3.6. Диффузионный ток.

В ионизованном газе может протекать электрический ток, который, представляет собой не что иное, как явление переноса электрически заряженных частиц. Так как ионизованный газ содержит свободно двигающиеся электроны и положительные ионы, то он должен быть проводником. Посредством диффузии частицы могут переноситься в некотором направлении. Если в данной части объема, занимаемого ионизованным газом, имеется повышенная плотность числа заряженных частиц, то частицы будут быстро диффундировать в области с более низкой плотностью. Плотность диффузионного потока числа частиц J в направлении оси х равна:

J=D (10.6)

здесь D-коэффициент диффузии заряженных частиц плотности n через газ, состоящий в основном из нейтральных частиц плотности n₀. С учетом присутствия двух типов частиц можно записать:

J₊=-D₊ J=-D_- (11.6)

с учетом индексов, когда в них будет необходимость. В большинстве рассматриваемых примеров n₊=n_-=n. Даже в этом случае, D₊ ≠ D_- (для слабо ионизованных газов можно предположить, что ионы и электроны диффундируют независимо). Коэффициент диффузии D приближенно равен произведению vL, где L—средняя длина свободного пробега, заряженной частицы между двумя последовательными соударениями; v-средняя скорость заряженной частицы между двумя последовательными соударениями ее с нейтральными молекулами, а, следовательно, L₊ ≠ L_- Если частицы имеют заряд q, то плотность электрического тока j обусловленная плотностью диффузионного потока числа частиц J равна

j=qJ= - qD . (12.6)

Уравнение (12.6) справедливо как для электронов (q =-е), так и для положительных ионов (q =+е). Однако вклад ионов в электрический ток обычно пренебрежимо мал в случае газов. Это следует из уравнения для коэффициента диффузии D. Средняя длина свободного пробега для электронов и тяжелых ионов будет приближенно одного и того же порядка: L₊≈L_-. Сами по себе электроны имеют, по существу, диаметр, равный нулю, и поэтому полное сечение рассеяния определяется диаметром нейтральных молекул, с которыми сталкиваются электроны. С другой стороны, если газ находится в термодинамическом равновесии, то среднее значение модуля скорости электронов много больше средней скорости тяжелых ионов. Действительно, и для электронов, и для ионов можно приближенно использовать значение тепловой скорости и поэтому из уравнения (12.6) следует:

. (13.6)

Так как масса электрона в 1836 раз меньше массы протона, то даже для наиболее легкого газа Н₂ средняя скорость электрона примерно в раз больше средней скорости положительного иона. Для аргона средняя скорость электрона примерно в 300 раз больше средней скорости иона. Следовательно, основную часть тока обусловливают свободные электроны. Если газ в целом электрически нейтрален, то числа отрицательных и положительных ионов равны, однако движение электронов обусловливает появление электрического тока, в то время как положительные ионы, по существу, остаются в покое.