logo
АммерКарелинФизикаЛекц

Электрический ток в газах

Газы в нормальном состоянии являются изоляторами. Для того, чтобы газы проводили ток, их нужно ионизировать. Для удаления электрона из электрически нейтрального атома нужно затратить энергию, называемую энергией ионизацииЕj(см. формулу 5.38). Величина Еjзависит от природы газа и энергетического состояния электрона в атоме. Ионизацию газа можно осуществлять при его нагревании, при облучении ультрафиолетовыми, рентгеновскими или γ – лучами, при воздействии быстрых частиц.

При ионизации нейтрального атома (молекулы) образуется сразу пара ионов противоположного знака. Количество пар ионов, возникающих в единице объема в единицу времени, называется интенсивностью ионизации. Процесс ионизации неизбежно сопровождается обратным процессом – рекомбинацией.

Прохождение тока через газ называется газовым разрядом. Существует два вида разряда:несамостоятельный и самостоятельный. Если электропроводность газа обусловлена действием внешних ионизаторов, то разряд называется несамостоятельным.

а) б)

Рис.6.5

Газовый разряд можно наблюдать с помощью схемы (рис.6.5, а). Вольт-амперная характеристика представлена на рис. 6.5, б.

Ионизатор И.О., вызывая ионизацию атомов газа, обеспечивает ему при малой разности потенциалов Δφ между катодом К и анодом А газовой трубки некоторую электропроводимость. При небольших значениях Δφ и постоянной интенсивности ионизации сила тока Iпропорциональна Δφ (участок ОА на рис.6.5, б). Закон Ома для этого участка можно записать

,

где n– число пар (одновалентных) ионов в единице объема; е – заряд иона;

U+иU-- подвижность положительных и отрицательных ионов;

Е – напряженность электрического поля в трубке.

При увеличении Δφ > ΔφА линейная зависимостьI=f(Δφ) нарушается и при Δφ = ΔφВток достигает насыщения. Это означает, что все ионы, созданные И.О., достигают анода. В области ВС ток не растет. Далее с ростом Δφ скорость ионов сильно возрастаетmV2/2 =e· Δφ и при Δφ = Δφскинетическая энергия ионов становится достаточной, чтобы при столкновениях с нейтральными атомами ионизировать их (ионизация ударом). Число ионов в газе резко возрастает и разряд из несамостоятельногопереходит в самостоятельный. Т.е. ионизатор теперь можно выключить, разряд уже не будет зависеть от его мощности. Однако для поддержания самостоятельно разряда необходимо, чтобы не только электроны, но и положительные ионы под действием поля в трубке приобретали кинетическую энергию, достаточную для ударной ионизации. Необходимо наличие двух встречных «лавин» положительных и отрицательных ионов. Переход разряда в самостоятельный называется электрическим газовым пробоем. Различаютчетыре вида самостоятельной разряда: тлеющий, искровой, дуговой, коронный.

В некоторых газовых разрядах степень ионизации газа может стать очень большой. Концентрация ионов обоих знаков очень велика, но суммарный заряд газа близок к нулю. Такой газ называется плазмой. Это особое состояние вещества. Любое вещество при высокой температуре может быть переведено в плазменное состояние –высокотемпературная плазма(в недрах звезд ~ 108К). Плазма, возникающая в газовом разряде, называетсягазоразрядной. Для того, чтобы плазма существовала устойчиво, для этого необходимо восполнять убыль ионов в результате рекомбинации. В высокотемпературной плазме это достигается за счет термоионизации, в газоразрядной плазме за счет ионизации ударом. Высокая электропроводность плазмы объясняется в основном большой подвижностью и концентрацией электронов.