Лекция №10. Электрические токи в газах.

I. Несамостоятельный газовый разряд.

II. Самостоятельный газовый разряд.

2.1. Основные процессы возникновения носителей тока.

2.2. Тлеющий, дуговой, искровой и коронный разряды.

Прохождение электрического тока через газы называется газовым разрядом. Газы в нормальном состоянии являются изоляторами, носители тока в них отсутствуют. Лишь при создании особых условий в газах могут появиться носители тока (ионы, электроны).

Носители тока в газах могут возникать в результате внешних воздействий, не связанных с наличием электрического поля. В этом случае говорят о несамостоятельной проводимости газа. Несамостоятельный разряд может быть вызван нагреванием газа (термическая ионизация), воздействием ультрафиолетовых или рентгеновских лучей, а также воздействием излучения радиоактивных веществ.

Если носители тока возникают в результате процессов, обусловленных созданным в газе электрическим полем, проводимость называется самостоятельной.

Характер газового разряда зависит от многих факторов: от химической природы газа и электродов, от температуры и давления газа, от формы, размеров и взаимного расположения электродов, от напряжения, приложенного к электродам, от плотности и мощности тока и т.д. Поэтому газовый разряд может принимать весьма разнообразные формы. Некоторые виды разряда сопровождаются свечением и звуковыми эффектами – шипением, шорохами и треском.

I. Несамостоятельный газовый разряд.

Пусть газ, находящийся между электродами, подвергается непрерывному постоянному по интенсивности воздействию какого-либо ионизирующего агента (например, рентгеновских лучей). Действие ионизатора приводит к тому, что от некоторых молекул газа отщепляется один или несколько электронов, в результате чего эти молекулы превращаются в положительно заряженные ионы. При не очень низких давлениях отщепившиеся электроны обычно захватываются нейтральными молекулами, которые таким образом становятся отрицательно заряженными ионами. Число пар ионов, возникающих под действием ионизатора за секунду в единице объема, обозначим через Δn_i.

Наряду с процессом ионизации происходит рекомбинация ионов, т.е. нейтрализация разноименных ионов при их встрече или воссоединение положительного иона и электрона в нейтральную молекулу. Вероятность встречи двух ионов разных знаков пропорционально как числу положительных, так и числу отрицательных ионов. Поэтому количество рекомбинирующих за секунду в единице объема пар ионов пропорционально квадрату числа имеющихся в единице объема пар ионов:

(1)

(r – коэффициент пропорциональности).

В состоянии равновесия число возникающих ионов равно числу рекомбинирующих, следовательно,

.

Отсюда для равновесной концентрации ионов (числа пар ионов в единице объема) получается следующее выражение:

. (2)

Под действием космического излучения и следов радиоактивных веществ, имеющихся в земной коре, в 1 см³ атмосферного воздуха возникает в среднем несколько пар ионов в секунду. Коэффициент к для воздуха равнее 1,6*10^-6 см³/с. Подстановка этих чисел в формулу (2) дает для равновесной концентрации ионов в воздухе значение порядка 10³ см^-3. Эта концентрация недостаточна для того, чтобы обусловить заметную проводимость. Чистый сухой воздух является очень хорошим изолятором.

Если подать напряжение на электроды, то убыль ионов будет происходить не только вследствие рекомбинации, но и за счет отсасывания ионов полем к электродам. Пусть из единицы объема отсасывается ежесекундно Δn_j пар ионов. Если заряд каждого иона е, то нейтрализация на электродах одной пары ионов сопровождается переносом по цепи заряда е. Каждую секунду электродов достигает Δn_jSl пар ионов ( S – площадь электродов, l – расстояние между ними: произведение Sl равно объему межэлектродного пространства). Следовательно, сила тока в цепи равна

I=eΔn_jSl.

Отсюда

. (3)

При наличии тока условие равновесия выглядит следующим образом:

Δn_i=Δn_r+Δn_j.

Подставив сюда выражения (1) и (3), придем к соотношению

. (4)

В случае сильных полей слагаемым rn² можно пренебречь по сравнению с j/el. Это означает что практически все возникающие ионы достигают электродов, не успев рекомбинировать. При этом условии соотношение (4) можно преобразовать

.

Эта плотность тока создается всеми ионами, порождаемыми ионизатором в заключенном между электродами столбе газа с единичным поперечным сечением. Следовательно, эта плотность тока является наибольшей при данной интенсивности ионизатора и заданном расстоянии между электродами. Ее называют плотностью тока насыщения j_нас.

П ри промежуточных значениях Е происходит плавный переход от линейной зависимости j от Е к насыщению, по достижении которого j перестает зависеть от Е (см. рис. 1.).

За областью насыщения лежит область резкого возрастания тока (штриховая линия). Это возрастание объясняется тем, что, начиная с некоторого значения Е, порождаемые внешним ионизатором электроны успевают за время свободного пробега приобрести энергию, достаточную для того, чтобы столкнувшись с молекулой, вызвать ее ионизацию. Возникшие при ионизации свободные электроны, разогнавшись, в свою очередь вызывают ионизацию. Таким образом, происходит лавинообразное размножение первичных ионов, созданных внешним ионизатором, и усиление разрядного тока. Однако процесс не утрачивает характера несамостоятельного разряда, так как после прекращения действия внешнего ионизатора разряд продолжается только до тех пор, пока все электроны (первичные и вторичные) не достигнут анода. Для того чтобы разряд стал самостоятельным, необходимо наличие двух встречных лавин ионов, что возможно только в том случае, если ионизацию ударом способны вызвать носители обоих знаков.