / до очень высокой температуры, внеся в него зажженную горелку (рис. 148, а). Гальванометр тотчас же укажет появление тока. Следова­тельно, при высокой температуре молекулы газа уже не являются незаряженными, а по крайней мере некоторая их доля распадается на положительные и отрицательные час­ти, т. е. в газе появляются ионы. Процесс образования ионов в каком-либо газе называют ионизацией этого газа. В опи­санном опыте ионизация является следствием нагрева­ния газа.

Если направить в газовый промежуток струю воздуха от маленькой воздуходувки я на пути струи, вне промежут­ка, поместить ионизующее пламя (рис. 148, б), то гальвано­метр показывает некоторый ток. Это значит, что ионы, воз­никшие в пламени, не исчезают мгновенно, а перемещаются вместе с газом. Однако при увеличении расстояния между пламенем и газовым промежутком ток постепенно ослабе­вает и при расположении пламени в нескольких сантимет­рах практически исчезает вовсе. Это показывает, что после устранения причины, вызывающей ионизацию, число ионов в газе быстро уменьшается и через короткое время газ опять превращается в диэлектрик.

Исчезновение ионов в газе объясняется тем, что разно­именно заряженные ионы стремятся сблизиться под влия­нием силы электрического притяжения и при встрече вновь воссоединяются в нейтральную молекулу. Такой про­цесс носит название рекомбинации ионов. Вследствие ре­комбинации однажды созданная проводимость газа не со­храняется, а для получения длительного тока необходимо, чтобы в газе непрерывно происходила ионизация.

Нагревание газа до высокой температуры не является единственным способом ионизации молекул или атомов газа. Нейтральные атомы или молекулы газа могут ионизовать­ся, т. е. приобретать электрический заряд, также и под

Рис. 148. а) Газ, ионизованный пламенем, проводит электричество. 6) Если воздух, ионизованный пламенем, проходит до пластин не­большое расстояние, гальванометр показывает наличие тока, 1 — га­зовый промежуток, 2—аккумуляторная батарея, 3 — гальванометр

воздействием ряда других факторов, важнейшим из ко­торых является рентгеновское излучение.

Обычно процесс ионизации состоит в отрыве от моле­кулы электрона, благодаря чему она становится положи­тельным ионом. Освободившийся электрон сам становится свободным носителем отрицательного заряда. Однако во многих случаях электрон «прилипает» к какой-нибудь нейт­ральной молекуле, которая, таким образом, становится от­рицательно заряженным ионом. Нередко и положительные и отрицательные ионы представляют собой не единичные ионизованные молекулы, а группы молекул, прилипших к отрицательному или положительному иону. Благодаря

этому, хотя заряд каждого иона равен одному, двум, редко большему числу элементарных зарядов, массы их могут значительно отличаться от масс отдельных атомов или мо­лекул; этим газовые ионы существенно отличаются от ионов электролитов, представляющих всегда, как мы видели, ато­мы или определенные группы атомов. В силу этого разли­чия при ионной проводимости газов не имеют места законы Фарадея, столь характерные для проводимости электроли­тов.

Второе, также очень важное, отличие ионной проводи­мости газов от ионной проводимости электролитов состоит в том, что для газов не соблюдается закон Ома. Измеряя силу тока /, протекающего через газовый промежуток, и на­пряжение U на его границах (электродах), мы найдем, что зависимость / от U (так называемая вольтамперная ха­рактеристика) имеет довольно сложный характер. В то вре­мя как для проводников, подчиняющихся закону Ома (в том числе и для электролитов), вольтамперная характе­ристика имеет вид наклонной прямой, показывающей про­порциональность между величинами / и U, для газов, в за­висимости от характера разряда, она имеет разнообразную форму.

Рис. 149. Ток насыщения при несамостоятельной проводимо-

В частности, в случае несамостоятельной проводимос­ти, изображенном на рис. 148, получается график, пока­занный на рис. 149. Только при небольших значениях U график имеет вид прямой, т. е. закон Ома прибли­женно сохраняет силу; с ростом U кривая загибается и, начиная с некоторого напряжения — обычно нескольких десятков вольт,— переходит в горизонтальную прямую.

