3. Електричний струм в газах

Ми розглянули механізм провідності твердих і рідких тіл, а також струму у вакуумі. Залишилося познайомитися із струмом в газах.

Електричний розряд в газі. Візьмемо електрометр з приєднаними до нього дисками плоского конденсатора і зарядимо його (рис.16.27). При кімнатній температурі, якщо повітря досить сухе, конденсатор розряджається дуже повільно.

    Це показує, що електричний струм, що викликається різницею потенціалів в повітрі між дисками, дуже малий. Отже, електрична провідність повітря при кімнатній температурі мала і повітря можна вважати діелектриком.

    Тепер нагріватимемо повітря між дисками сірником, що горить (рис.16.28). Відмітимо, що стрілка електрометра швидко наближається до нуля, тобто, конденсатор розряджається. Отже, нагрітий газ є провідником і в нім встановлюється електричний струм.

Процес проходження електричного струму через газ називають газовим розрядом.

   Іонізація газів. Ми бачили, що повітря при кімнатній температурі дуже поганий провідник. При нагріванні провідність повітря зростає. Збільшення провідності повітря можна викликати і іншими способами, наприклад дією випромінювань: ультрафіолетового, рентгенівського, радіоактивного і др.

  За звичайних умов гази майже повністю складаються з нейтральних атомів або молекул і, отже, є діелектриками. Унаслідок нагрівання або дії випромінюванням частина атомів іонізуєтся – розпадається на позитивно заряджені іони і електрони (рис.16.29). У газі можуть утворюватися і негативні іони, які з'являються завдяки приєднанню електронів до нейтральних атомів.

   Іонізація газів при нагріванні пояснюється тим, що по мірі нагрівання молекули рухаються все швидше і швидше. При цьому деякі молекули починають рухатися так швидко, що частина з них при зіткненнях розпадається, перетворюючись на іони. Чим вище температура, тим більше утворюється іонів.

Провідність газів. Механізм провідності газів схожий на механізм провідності розчинів і розплавів електролітів. Відмінність полягає в тому, що негативний заряд переноситься в основному не негативними іонами, як у водних розчинах або розплавах електролітів, а електронами.

    Таким чином, в газах поєднується електронна провідність, подібна до провідності металів, з іонною провідністю, подібній провідності водних розчинів або розплавів електролітів. Ще одна істотна відмінність. У розчинах електролітів утворення іонів відбувається унаслідок послаблення внутрішньо молекулярних зв'язків під дією молекул розчинника (молекул води). У газах утворення іонів відбувається або при нагріванні, або за рахунок дії зовнішніх іонізаторів, наприклад, випромінювань.

Несамостійний і самостійний розряди. Розряд в газі може відбуватися і без зовнішнього іонізатора. Розряд здатний підтримувати сам себе. Чому це можливо?

Несамостійний розряд. Для дослідження розряду в газі при різному тиску зручно використовувати скляну трубку з двома електродами (рис.16.31).

   При невеликій різниці потенціалів між електродами трубки позитивно заряджені іони переміщаються до негативного електроду, а електрони і негативно заряджені іони - до позитивного електроду. В результаті в трубці виникає електричний струм, тобто відбувається газовий розряд.

   Не всі іони, що утворюються, досягають електродів; частина їх возз'єднується з електронами, утворюючи нейтральні молекули газу.

У міру збільшення різниці потенціалів між електродами трубки доля заряджених частинок, що досягають електродів, збільшується. Зростає і сила струму в колі. Нарешті, настає момент, при якому всі заряджені частинки, що утворюються в газі за секунду, досягають за цей час електродів. При цьому подальшого зростання сили струму не відбувається (рис.16.32). Струм, як то кажуть, досягає насичення. Якщо дію іонізатора припинити, то припиниться і розряд, оскільки інших джерел іонів немає. З цієї причини такий розряд називають несамостійним розрядом.

   Самостійний розряд. Що відбуватиметься з розрядом в газі, якщо продовжувати збільшувати різницю потенціалів на електродах?

Здавалося б, сила струму і при подальшому збільшенні різниці потенціалів повинна залишатися незмінною. Проте досвід показує, що в газах при збільшенні різниці потенціалів між електродами, починаючи з деякого її значення, сила струму знову зростає (рис.16.33). Це означає, що в газі з'являються додаткові іони окрім тих, які утворюються за рахунок дії іонізатора. Сила струму може зрости в сотні і тисячі разів, а число іонів, що виникають в процесі розряду, може стати таким великим, що зовнішній іонізатор буде вже не потрібний для підтримки розряду. Якщо прибрати зовнішній іонізатор, то розряд не припиниться. Оскільки розряд в цьому випадку не має потреби для своєї підтримки в зовнішньому іонізаторі, його називають самостійним розрядом.