§ III.9.5. Понятие о различных типах газового разряда

1º. Газовым разрядом называется процесс прохождения электрического токе через газ.

Несамостоятельным газовым разрядом называется газовый разряд, вызванный внешними ионизаторами (III.9.4.4°) и прекращающийся, если эти ионизаторы не действуют. На рис. III.9.2 представлена кривая зависимости силы тока I от напряжения U между электродами при несамостоятельном разряде. В первой области кривой, при небольших напряжениях, справедлив закон Ома, подобный закону для электролитов (III.9.3.2°). Если в газе образуются электроны и одновалентные ионы, то

,

где n₀ – число пар противоположно заряженных частиц в единице объема, u₊ и u_- – подвижности положительных и отрицательных ионов, е – абсолютное значение заряда электрона. В широком интервале давлений от 10 до 10⁷ Па подвижность газовых ионов обратно пропорциональна давлению.

2°. Во второй области на кривой рис. III.9.2 линейная зависимость между силой тока I и напряжением U нарушается вследствие того, что концентрация ионов в газе убывает. В этой области с возрастанием U сила тока растет все медленнее.

В третьей области на кривой рис. III.9.2, начиная с некоторого напряжения U_н, сила тока остается постоянной при увеличении напряжения. Это связано с тем, что при неизменной интенсивности ионизации (III.9.4.1º) в сильных электрических полях все ионы, образовавшиеся в единицу времени в газе достигают электродов. Дальнейшего возрастания силы тока при неизменной интенсивности ионизации не происходит. Насыщение наступает вследствие того, что все образовавшиеся заряженные частицы, двигаясь в сильном электрическом поле, достигают электродов скорее, чем заметная их часть успевает рекомбинировать с частицами противоположного по знаку заряда.

Током насыщенияназывается максимальная сила токаI_н, возможная при данной интенсивности ионизации:

,

где N₀– максимальное число пар одновалентных ионов, образующихся в объеме газа за единицу времени при данной интенсивности ионизации. Линейная зависимость междуI_ниN₀подтверждает ионную природу электропроводности газов.

3°.Самостоятельным газовым разрядомназывается электрический разряд в газе, который продолжается после прекращения действия внешнего ионизатора. Для существования такого разряда необходимо, чтобы в газе происходило непрерывное образование новых пар противоположно заряженных частиц. Основным источником таких частиц является ударная ионизация газа (III.9.4.5°). При некотором достаточном напряжении между электродами электроны в объеме газа настолько сильно разгоняются электрическим полем, что их энергия оказывается достаточной для ионизации молекул газа (III.9.4.5°) (объемная ионизация). Вторичные электроны, ускоряясь в электрическом поле, также ионизируют молекулы газа. В итоге сильно возрастает число носителей тока в газе и его электропроводность (четвертая область на рис. III.9.2). Однако одной ионизации под действием электронов недостаточно для осуществления самостоятельного разряда. Электроны, движущиеся в направлении от катода к аноду, ионизуют молекулы газа, расположенные ближе к аноду по сравнению с местом возникновения электронов. Если энергии положительных ионов не достаточно для ударной ионизации молекул газа или для выбивания электронов из металлического катода (поверхностная ионизация), то вблизи катода газоразрядной трубки свободные электроны могут возникать только под действием внешних ионизаторов. Когда действие этих ионизаторов прекращается, область ударной ионизации электронами сокращается, стягиваясь к аноду по мере движения к нему электронов. Прекращение ударной ионизации в этих условиях приводит к прекращению газового разряда.

4°. Поверхностная ионизация (п. 3°), возникающая при большом напряжении, порождает вторичные электроны и создает двухстороннюю лавину электронов и положительных ионов. При этом действие внешнего ионизатора не существенно для дальнейшего протекания газового разряда. С повышением напряженияUмежду электродами газоразрядной трубки можно осуществитьэлектрический пробой газа– переход несамостоятельного газового разряда в самостоятельный.Напряжением зажигания(напряжением пробоя) называется напряжениеU= U_э, соответствующее электрическому пробою. Напряжение пробоя для газового разряда в трубке с плоскими параллельными друг другу электродами, расположенными на расстоянииdдруг от друга, зависит от произведенияpd, гдер– давление газа (рис. III.9.3). Кроме того,U_эзависит от химической природы газа и материала катода.

Разновидностями самостоятельных газовых разрядов являются тлеющий,коронный,искровойидуговой газовые разряды, рассмотрение которых опущено в данном справочнике.