7. Электрический ток в газах.

Г азы состоят из электрически нейтральных атомов и молекул и в нормальных условиях являются изоляторами. Электропроводимость газов возникает при их ионизации -отщеплении от атомов и молекул газов электронов. Ионизация может происходить под действием переменного электромагнитного поля большой частоты - ультрафиолетовых, рентгеновских и гамма - лучей, а так же частиц, движущихся с большими скоростями.

Пусть ионизатор производит N_o пар заряженных частиц в единице объёма в единицу времени. Через время t в газе должен накопиться заряд , но возникает процесс обратный процессу ионизации - рекомбинация. По мере возрастания ионизированных частиц, всё более возрастает число рекомбинирующих частиц. Наконец эти процессы сравниваются, и наступает динамическое равновесие. Если на электроды, между которыми находятся ионизированный газ подать напряжение, в цепи возникает электрический ток. Плотность тока, так же как и в электролитах выразится формулой

или ; однако, в отличие от электролитов при достижении некоторого значения тока I_н, сила тока перестаёт увеличиваться т.к. Число заряженных частиц проходящих по проводнику в единицу времени не может быть больше, чем число заряженных частиц, вырабатываемых ионизатором Зависимость силы тока от напряжения не будет прямо пропорциональной (см. вольт-амперную характеристику). При дальнейшем увеличении напряжения ток перестаёт возрастать, достигая максимального значения насыщения. И действительно, число частиц, переносящих заряды, не может быть больше, чем вырабатывает ионизатор, при увеличении мощности ионизатора увеличивается величина тока насыщения.

Такой ток называется несамостоятельным разрядом. Ионы газа, получив электроны, возвращаются в пространство между электродами, поэтому на электродах вещество не откладывается и количество газа остаётся постоянным. Для того чтобы вырвать электрон из атома или молекулы надо совершить работу ионизации А_ион. Для этого можно просто столкнуть молекулы с большой скоростью. Если кинетическая энергия ударяющей молекулы больше работы ионизации, то она выбьет электрон из другой молекулы

,

т.е. ионизировать газ можно нагрев его.

При увеличении напряжения при некотором значении происходит резкое увеличение силы электрического тока, такое явление называется пробоем диэлектрика. Напряжённость электрического поля, при котором наступает пробой, называется электрической прочностью диэлектрика.

U_n – минимальное напряжение пробоя

расстояние между электродами.

При пробое наблюдается ионизация. На участке свободного пробега электроны разгоняются полем и приобретают энергию

заряд электрона; напряжённость электрического поля;

длина свободного пробега

, напряжение между электродами, расстояние между электродами

отсюда

Если эта энергия больше работы ионизации , то при столкновении электрон ионизирует молекулу газа, вновь образовавшийся электрон и ударивший электрон ионизируют следующие молекулы и т.д. Происходит лавинообразное увеличение носителей тока. Сопротивление газа падает, а сила тока возрастает.

- условие пробоя.

Проанализируем формулу

Пробой в газе возможен:

1. При большом расстоянии, но и большом напряжении между электродами (молния).

2.При малом расстоянии между электродами и малом напряжении, например, в искровом разряде, частично и в дуговом разряде.

3.При большой длине свободного пробега, что можно достигнуть в разреженном газе (тлеющий разряд)- применяется в лампах дневного света.

При ударной ионизации, ионизатор уже не нужен и ток называется самостоятельным разрядом.

Вопросы:

1. Почему газы являются изоляторами?

2. Как возникает электропроводность газов?

3. Что такое ударная ионизация газа?

4. Как может происходить ионизация молекул газа?

5. Что такое рекомбинация?

6. Что называется несамостоятельным разрядом?

7. Какой ток называется током насыщения?

8. От чего зависит ток насыщения?

9. Что называется пробоем диэлектрика?

10. Какая физическая величина называется электрической прочностью?

11. При каком условии наблюдается электрический пробой?

12. Где можно наблюдать самостоятельный разряд в газах?

ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ 13

1. При какой напряжённости электрического поля начнётся самостоятельный разряд в водороде, если энергия ионизации 2,5∙10^-18Дж, а средняя длина свободного пробега λ= 5мкм? Какую скорость имеют электроны при ударе о молекулу?

2. Какой должна быть напряжённость электрического поля, чтобы электрон смог ионизировать атом газа с энергией ионизации 2,4∙10^-18Дж. Длина свободного пробега 0,5мкм.

3. Каково напряжение на конденсаторе, если наблюдается самостоятельный разряд. Энергия ионизации 2,4∙10^-18Дж. Длина свободного пробега 0,5мкм. Расстояние между пластинами 1см.