Это означает, что, начиная с некоторого напряжения, ток сохраняет постоянное значе­ние, несмотря на увеличение напряжения. Это постоянное, не зависящее от напряжения значение силы тока называют током насыщения.

Нетрудно понять смысл полученных результатов. Вна­чале с ростом напряжения увеличивается число ионов, про­ходящих за единицу времени через сечение разряда, т. е. увеличивается ток I, ибо ионы в более сильном поле дви­жутся с большей скоростью. Однако, как бы быстро ни дви­гались ионы, число их, проходящее через это сечение за

единицу времени, не может быть больше, чем общее число ионов, создаваемых в разряде в единицу времени внешним ионизующим фактором. Если, например, горелка создает за 1 с миллион пар ионов, каждый из которых имеет заряд 1,60¹10^-18 Кл, то максимальный заряд, проходящий через газ за 1 с, т. е. максимальный ток, равен 10^е-1,60-10^—1в= = 1,60*10“¹³ Кл/с= 1,60• 10“¹³ А. Это и есть значение тока насыщения в данном случае. Если бы ионизующий фактор был сильнее, т. е. создавал бы в 1 с больше ионов, то и зна­чение тока насыщения было бы больше. Однако и в этом слу­чае предельная сила тока определялась бы действием иони­зующего фактора, а не напряжением, т. е. имело бы место насыщение. Только в том случае, когда ионизующий фактор настолько силен, что даже при больших напряжениях элект­рическое поле не успевает уводить все образующиеся ионы,

Рис. 150. Вольтамперная харак­теристика при переходе от не­самостоятельного разряда к са­мостоятельному

мы не будем иметь насыще­ния. Это и имеет место в элект­ролите, где вследствие элект­ролитической диссоциации (§71) скорость образования ионов чрезвычайно велика. Поэтому для электролитов мы всегда имеем лишь начальную часть кривой, изображенной на рис. 149, т. е. для них со­блюдается закон Ома *).

Опыты показывают, одна­ко, что если после достижения тока насыщения в газе продолжать значительно повышать напряжение, то ход вольтамперной характеристики, пред­ставленной на рис. 149, внезапно нарушается. При до­статочно большом напряжении ток резко возрастает (рис. 150).

Скачок тока показывает, что число ионов сразу резко возросло. Причиной этого является само электрическое по­ле: оно сообщает некоторым ионам столь большие скорости, т. е. столь большую энергию, что при соударениях таких ионов с нейтральными молекулами последние разбиваются на ионы. Общее число ионов теперь определяется не иони­зующим фактором, а действием самого поля, которое может само поддерживать необходимую ионизацию: проводимость из несамостоятельной становится самостоятельной. Опи­

санное явление внезапного возникновения самостоятельной проводимости, имеющее характер пробоя газового проме­жутка, — не единственная, хотя и весьма важная, форма возникновения самостоятельной проводимости. К описа­нию различных случаев самостоятельной проводимости га­зов мы сейчас и перейдем.

§ 93. Искровой разряд. Присоединим шаровые электроды к батарее конденсаторов (рис. 151) и начнем зарядку конден­саторов при помощи электрической машины. По мере заряд­ки конденсаторов будет увеличиваться разность по­тенциалов между электродами, а следовательно, будет

Л электрической

Рис. 151. Если напряженность поля в воздухе достигает приблизи­тельно 3 МВ/м, то наступает электрический пробой газа и возникает электрическая и~кра

увеличиваться и напряженность поля в газе. Пока напря­женность поля невелика, в газе нельзя заметить никаких изменений. Однако при достаточно большой напряженности поля (около 3 МВ/м) между электродами появляется элек­трическая искра, имеющая вид ярко светящегося извилис­того канала, соединяющего оба электрода. Газ вблизи искры нагревается до высокой температуры и внезапно рас­ширяется, отчего возникают звуковые волны, и мы слышим характерный треск. Конденсаторы в этой установке су­ществуют для того, чтобы сделать искру более мощной.

Описанная форма газового разряда носит название искрового разряда или искрового пробоя газа. При наступ­лении искрового разряда газ внезапно, скачком, утрачива­

ет свои диэлектрические свойства и становится хорошим проводником. Напряженность поля, при которой наступает искровой пробой газа, имеет различное значение у разных газов и зависит от их состояния (давления, температуры).

