4. 4. Несамостоятельный газовый разряд

Прохождение электрического тока через газ называется электрическим разрядом в газе или газовым разрядом.

Если электропроводность газа создается и поддерживается за счет действия внешнего источника ионизации, то происходящий при этом электрический разряд в газе называется несамостоятельным газовым разрядом. Несамостоятельный газовый разряд прекращается, как только прекращается действие внешнего ионизатора.

Рисунок 4.5

На рис. 4.5 показана схема установки для изучения вольт-амперной характеристики (ВАХ) несамостоятельного газового разряда в заполненной газом стеклянной трубке М, т. е. зависимости силы тока I от напряжения (разности потенциалов) U между электродами А и К, впаянными в трубку. Напряжение регулируется потенциометром Р и измеряется вольтметром V. Для измерения силы тока I служит чувствительный гальванометр G. Газ ионизируется рентгеновским излучением, испускаемым рентгеновской трубкой R (электрическая цепь питания этой трубки на рисунке не показана). Интенсивность ионизации газа в трубке М не изменяется во время опыта.

Рисунок 4.6

Р езультаты измерений представлены на графике, изображенном на рис. 4.6. При небольших значениях напряжения U сила тока I пропорциональна U (область 1). Это легко понять, если учесть, что несамостоятельный газовый разряд подобен току в электролитах: оба они осуществляются упорядочение движущимися ионами (свободные электроны в ионизованном газе можно рассматривать как простейшие отрицательные ионы).

Как показывает опыт, подвижности газовых ионов в широком интервале давлений обратно пропорциональны давлению и при не слишком больших значениях напряженности поля Е не зависят от Е, а несамостоятельный разряд в газе подчиняется закону Ома.

При дальнейшем увеличении напряжения U между электродами линейная зависимость силы тока I от U нарушается (область 2) − сила тока растет медленнее, чем U. Эта закономерность связана со следующим существенным отличием несамостоятельного газового разряда от тока в электролитах − убыль ионов, участвующих в проводимости электролита и нейтрализующихся у электродов, непрерывно пополняется в объеме электролита за счет диссоциации новых молекул. Поэтому число п₀ пар ионов в единице объема электролита в первом приближении не зависит от плотности тока и остается постоянным. В несамостоятельном газовом разряде пополнение ионов в газе целиком зависит от мощности внешнего источника ионизации. Поэтому можно считать, что п₀ = const и плотность тока j пропорционально Е (соответственно I пропорционально U) только при малых значениях плотности и силы тока, т. е. при малых значениях Е и U. При дальнейшем увеличении Е концентрация ионов убывает, что приводит к нарушению закона Ома в области 2.

Начиная с некоторого значения напряжения U_н сила тока при несамостоятельном разряде остается неизменной, несмотря на дальнейшее увеличение напряжения (область 3). Это явление объясняется тем, что все ионы, возникающие в газе, не успевают на пути к электродам воссоединяться в нейтральные молекулы: все они доходят до электродов. Сила тока газового разряда достигает наибольшего значения, возможного при данной интенсивности ионизации, определяющейся внешним ее источником. Этот ток называется током насыщения I_н. Если n_сек − число пар одновалентных ионов, образующихся в газе за 1 с под действием внешнего ионизатора, то ток насыщения равен

. (4.8)

При дальнейшем увеличении напряжения между электродами сила тока начинает резко возрастать (область 4). Это явление, обусловленное возникновением ударной ионизации газа и резким возрастанием числа свободных носителей заряда.