11. Ток в газах

Газ при обычных условиях – изолятор, так как в нем нет достаточного количества свободных зарядов. Для ионизации газа – отрыва одного электрона от нейтральной молекулы – нужна определенная энергия ионизации . Большинство свободных зарядов в газе образуются из нейтральных молекул, которые присоединили или потеряли по одному электрону; свободными являются и не присоединившиеся электроны. Следовательно, свободные заряды в газе в основном имеют заряд электрона. Для образования бóльших свободных зарядов – 2е, 3е и т.д. – необходима гораздо большая энергия. При затрате энергии ионизации образуются сразу два иона – положительный и отрицательный.

В газе всегда присутствует некоторое количество (обычно небольшое) количество свободных зарядов, образовавшихся за счет внутренней энергии или внешнего воздействия, например космического излучения. Но для получения заметного тока их недостаточно. Любая причина массовой ионизации в межэлектродном объеме – пламя, различные облучения, повышение температуры и т.п. – называется внешним ионизатором. Действие внешнего ионизатора или достаточно сильное электрическое поле приводит к появлению заметного тока – газового разряда. В первом случае проводимость называется несамостоятельной, во втором – самостоятельной. На положительные и отрицательные заряды в электрическом поле действуют электрические силы, и свободные заряды (вне поля двигавшиеся хаотично) дрейфуют параллельно линиям напряженности – анионы к аноду, катионы к катоду. На электродах ионы превращаются в нейтральные молекулы, отдавая или принимая электроны, тем самым замыкая цепь (по аналогии с электролитом). Таким образом, проводимость газа – ионная (в число ионов газа мы включили и свободные электроны). Несамостоятельная проводимость наблюдается только при работе внешнего ионизатора (рис. 3.22).

Экспериментально исследуем зависимость силы тока от напряжения, приложенного к электродам, получим вольт-амперную характеристику газового разряда (рис. 3.23).

Внешний ионизатор создает определенное количество пар ионов за единицу времени. Некоторое количество этих пар, встречаясь, рекомбинирует – превращаясь в нейтральные молекулы. При небольших напряжениях часть оставшихся ионов достигает электродов и участвует в токе.

По мере увеличения приложенного напряжения все большая часть ионов достигает электродов, и сила тока растет почти линейно (часть кривой 01). Начиная с определенного напряжения все имеющиеся ионы участвуют в токе (точка 2), дальнейшее увеличение напряжения не увеличивает числа свободных зарядов, участвующих в токе, - сила тока остается неизменной (участок 2 – 3). Это ток насыщения, при котором все созданные ионизатором пары ионов (кроме рекомбинирующих) достигают электродов. Естественно, его сила зависит от мощности источника ионов – внешнего ионизатора. Увеличив количество пар ионов, создаваемых ионизатором за единицу времени, мы получим бóльший ток насыщения. При увеличении напряжения (участок 2 – 3) не происходит качественных изменений газового разряда. Но в более сильном поле, двигаясь ускоренно, свободные заряды получают бóльшую энергию. Обозначим среднюю длину свободного пробега свободных электронов , положительных ионов – .

На рисунке 3.24 (кружками обозначены молекулы) видно, что длина свободного пробега электронов больше длины свободного пробега положительных ионов хотя бы на диаметр молекулы (по сравнению с ним «диаметр» электрона исчезающе мал); длина свободного пробега отрицательных тяжелых ионов того же порядка, что и у положительных. Конечно, такое представление молекул, электронов и их столкновений недопустимо упрощено, зато наглядно. Оно доказывает, что энергия электрона перед очередным столкновением больше, чем энергия положительного иона.

Поэтому рассмотрим движение электронов. В упорядоченном движении они ускоряются от нулевой до какой-то максимальной скорости Работа электрических сил сообщает им энергию:

По мере увеличения межэлектродного напряжения растет напряженность поля и возрастает энергия электрона перед очередным столкновением (часть кривой 2 – 3, см. рис. 3.23). В соответствии с одним из законов диалектики постепенное накопление небольших количественных изменений (в нашем случае, кинетической энергии электрона) приводит к качественному скачку.

При достаточно большом напряжении электрическое поле удовлетворяет условию

Тогда возникает ионизации ударом – выбивание электрона из нейтральной молекулы при ее столкновении с достаточно «энергичным» электроном. Новые электроны тоже приводят к ударной ионизации. Число ионов лавинообразно нарастает – возникает односторонняя электронная лавина. Условие ее существования Напряженность таких полей в воздухе порядка десятков тысяч вольт на сантиметр. При достижении указанных напряжений сила тока резко возрастает (часть кривой за точкой 3), наступает пробой газового промежутка, наблюдается самостоятельная проводимость газа, т.е. проводимость без внешнего ионизатора. В межэлектродном пространстве, как мы уже отмечали, всегда есть небольшое число «затравочных» электронов. При достаточной напряженности каждый из них может привести к появлению электронной лавины.

Свечение газового промежутка наблюдается из-за возбужденных атомов (молекул), получивших при столкновениях с ионом энергию, недостаточную для ионизации. Эта энергия возбуждения «высвечивается», когда атом (молекула) возвращается в невозбужденное состояние.

Искровой разряд известен всем. Это и искра зажигания в двигателях внутреннего сгорания, и молния в атмосфере. При еще большей напряженности может возникнуть двухсторонняя ионная лавина. Условие ее возникновения Тогда лавину вызывают ударной ионизацией не только электроны, но и ионы, разогнавшиеся до необходимой скорости. Двусторонняя лавина в атмосфере требует напряженностей порядка сотен тысяч вольт на сантиметр. Но можно получить двустороннюю лавину при гораздо меньших напряженностях, если увеличить длину свободного пробега ионов. Это достигается разрежением газа. Так, в газосветных трубках при пониженном давлении наблюдается тлеющий разряд.

В зависимости от состава газа его ионы, рекомбинируя, испускают те или другие лучи, чаще ультрафиолетовые (при рекомбинации выделяется больше энергии, чем при возвращении из возбужденного состояния в невозбужденное). Такой разряд находит применение в рекламных трубках, обычно наполненных аргоном или неоном. Трубки дневного света наполняют парами ртути и смесью различных газов. Такие газосветные лампы имеют гораздо больший к.п.д., и они значительнее экономнее ламп накаливания.

При уменьшении давления свечение газа сначала заполняет всю трубку, затем разбивается на страты¹⁵ и, наконец исчезает. Теперь обнаруживается свечение стекла напротив катода – наблюдаются катодные лучи, испускаемые катодом перпендикулярно его поверхности. Катодные лучи можно отклонить электрическим и магнитным полями. По их отклонению определяют массу и заряд частиц, составляющих эти лучи. Так узнали, что катодные лучи представляют собой поток быстрых электронов. Электроны вылетают из холодного катода под действием сильного электрического поля. Эта холодная эмиссия электронов объясняется в квантовой механике. Некоторое количество электронов освобождаются за счет вторичной эмиссии – выбивания электронов из катода положительными ионами, прошедшими большýю разность потенциалов.