59

Электрический ток в газах. Вольтамперная характеристика (вах) газового разряда и ее физический анализ. Виды электрического разряда в газе.

В обычном состоянии газы не проводят электрический ток, ибо состоят из электрически нейтральных атомов и молекул. Однако такие внешние воз­действия, как нагрев, облучение ультра­фио­летовыми лучами или потоком заряженных частиц, воздействие сильным электрическим полем, могут вызывать ионизацию атомов и молекул газа, то есть отрыв электрона от них, и создавать свободные носители заряда - электроны и ионы.

П

ри наличии внешнего ионизатора и при приложе­нии электрического поля в газе протекает электрический ток. Протекание тока в газе называ­ется электрическим разрядом. Этот разряд называ­ется несамостоятельным, если прекращается при выключении внешнего ионизатора. Но он может перейти в самостоятельный разряд, если увеличить напряжение U, приложенное к разрядному промежутку (между двумя электродами – см. рис). При этом электрон (или ион) набирает в элек­триче­ском поле кинетическую эне­ргию W_к = q_еU = q_еЕ (где  - длина свободного пробега электрона в газе), сравнимую с энергией ионизации атома (молекулы), с энергией связи электрона в атоме. При столкновениях такого "энергичного" элек­трона с атомом или молекулой газа, электрон передаёт им свою энергию и отрывает от них другой электрон, ионизируя их, превращая в положительный ион. Так возникает поэтапное наращивание, умножение числа носителей тока, приобретающее лавинооб­раз­ный характер. Протекание тока в газе (разряд в газе) может осуществлять­ся теперь и в отсутствие внешнего ионизатора, разряд стал само­стоятельным. Вольтамперная характеристика (ВАХ) газового разряда представлена на рисунке.

На ВАХ электрического разряда в газе можно выделить следующие пять участков:

 - область справедливости закона Ома: здесь имеет место баланс между числом  образуемых ионизатором носителей тока и их убылью за счет рекомбинации и ухода на электроды. По мере роста напряжения ток растет за счет увеличения числа носителей при рассасывании элек­тронно-ионного облака, образуемого ионизатором (имеет место ток, ограниченный пространствен­ным зарядом).

 - область насыщения тока. Здесь все, образуемые внешним источником (ионизатором) носи­тели тока, попадают на электроды. Сила тока не зависит от напряжения, а определяется лишь мощно­стью ионизатора: _нас = 2q_eSl, а j_нас = 2q_el, где  - число пар носителей, образуемых в единице объема в единицу времени, а l – расстояние между электродами.

Первые две области представляют собой несамостоятельный разряд

 - область ударной электронной ионизации. Начиная с некоторого напряжения U_Р, элек­троны¹ приобретают в электрическом поле кинетическую энергию W_к = q_eU_Р = q_eЕ, где  - средняя длина свободного пробега электрона в газе, достаточную для ионизации атомов (молекул) газа, то есть для отрыва электрона от них. При этом происходит лавинообразное нарастание числа носите­лей тока. Коэффициент газового усиления А, показывающий во сколько раз умножается число носи­телей тока, достигает 10³ - 10⁴.

V – область Гейгера. В конце предыдущего, третьего участка ВАХ напряжение становится достаточным для ударной ионной ионизации атомов (молекул) газа. Но сам разряд без внешнего толчка (ионизатора) здесь еще возникнуть не может. Сила же разрядного тока здесь практически не зависит от мощности ионизатора, то есть от числа .

V – область непрерывного разряда. Приложенное к разрядному газовому промежутку электрическое поле становится достаточным для обеспечения разряда в газе в отсутствие внешнего ионизатора. Имеет место электрический пробой газа. Воздух, например, пробивается при достижении напряженности Е_пр = 30 кВ/см.

В зависимости от условий осуществления различают следующие виды самостоятельного раз­ряда в газе:

1. Искровой разряд – происходит, когда источник электрического поля не способен поддержи­вать самостоятельный разряд в те­чение длительного времени, и он прекращается через короткое время в результате происходящего уменьше­ния напряжения; пример – молния, искры при коммута­ции в электрических цепях.

2. Дуговой разряд (электрическая дуга) - наблюдается при повышенной силе тока и поддержива­ется за счёт термоэлектронной эмис­сии с катода в результате бомбардировки и разогрева его поло­жительными ионами.

3. Коронный разряд - наблюдается в сильно неоднородных электрических по­лях, образующихся, например, между острием и плос­костью, или между проводом и плоскостью (в линиях электропере­дач). Ионизация электронным ударом прои­сходит здесь лишь вблизи одного из электродов, в области с повышенной напряжённостью электрического поля.

4. Тлеющий разряд - наблюдается при пониженном давлении в газонаполненных трубках, сопро­вождается слабым свечением.