Вольтамперная характеристика газового разряда
Возьмем большой плоский конденсатор, раздвинем его пластины и присоединим их к источнику напряжения в несколько тысяч вольт (рис. 5). Чувствительный гальванометр G покажет нам, что тока в цепи нет, хотя между пластинами имеется электрическое поле. Это означает, что свободных зарядов между пластинами так мало, что гальванометр не реагирует на их перемещение.
Поставим между пластинами горящую свечу - и стрелка гальванометра отклонится, т.е. в цепи пойдет ток. Значит, пламя свечи обладает ионизирующим воздействием. Если убрать свечу, ток быстро исчезнет, т.е. воздух между пластинами опять станет изолятором.
Рисунок 5
Газовый разряд, который происходит только при действии постороннего ионизатора, называют несамостоятельным или тихим, т.к. обнаруживается только с помощью измерительных приборов. Повышая напряжение на пластинах конденсатора и измеряя гальванометром силу тока I, можно получить зависимость силы тока в газе от напряжения (т.е. вольтамперную характеристику газового разряда) при действии постоянного ионизатора (рис. 6).
И
з
графика видно, что только при небольших
напряжениях ток в газе подчиняется
закону Ома (участок АВ). Это объясняется
тем, что при малых напряжениях носители
тока, созданные внешним ионизатором,
движутся под действием электрического
поля медленно, и в большинстве случаев
успевают рекомбинировать, не дойдя до
пластин. С ростом напряжения растет
скорость движения ионов и электронов,
а вероятность их рекомбинации уменьшается,
поэтому за единицу времени все большее
количество заряженных частиц успевает
дойти до пластин, и ток увеличивается.
Итак, на участке АВ усиление тока
происходит за счет ослабления рекомбинации
подвижных носителей заряда в газе.
При дальнейшем росте напряжения поступает момент, когда рекомбинация практически прекратится, т.е. все подвижные носители заряда, создаваемые внешним ионизатором, будут достигать пластин, не успевая рекомбинировать, при этом сила тока достигнет значения Iн, которое не зависит от напряжения. Ток в газе, величина которого не зависит от напряжения, называют током насыщения. Дальнейший рост напряжения не приводит к росту тока, т.к. количество создаваемых носителей заряда ограничено возможностями ионизатора, но на участке ВС происходит рост скорости движения носителей заряда, а значит, и их кинетической энергии, и при напряжениях , соответствующих точке С, свободные электроны, двигаясь под действием сил поля к положительной пластине, приобретают на длине свободного пробега столь большую энергию, что при столкновении с молекулами , отрывают их электроны, т.е. ионизируют их. Такое явление называется ударной ионизацией. Появившиеся в результате ударной ионизации вторичные электроны также на своем пути к аноду ионизируют газ, таким образом, число носителей тока лавинообразно возрастает (участок CD). Но и на этой стадии разряд остается несамостоятельным - ведь любой из электронов, двигаясь к аноду, способен ионизировать лишь те молекулы газа, которые находятся ближе к аноду, чем сам электрон, а это значит, при внезапном прекращении действия внешнего ионизатора область, в которой осуществляется ударная ионизация электронами будет сокращаться, приближаясь к аноду, и исчезнет совсем, как только достигнут анода последние из электронов. Разряд прекратится. Ионы также способны ионизировать при соударении с молекулами, но имеют меньшую длину свободного пробега чем электроны, а значит, приобретают возможность участвовать в ударной ионизации при больших напряжениях. Начиная с этих напряжений, во всем объеме газового промежутка между пластинами возникают и движутся навстречу друг другу лавины электронов и ионов, и газовый разряд престает нуждаться во внешнем ионизаторе для воспроизводства носителей заряда, т.е. становится самостоятельным.
Лавинообразное увеличение тока называется электрическим пробоем газа, а соответствующее ему напряжение - напряжение пробоя. При напряжении пробоя для возникновения самостоятельного разряда достаточно нескольких свободных электронов, которые, как говорилось выше, всегда есть в газе.