В отличие от растворов электролита газ при нормальных условиях состоит из нейтральных молекул (или атомов) и потому является изолятором. Проводником электрического тока газ становится только в том случае, когда хотя бы часть его молекул ионизируется (превращается в ионы) под влиянием внешнего воздействия (ионизатора). При ионизации из молекулы газа вырывается обычно один электрон, в результате чего молекула становится положительным ионом. Вырвавшийся электрон либо остается некоторое время свободным, либо сразу же присоединяется («прилипает») к одной из нейтральных молекул газа, превращая ее в отрицательный ион. Таким образом, в ионизированном газе имеются положительные и отрицательные ионы и свободные электроны.

Для того чтобы выбить из молекулы (атома) один электрон, ионизатор должен совершить определенную работу, называемую работой ионизации; для большинства газов она имеет значения, лежащие в пределах от 5 до 25 эВ. Ионизаторами газа могут служить рентгеновские лучи (см. § 125), радиоактивные излучения (см. § 139), космические лучи (см. § 145), интенсивное нагревание, ультрафиолетовые лучи (см. § 120) и некоторые другие факторы.

Наряду с ионизацией в газе идет процесс рекомбинации ионов. В результате устанавливается равновесное состояние, характеризующееся определенной концентрацией ионов, величина которой зависит от мощности ионизатора.

При наличии внешнего электрического поля в ионизированном газе возникает ток, обусловленный движением разноименных ионов во взаимно противоположных направлениях и движением электронов.

Благодаря малой вязкости газа подвижность газовых ионов в тысячи раз больше, чем ионов электролита, и составляет примерно

При прекращении действия ионизатора концентрация ионов в газе быстро падает до нуля (в связи с рекомбинацией и выносом ионов к электродам источника тока) и ток прекращается. Ток, для существования которого необходим внешний ионизатор, называется несамостоятельным газовым разрядом.

При достаточно сильном электрическом поле в газе начинаются процессы самоионизации, благодаря которым ток может существовать и в отсутствие внешнего ионизатора. Такого рода ток называется самостоятельным газовым разрядом.

Процессы самоионизации в общих чертах заключаются в следующем. В естественных условиях в газе всегда имеется небольшое количество свободных электронов и ионов, создаваемых такими естественными ионизаторами, как космические лучи и излучения радиоактивных веществ, содержащихся в атмосфере, почве и воде. Достаточно сильное электрическое поле может разогнать эти частицы до таких скоростей, при которых их кинетическая энергия превысит работу ионизации. Тогда электроны и ионы, сталкиваясь (по пути к электродам) с нейтральными молекулами, будут ионизировать их. Образующиеся при соударениях новые (вторичные) электроны и ионы также разгоняются полем и в свою очередь ионизируют новые нейтральные молекулы и т. д. Описанная самоионизация газа называется ударной ионизацией.

Свободные электроны вызывают ударную ионизацию уже при напряженности поля порядка Что касается ионов, то они могут вызвать ударную ионизацию только при напряженности поля порядка Это различие обусловлено рядом причин, в частности тем, что для электронов длина свободного пробега в газе значительно больше, чем для ионов. Поэтому электроны приобретают необходимую для ударной ионизации кинетическую энергию при меньших напряженностях поля, чем ионы. Однако и при не слишком сильных полях положительные ионы играют весьма важную роль в самоионизации газа. Дело в том, что энергия этих ионов оказывается достаточной для выбивания электронов из металла. Поэтому разогнанные полем положительные ионы, ударяясь о металлический катод источника поля, выбивают из него электроны, которые в свою очередь разгоняются полем и производят ударную ионизацию нейтральных молекул.

Ионы и электроны, энергия которых недостаточна для ударной ионизации, могут, тем не менее, при столкновении с молекулами приводить их в возбужденное состояние, т. е. вызывать некоторые энергетические изменения в их электронных оболочках. Возбужденная молекула (или атом) переходит затем в нормальное состояние, испуская при этом порцию электромагнитной энергии - фотон (процессы

возбуждения атомов и испускания и поглощения ими фотонов будут рассмотрены в § 132-136). Испускание фотонов проявляется в свечении газа. Кроме того, фотон, поглощаемый какой-нибудь из молекул газа, может ионизировать ее; такого рода ионизация называется фотонной. Наконец фотон, попадающий на катод, может выбивать из него электрон (внешний фотоэффект), который затем вызовет ударную ионизацию нейтральной молекулы.