При заданном напряжении между электродами напря­женность доля тем меньше, чем дальше находятся электро­ды друг от друга. Поэтому, чем больше расстояние между электродами, тем большее напряжение между ними необхо­димо для наступления искрового пробоя газа. Это напря­жение называется напряжением пробоя.

Зная, как зависит напряжение пробоя от расстояния между элек­тродами какой-либо определенной формы, можно измерить неизвест-

Рис. 152. Искровой вольтметр

ное напряжение по максимальной длине искры. На этом основано уст­ройство искрового вольтметра (рис. 152), удобного для грубой оценки больших напряжений (папример, в рентгеновских установках). Он состоит из двух металлических изо­лированных шаров, один из которых может плавно перемещаться. Шары присоединяют к источнику, напря­жение которого желают измерить, и сближают их до тех пор, пока не во­зникнет искра. Измеряя расстояние между шарами и соответствующее

напряжение, при котором происходит пробой, составляют специальные таблицы, при помощи которых затем определяют напряжение по длине искры. В качестве примера укажем, что при расстоянии 0,5 см между шарами диаметра 5 см напряжение пробоя равно 17,5 кВ, а при расстоя­нии 5 см — около 100 кВ.

Возникновение пробоя объясняется следующим обра­зом. В газе всегда есть некоторое число ионов и электро­нов, возникающих от случайных причин. Обычно, однако, число их настолько мало, что газ практически не проводит электричества. При сравнительно небольших значениях напряженности поля, с какими мы встречаемся при из­учении несамостоятельной проводимости газов, соударения ионов, движущихся в электрическом поле, с нейтральны­ми молекулами газа происходят так же, как соударения уп­ругих шаров. При каждом соударении движущаяся части­ца передает покоящейся часть своей кинетической энер­гии, и обе частицы после соударения разлетаются, но ника­ких внутренних изменений в них не происходит. Однако при достаточной напряженности поля кинетическая энер­гия, накопленная ионом в промежутке между двумя соуда­рениями, может сделаться достаточной, чтобы ионизовать нейтральную молекулу при соударении. В результате об­

разуется новый отрицательный электрон и положительно заряженный остаток — ион. Такой процесс ионизации назы­вают ударной ионизацией, а ту работу, которую нужно за­тратить, чтобы произвести отрывание электрона от атома,—

Рис. 153. Свободный электрон

1. при соударении с нейтраль­ной молекулой расщепляет ее на электрон 2 и свободный поло­жительный ион. Электроны 1 и

2. при дальнейшем соударении с нейтральными молекулами снова расщепляют их на электроны 3 к 4 к свободные положительные

ионы, и т. д.

работой ионизации. Работа ионизации зависит от строения атома и поэтому различна для разных газов.

Образовавшиеся под влиянием ударной ионизации электроны и ионы увеличивают число зарядов в газе, при­чем в свою очередь они приходят в движение под действием электрического поля и могут произвести ударную иониза-

Рис. 154. Лавинообразное раз­множение положительных ионов и электронов при соударении положительных ионов с нейт­ральными молекулами

цию новых атомов. Таким образом, этот процесс «усили­вает сам себя», и ионизация в газе быстро достигает очень большой величины. Все явление вполне аналогично снеж­ной лавине в горах, для зарождения которой бывает до­статочно ничтожного комка снега. Поэтому и описанный процесс был назван ионной лавиной (рис. 153 и 154). Обра­зование ионной лавины и есть процесс искрового пробоя, а то минимальное напряжение, при котором возникает ионная лавина, есть напряжение пробоя. Мы видим, что при искровом пробое причина ионизации газа заключается в

разрушении атомов и молекул при соударениях с ионами (ударная ионизация) ¹).

93Л. Известно, что чем меньше давление газа (при неизменной

• температуре), тем меньшее число атомов содержится в единице объема газа и тем больший путь свободно пролетают атомы между двумя последовательными соударениями. Учитывая это, сообра­зите, как будет изменяться (увеличиваться или уменьшаться) напряжение пробоя газового промежутка при уменьшении давле­ния газа.