Электрический ток в газах

Газы, состоящие из нейтральных молекул и атомов, не прово­дят электри-ческий ток. Для возникновения электропроводности газов они должны быть ионизированы. Ионизацией молекулы или атома называется процесс отщеп­ления или отрыва от них одного или нескольких электронов, в результате чего возникают положительный ион и электроны. Если нейтральный атом или молекула присоединяют электрон, то возникает отрицательный ион. Процесс, обратный ионизации, т.е. такой, при котором элек­троны, присоединяясь к положительному иону, образуют нейтраль­ную молекулу или атом, называется рекомбинацией. Для ионизации молекулы (атома) необходимо совершить работу ионизации А_i против сил притяжения между вырываемым электроном и атомным остатком. Эта работа зависит от вида атома, кратности ионизации, энергетического состояния. Потенциалом ионизации φ_i называется разность потенциалов в ускоряющем электрическом поле, которую должна пройти заряженная частица, чтобы накопить энергию, равную работе ионизации.Ионизация газов вызывается бомбардировкой его атомов и молекул заряженными части­цами (электронами, ионами, α-частицами) или электромаг­нитным излучением.

Газовым разрядом называется процесс прохождения электри­ческого тока через газ. Различают самостоятельный и несамостоятельный газовые разря-ды. Предположим, что в газовом промежутке между катодом (К) и анодом (А) действует какой-либо ионизирующий фактор. Например, ультрафиолетовые или рентгеновские лучи, вызывающие ионизацию газа или падающие на ка­тод и выбивающие из него фотоэлектроны. В результате этого в газе появляются свободные носители заряда и он становится электропроводящим. При наличии разности потенциалов между анодом и катодом в цепи поте­чет ток (рис. 99а). График зависимости тока в цепи от напряжения называют вольт-амперной характеристикой. Увеличение анодного на­пряжения приведет к изменению тока в цепи. Вольт-амперную ха­рактеристику можно разделить на 4 участка (рис. 99б). На первом участке кривой при небольших напряжениях выполняется закон Ома. Плотность тока в газовом промежутке равна

,

где n₀ – число пар противопо­ложно заряженных частиц в еди­нице объема; u₊ и u_- - подвиж­ность этих частиц; е – заряд электрона; Е – напряженность электрического поля.

На втором участке кривой на­блюдается отклонение от закона Ома, вызванное убыванием кон­центрации носителей заряда в газе, и ток достигает насыщения I_Н при не­котором значении U_Н. Увеличе­ние напряжения на третьем участке кри­вой не приводит к увеличению тока, т.к. все, образующиеся в газе, электроны и ионы достигают анода и катода.

Газовый разряд, для поддержания которого необходимо постоянное воздействие внешнего ионизатора, получил название несамостоятельного. Если в одном из режимов такого разряда (на участках 1-2-3 вольт-амперной характеристики) действие внешнего ионизатора прекратить, то разряд прекратится.

Дальнейшее увеличение анодного напряжения приводит к резкому возрастанию анодного тока. Это происходит вследствие того, что электроны, образовавшиеся при ионизации, под действием поля приобретают энергию, достаточную для ионизации молекул и атомов газа. Процесс ионизации в этом случае но­сит лавинный характер.

За время свободного пробега в сильном электрическом поле электрон (e) (рис. 100) успевает приобрести энер­гию, достаточную для того, чтобы, столк-нувшись с молекулой или атомом (M), вызвать ионизацию. При этом образуется положитель­ный ион и добавочный электрон. Эти два электрона, в свою очередь, набрав нужную энергию, ионизируют два атома, а образовавшиеся (2+2) электрона ионизируют следующие 4 атома и удваивают количество электронов и т.д. Таким образом, происходит лавинообразное увеличение количества ионов и электронов, сверх количества созданных внешним ионизатором, и уси­ление разрядного тока, как показано на рис. 100.

Самостоятельным газовым разрядом называется электрический разряд в газе, который продолжается после прекращения действия внешнего ионизатора. Для существования самостоятельного газового разряда необходимо, чтобы электронные лавины поддерживали сами себя, т.е. чтобы в газе происходил еще и другой процесс, непрерывно воспроизводящий новые электроны взамен ушедших на анод.Такими могут быть процессы вторичной электронной эмиссии с катода в результате его бомбардировки ускоренными положитель­ными ионами, фотоэффект, соударения положительных ионов с ней­тральными молекулами и атомами.