В результате ударной и фотонной ионизаций и выбивания электронов из катода положительными ионами и фотонами количество ионов и электронов во всем объеме газа резко (лавинообразно) возрастает. Для существования тока в газе теперь уже не нужен внешний ионизатор. Газовый разряд становится самостоятельным. Описанный процесс самоионизации газа схематически показан на рис. 208, где нейтральные молекулы изображены белыми кружками, положительные ионы - кружками со знаком плюс, электроны - черными кружками, фотоны - волнистыми линиями.

На рис. 209 представлен экспериментальный график зависимости силы тока в газе от напряженности поля или от напряжения между катодом и анодом источника поля, поскольку

где расстояние между электродами. На участке кривой ток возрастает приблизительно пропорционально напряженности поля по закону Ома). Это объясняется тем, что с увеличением напряженности возрастает скорость упорядоченного движения ионов и электронов, а следовательно, и количество электричества, проходящее за 1 с к электродам (ток). Очевидно, что возрастание тока прекратится тогда, когда напряженность поля достигнет величины, при которой все ионы и электроны, создаваемые внешним ионизатором за 1 с, будут за это же время подходить к электродам.

Электрическим током называют поток, который обусловлен упорядоченным движением электрически заряженных частиц. Движение зарядов принято за направление электрического тока. Электрический ток может быть кратковременным и долговременным.

Понятие электрического тока

При грозовом разряде может возникнуть электрический ток, который называют кратковременным. А для поддержания тока в течение длительного времени необходимо наличие электрического поля и свободных носителей электрического заряда.

Электрическое поле создают тела, заряженные разноименно. Силой тока называют отношение заряда, переносимое через поперечное сечение проводника за интервал времени, к этому интервалу времени. Измеряется она в Амперах.

Рис. 1. Формула силы тока

Электрический ток в газах

Молекулы газа в обычных условиях не проводят электрический ток. Они являются изоляторами (диэлектриками). Однако, если изменить условия окружающей среды, то газы могут стать проводниками электричества. В результате ионизации (при нагреве или под действием радиоактивного излучения) возникает электрический ток в газах, который часто заменяют термином «электрический разряд».

Самостоятельные и несамостоятельные газовые разряды

Разряды в газе могут быть самостоятельными и несамостоятельными. Ток начинает существовать, когда появляются свободные заряды. Несамостоятельные разряды существуют пока на него действует сила извне, то есть внешний ионизатор. То есть, если внешний ионизатор перестал действовать, то и ток прекращается.

Самостоятельный разряд электрического тока в газах существует даже после прекращения действия внешнего ионизатора. Самостоятельные разряды в физике подразделяются на тихий, тлеющий, дуговой, искровой, коронный.

• Тихий – самый слабый из самостоятельных разрядов. Сила тока в нем очень мала (не более 1 мА). Он не сопровождается звуковыми или световыми явлениями.
• Тлеющий – если увеличить напряжение в тихом разряде, он переходит на следующий уровень – в тлеющий разряд. В этом случае появляется свечение, которое сопровождается рекомбинацией. Рекомбинация – обратный процесс ионизации, встреча электрона и положительного иона. Применяется в бактерицидных и осветительных лампах.

Рис. 2. Тлеющий разряд

• Дуговой – сила тока колеблется от 10 А до 100 А. Ионизация при этом равна почти 100%. Этот тип разряда возникает, например, при работе сварочного аппарата.

Рис. 3. Дуговой разряд

• Искровой – можно считать одним из видов дугового разряда. Во время такого разряда за очень короткое время протекает определенное количество электричества.
• Коронный разряд – ионизация молекул происходит вблизи электродов с малыми радиусами кривизны. Этот вид заряда происходит тогда, когда напряженность электрического поля резко изменяется.

