3. Электрический разряд в газах. Дрейфовая скорость заряженных частиц. Подвижность заряженных частиц в газе.
Электрический разряд – явление протекания электрического тока (имеются в виду токи проводимости и переноса) в изоляционном промежутке. Электрический ток возникает вследствие движения заряженных частиц. Заряженные частицы в газообразном диэлектрике образуются вследствие ионизационных процессов различной природы.
При отсутствии электрического поля нет принципиального различия в движении заряженных частиц, например ионов, и электрически нейтральных атомов и молекул. Движение это носит хаотический характер и носит название теплового. В этом случае среднее смещение частицы из некоторой начальной точки равно нулю. В газах большую часть времени частица движется прямолинейно, периодически испытывая столкновения с другими частицами. На левом рисунке мы видим, что частица испытав достаточное количество столкновений в итоге не получат заметного смещения вдоль оси x.
Ситуация изменяется если в газовом промежутке создано электрическое поле. В этом случае на заряженную частицу действует электрическая сила, равная произведению напряжённости поля E на величину заряда частицы и направленная вдоль поля при положительном заряде частицы и против поля при отрицательном. Наличие наряду с хаотическим движением и столкновениями направленной силы, действующей на заряженную частицу, приводит к тому, что среднее смещение частицы за конечный отрезок времени отлично от нуля и направлено в сторону действия силы. Такое направленное движение, происходящее на фоне хаотического, называется дрейфовым движением или дрейфом. Скорость дрейфа vD оценивается как отношение описанного смещения к длительности отрезка времени наблюдения частицы. На скорость дрейфа влияют различные факторы, такие как величина поля, концентрация частиц, масса дрейфующей частицы и т.д. Названные характеристики определяют величину коэффициента подвижности K, связывающего напряжённость электрического поля E и дрейфовую скорость частицы.
Тогда
→
Для напряжённости электрического пробоя
воздуха дрейфовые скорости составляют:
Электроны
м/с,
Ионы
м/с
Сделаем оценку коэффициента подвижности исходя из модели, в рамках которой будем считать, что частица массой m и зарядом q полностью теряет направленную скорость после каждого столкновения с другой частицей. В этом предположении временной график направленной скорости частицы выглядит как показано на рисунке выше. Оценивая ускорение частицы в течение отрезка времени свободного движения Δt как отношение дрейфовой скорости к величине этого отрезка запишем уравнение второго закона Ньютона.
Длительность времени свободного движения
частицы есть отношение длины свободного
пробега λ к тепловой скорости движения
Используя два последних выражения выразим дрейфовую скорость через напряжённость электрического поля E:
Откуда нетрудно найти коэффициент
подвижности K=
Реально коэффициент подвижности будет зависеть от напряжённости электрического поля. Внизу приведены значения подвижности частиц в воздухе в слабых электрических полях и для напряжённости электрического поля, близкой к разрядной.
