15

Электричество и магнетизм Н.Ф. Шемяков

Лекция 11

1.13. Ток в газах

Любые газы в нормальном состоянии, в том числе и пары металлов, состоят из электрически нейтральных атомов и молекул и поэтому не проводят электрический ток.

Проводниками электрического тока могут быть ионизированные газы, которые содержат электроны, положительные и отрицательные ионы. Ионизация газа происходит под действием высоких температур, рентгеновских и ультрафиолетовых лучей,  - лучей, космических лучей и т. д. При этом происходит удаление одного или нескольких электронов из атома или молекулы. Такой процесс называют ионизацией.

Возникшие электроны могут присоединиться к нейтральным атомам или молекулам, превращая их в отрицательно заряженные ионы. После прекращения действия ионизатора положительные и отрицательные ионы газа могут соединиться между собой с образованием нейтральных атомов или молекул. Такой процесс называют рекомбинацией. В установившемся режиме наступает динамическое равновесие между ионизацией и рекомбинацией. Ток в газах можно наблюдать в газонаполненной трубке с двумя электродами. Если к электродам приложить напряжение, то в газе возникает электрический ток. При одинаковой концентрации носителей по всему объему трубки плотность тока в газах описывается формулой

j = n_o(⁺+^)E, (1.45)

где ⁺ и ^ - подвижности положительных и отрицательных носителей тока соответственно; Е - напряженность электрического поля; n_o - концентрация носителей.

При движении носителей тока в среде во внешнем электрическом поле на них действуют две силы: кулоновская сила со стороны поля

F_k = qE

и сила сопротивления со стороны среды

.

Следовательно, закон движения, согласно классической теории проводимости, запишется виде .

Если режим стационарный, т. е. (а = 0), то,

где дрейфовая скорость носителей

, (1.46)

или  = , (1.47)

где , (1.48)

- подвижность носителя тока; m - масса носителя;  - время релаксации носителей, определяемое как среднее время, когда их движение теряет свою упорядоченность. В СИ подвижность измеряется в м²/(Bc).

При упорядоченном движении положительных и отрицательных носителей возникает электрический ток, плотность которого

j = q₊n₊v_д++ q_n_v_д , (1.49)

или удельная электропроводность

 = q₊n₊₊ + q_n__. (1.50)

Рис. 1.9

Если носители тока в газах образуются в трубке за счет внешнего ионизатора, то такая проводимость (газовый разряд) называется несамостоятельным газовым разрядом. В относительно слабых электрических полях для тока в газах выполняется закон Ома. В более сильных электрических полях закон Ома уже не выполняется. На рис. 1.9 приведена вольт-амперная характеристика газоразрядной трубки с двумя электродами. Участок ВС соответствует току насыщения. Возрастание тока на участке СD связано с появлением внутренних источников ионов. Если напряжение между анодом и катодом велико, то ионы приобретают большую кинетическую энергию и способны выбивать при столкновении с катодом вторичные электроны (ударная ионизация).

Электроны больших энергий при столкновениях с молекулами газа ионизируют их, также порождая вторичные электроны и ионы, которые, в свою очередь, ускоряются электрическим полем. Если удалить внешний ионизатор, то несамостоятельный разряд переходит в самостоятельный, основным источником которого является ударная ионизация.

Различают несколько видов самостоятельного газового разряда (при нормальных и больших давлениях).

1. Коронный разряд - возникает в неоднородном электрическом поле,

2. При повышении напряжения коронный разряд переходит в кистевой и искровой, в виде молнии.

3. Дуговой разряд возникает за счет термоэлектронной эмиссии при малом напряжении между электродами и большом токе.