38. Електричний струм в газах.

Гази на відміну від металів і електролітів за звичайних умов скла­даються з електрично нейтральних атомів та молекул і тому не є про­відниками електрики. Досліди підтверджують це. Якщо до двох обкладок плоского повітряного конденсатора під'єднати джерело струму і послідовно увімкнути гальванометр, то в разі замикання електричного кола гальванометр не зафіксує струму. Підігрівши повітряний прошарок конденсатора запаленим сірни­ком, будемо спостерігати помітний струм. Отже, щоб газ став провід­ним, треба внести або створити в ньому вільні носії заряду. Це можна здійснити, перш за все, способом іонізації нейтральних атомів або молекул газу. Іонізація газів можлива під впливом космічного, рент­генівського або радіоактивного проміння, через зіткнення атомів із швидкими електронами або іншими елементарними чи атомними частинками, під час нагрівання газів тощо. У кожному разі відбува­ється відщеплення з електронної оболонки атома чи молекули одно­го або кількох електронів. Цей процес називають іонізацією. Вна­слідок іонізації з'являються вільні електрони і позитивно заряджені іони. Вільні електрони, у свою чергу, можуть захоплюватись ней­тральними атомами або молекулами, перетворюючи останні в нега­тивні іони. Таким чином, у газі під дією іонізаторів з'являються по­зитивні і негативні іони та вільні електрони. Газ стає провідником струму. Між іншим, гази (наприклад, повітря) за звичайних природ­них умов мають незначну провідність, зумовлену частковою іоніза­цією їх під дією космічного проміння та опромінення радіоактивни­ми елементами, які завжди в невеликій кількості є на поверхні землі та в повітрі.

Атоми і молекули є стійкими системами заряджених частинок. Для відриву від атома електрона потрібно затратити енергію, яку на­зивають енергією або роботою іонізації. Робота іонізації А_і атомів різ­них газів не однакова. Вона залежить від хімічної природи газу та енергетичного стану електрона в атомі або молекулі. Виражається робота іонізації в електрон-вольтах. Енергію іонізації характеризу­ють потенціалом іонізації φ_і;, під яким розуміють ту різницю потен­ціалів, яку має пройти електрон у прискорювальному електричному полі, щоб набути енергії, яка дорівнює роботі іонізації:

Іони та вільні електрони в іонізованому газі, як і нейтральні атоми та молекули, перебувають у постійному хаотичному русі. У разі збли­ження протилежно заряджених частинок вони з'єднуються між со­бою і утворюють нейтральні атоми та молекули. Цей процес назива­ють рекомбінацією.

Рекомбінація іонів супроводжується виділенням енергії здебіль­шого у вигляді світлового випромінювання, тому процеси, які відбу­ваються при рекомбінації, характерні світінням газу.

Несамостійний розряд у газах

Явища, які пов'язані з проходженням електричного струму крізь газ і супроводжуються зміною стану газу (склад, тиск, енергетичні стани молекул тощо), називають електричним розрядом у газах. За­лежно від механізму іонізації розряди в газах поділяють на несамо­стійні і самостійні. Електричний розряд вважають несамостійним, якщо він виникає тільки під дією іонізатора, а з припиненням його дії розряд зникає. Електропровідність газів досліджують за допомо­гою газорозрядної трубки (рис. 1) з двома електродами, наповненої досліджуваним газом. Напругу між електродами змінюють потенціо­метром. Іонізацію здійснюють довільним способом, наприклад, ультрафіолетовим або рентгенівським випромінюванням. Як видно з вольт-амперної характеристики електричного розряду (рис. .2), в газі при постійній потужності іонізатора спочатку зі зміною напру­ги U струм змінюється лінійно. З подальшим збільшенням напруги залежність І= f(U) набуває нелінійного характеру, а при U >U_l си­ла струму не залежить від напруги (U = const). Струм І_н називають струмом насичення. З підвищенням напруги U > U₂ спостерігається значне зростання сили струму, яке супроводжується тепловими і світловими ефектами. Струм у газах при несамостійному розряді створюється напрямленим рухом іонів і електронів під дією елек­тричного поля.

■

Рис. .1 Рис .2

Самостійний розряд у газах

З підвищенням напруги до значень U > U₂ сила струму в газовому розряді різко зростає в сотні і тисячі разів. Дослід показує, що за певних умов припинення дії іонізатора не впливає на протікання розряду. Електричний струм у газі, який проходить без дії зовнішнього іонізатора, називають самостійним розрядом. Самостійний розряд підтримується за досить високої на­пруги на електродах, при якій той розряд, що почався, самостійно створює потрібні для його подальшого протікання електрони та іони. Поповнення носіїв заряду при самостійному розряді може відбува­тись із різних причин, зокрема завдяки механізмові ударної іонізації атомів (молекул) газу. Це процес вибивання електронів з нейтраль­них атомів під час зіткнення їх з потоком швидких електронів. Отже, несамостійний розряд переходить у самостійний тоді, коли нові іони утворюються внаслідок внутрішніх процесів, що відбуваються у са­мому газі.

Тліючий розряд

Форма і взаємне розміщення електродів, режим їхньої роботи (підведена потужність, характер охолодження та інші параметри) визначають тип розряду. Кожному типові відповідає певний стан іонізованого газу, який характеризується температурою, електропро­відністю, спектрами випромінювання і поглинання тощо. Більше то­го, виявляється, що стан деякого елемента іонізованого газу для кон­кретного типу розряду істотно залежить від того, в якій області роз­рядного проміжку міститься цей елемент, та від його відстані до електрода. У зв'язку з цим розрізняють не тільки типи розрядів, а й об­ласті розрядного проміжку, що належать до того самого типу розряду.

Найпростішим і найбільш вивченим типом розряду, в якому газ перебуває в дуже нерівноважному стані, є тліючий розряд. Він спо­стерігається в газах при низьких тисках (близько 10³ Па і менше). Тліючим розрядом називають самостійний розряд, в якому звільнен­ня електронів з катода відбувається внаслідок бомбардування його позитивними іонами і фотонами, що утворюються в газі.