3. Электрический ток в газах

1) Носители тока в газах

Газы в отличие от металлов состоят из электрически нейтральных атомов и молекул и не содержат свободных зарядов (электронов и ионов), способных приходить в упорядоченное движение под действием электрического поля. Следовательно, при нормальных условиях газы являются изоляторами. Это подтверждается опытами с заряженными изолированными проводниками в сухом воздухе: их заряд практически не изменяется в течение длительного времени. Газ становится проводником, если часть его молекул ионизируется, т. е. они расщепляются на электроны и положительные ионы. В газе могут возникнуть и отрицательные ионы вследствие соединения с его нейтральными молекулами части освободившихся электронов. Атомы и молекулы газа представляют собой устойчивые системы заряженных частиц. Поэтому для ионизации атома (или молекулы), необходимо совершить работу против сил взаимодействия между вырываемым электроном и остальными частицами атома (или молекулы) Эта работа называется работой ионизации Ai. Величина работы ионизации зависит от химической природы газа и энергетического состояния вырываемого электрона в атоме или молекуле. Наиболее слабо связаны с ядром внешние (валентные) электроны атомов, поэтому для удаления из атома валентного электрона нужно затратить меньшую работу, чем для любого другого электрона. Работу ионизации можно характеризовать с помощью потенциала ионизации. Потенциалом ионизации   называется та разность потенциалов, которую должен пройти электрон в ускоряющем электрическом поле для того, чтобы увеличение его энергии было равно работе ионизации   . Если Аi выражено в электрон вольтах, a   - в вольтах, то   численно равно Аi. Ионизация газов может происходить под влиянием различных внешних воздействий: сильного нагрева газа, рентгеновских лучей,   - лучей, возникающих при радиоактивном распаде, космических лучей, бомбардировке молекул газа быстро движущимися электронами или ионами. Количественной характеристикой процесса ионизации служит интенсивность ионизации, измеряемая числом пар противоположных по знаку заряженных частиц, возникающих в единице объема газа за единицу времени. Под действием внешнего электрического поля электроны и ионы ионизации начинают двигаться, и возникает электрический ток. Процесс прохождения электрического тока через газ называется газовым разрядом. Различают в основном два вида газового разряда: самостоятельный и несамостоятельный.

2) Несамостоятельный газовый разряд

Если электропроводность газа создается внешними ионизаторами, то электрический ток в нем называется несамостоятельным газовым разрядом. Большинство газов, а также воздух при нормальных условиях являются изоляторами, так как они содержат ничтожно мало ионов. Поэтому если приложенные напряжения не слишком велики, то газы электрического тока не пропускают.При напряжениях порядка нескольких сотен вольт электрический ток проходит через газы только при наличии ионизатора.

Рассмотрим схему, изображенную на рис 19.1. Между пластинами плоского конденсатора К находится воздух при атмосферном давлении и комнатной температуре. Если к конденсатору приложено напряжение, равное несколькими сотнями вольт, а ионизатор S не работает, то гальванометр G тока не регистрирует. Как только пространство между пластинами конденсатора начинает пронизываться потоком ультрафиолетового излучения от источника S , гальванометр начинает регистрировать прохождение тока по цепи. Этот ток и представляет собой несамостоятельный разряд. Таким, образом, электрический ток в газах появляется в результате переноса зарядов электронами, положительными и отрицательными ионами. Одновременно с процессом ионизации в газе протекает противоположный процесс, который называется процессом рекомбинации ионов. При столкновении электрона с положительным ионом они образуют обычную нейтральную; молекулу - рекомбинируют. Если к конденсатору не приложено внешнее напряжение, то в определённый момент времени в рабочем объеме конденсатора устанавливается динамическое равновесие, при котором скорость ионизации (количество ионов, образующихся в единицу времени) становится равной скорости рекомбинации ионов. Если между пластинами конденсатора существует электрическое поле, то часть ионов достигнет пластин, другая (меньшая) часть все же рекомбинирует, в результате чего образуются нейтральный молекулы, которые в процессе переноса заряда участвовать не будут.