7.3.1. Несамостоятельная и самостоятельная проводимость газов

Рассматривая токи в газах, для простоты будем считать, что ток течет между двумя плоскими электродами, заряженными противоположно (рис.7.6). Цепь содержит источник напряжения, газовый промежуток, переменное сопротивление и приборы измерения (амперметр и вольтметр). Если на газовый промежуток воздействует какой-либо ионизатор, например ультрафиолето-вые лучи, падающие на орицательный электрод (катод), то из катода будут вырываться фотоэлектроны. В результате газ приобретает некоторую проводимость и в цепи появиться ток. Если уменьшать сопротивление R, то сила тока будет сначала увеличиваться, так как будет увеличиваться напряжение и уменьшаться пространственный заряд между электродами. При дальнейшем уменьшении сопротивления напряжение на электродах достигнет такого значения, при котором все образующиеся ионы достигают положительного электрода. Величина тока при данной интенсивности ионизатора не будет изменяться. Этот ток называют током насыщения i_s. При изменении интенсивности ионизатора может произойти изменение тока насыщения. Зависимость электрического тока от напряжения на электродах (вольтамперная характеристика) для данной инт енсивности ионизатора представлена на рис. 7.7. Если в одном из режимов, изображенных ветвью характеристики Оа, прекратить действие ионизатора, то и ток в газовом промежутке прекратится. Такая проводимость газов, существующая только при действии внешнего ионизатора, получила название несамостоятельной проводимости.

В этом случае плотность электрического тока определяется выражением

. (7.21)

Первые два члена обусловлены движением ионов под действием электрического поля E, последние – диффузией ионов. Если подвижности газовых ионов b⁺ и b^-, заряды и концентрации положительных и отрицательных ионов по абсолютной величине одинаковы (e⁺=e^- = e; n⁺ = n^- = n), то диффузионного тока не будет. Тогда можно записать

. (7.22)

Пусть в единице объема газа ежесекундно образуется N пар новых ионов. Число ионов, рекомбинирующих за то же время во всем объеме Sl камеры, будет Sln², где S – площадь электрода, а l – длина камеры. При наличии электрического тока убыль ионов будет происходить также за счет ухода их на электроды. Ежесекундно ток уносит на электроды пар ионов. Поэтому вместо уравнения баланса (7.16) , где N – число пар ионов, можно записать

. (7.23)

Для стационарных токов

, (7.24)

где j – плотность электрического тока;

l – длина камеры;

e – заряд электрона.

Из уравнения (7.24) в случае, когда плотность тока j настолько мала, что членом можно пренебречь по сравнению с n²,

(7.25)

Для плотности тока имеем

. (7.26)

Следовательно, в этом случае плотность тока j пропорциональна напряженности электрического поля. Такой случай имеет место при малых значениях E. Таким образом, в слабых электрических полях выполняется закон Ома.

При дальнейшем уменьшении сопротивления R ток через разрядный промежуток начинает сильно возрастать, даже при незначительном увеличении напряжения между электродами. Это соответствует участку кривой ab на рис. 7.7. Возрастание тока на этом участке вольтамперной характеристики показывает, что в газовом промежутке появляются новые ионы. Если еще уменьшать сопротивление R, то сила тока в цепи резко возрастает, и в газе появляются сильно выраженные световые и тепловые эффекты. В этом случае даже при прекращении действия ионизатора проводимость газа не исчезает. Это означает, что ионы, необходимые для поддержания электропроводности газа, создаются самим током, в результате процессов, происходящих в газе. Такая проводимость газов называется самостоятельной проводимостью.

Напряжение, при котором возникает самостоятельная проводимость газов, называется напряжением пробоя газового промежутка или напряжением зажигания газового разряда.

В зависимости от того какие процессы образования ионов в газе играют главную роль, наблюдаются различные формы или типы самостоятельных разрядов в газах: коронный, искровой, дуговой, тлеющий и другие разряды. Эти типы разрядов отличаются друг от друга как по свойствам, так и по внешнему виду.