Что мы узнали?

Сами по себе атомы и молекулы газа нейтральны. Они заряжаются при воздействии извне. Если говорить кратко об электрическом токе в газах, то он представляет собой направленное движение частиц (положительных ионов к катоду и отрицательных ионов к аноду). Также важным является, что при ионизации газа, его проводящие свойства улучшаются.

Тест по теме

Оценка доклада

Средняя оценка: 4.1 . Всего получено оценок: 436.

Несамостоятельным разрядом называется такой разряд, в котором ток поддерживается только за счет непрерывного образования заряженных частиц по какой-либо внешней причине и прекращается после прекращения действия источника образования зарядов. Заряды могут создаваться как на поверхности электродов, так и в объеме разрядной трубки. Самостоятельные разряды характеризуются тем, что заряженные частицы, необходимые для поддержания разряда, создаются в процессе самого разряда, то есть их количество по крайней мере не уменьшается с течением времени (при неизменном приложенном напряжении). Можно снять ВАХ самостоятельного разряда (см Рохлин Г.Н, рис 5.1, стр 156).

Механизм перехода несамостоятельного разряда в одну из форм самостоятельного зависит от многих причин, но общим критерием перехода является условие, чтобы в среднем каждая исчезающая по тем или иным причинам заряженная частица создавала себе за время своего существования по крайней мере одного заместителя.

Опишем процессы, происходящие в разрядной трубке при обоих видах разрядов.

Несамостоятельный разряд - возможен только при наличии «искусственного» эмиттирования электронов из катода (нагревание, воздействие коротковолнового излучения).

Таунсендовская лавина. Электрон, так или иначе вышедший с катода, под воздействием электрического поля между электродами разгоняется, приобретает энергию. Возникает вероятность ионизации атомов и возникновения новых электронов и ионов. Так, «освободившиеся» электроны под воздействием поля приобретают некоторую энергию и тоже ионизируют атомы. Таким образом, количество свободных электронов растет в степенной прогрессии (не рассматриваем механизмы деионизации).

Самостоятельный разряд. Вышеприведенного процесса недостаточно для описания возникновения самостоятельного разряда: этот механизм не объясняет появление новых электронов с катода. Вообще, чтобы разряд стал самостоятельным, каждый вырванный с катода электрон в результате цепочки взаимодействий должен вырвать с катода по крайней мере еще 1 электрон. Вспомним, что при ионизации атома электроном помимо свободного электрона возникает еще и ион, который движется под действием поля в противоположном электронам направлении - к катоду. В результате столкновения иона с катодом с последнего может быть эмитирован электрон (этот процесс называется вторичной электронной эмиссией ). Сам механизм соответствует темному самостоятельному разряду . То есть при таких условиях не происходит генерация излучения. Падающий характер этого участка (см Рохлин Г.Н, рис 5.1, стр 156) объясняется тем, что при бОльших токах нужны меньшие энергии электронов для сохранения самостоятельности разряда и, следовательно, меньшие ускоряющие поля.

Нормальный тлеющий разряд - плотность тока на катоде и падение напряжения постоянны. При увеличении общего тока возрастает эмиттирующая площадь электрода при постоянной плотности тока. При таких токах уже возникает свечение положительного столба и приэлектродных областей. Генерация электронов с катода происходит все еще за счет вторичных процессов (бомбардировка ионами, быстрыми атомами; фотоэмиссия). Приэлектродные области и столб разряда формируются при переходе от темного самостоятельного разряда к тлеющему.

Аномальный тлеющий разряд . Вся площадь катода эмитирует электроны, поэтому при возрастании тока уже растет его плотность. Катодное падение напряжения при этом растет очень резко, поскольку всякий раз для увеличения количества эмитируемых электронов с единицы площади (т.е. плотности тока) требуется приложить все больше и больше энергии. Механизм эмиссии электронов с катода остался неизменным.

При переходе к дуговому разряду появляется термоэмиссия с катода - ток оказывает на него тепловое воздействие. То есть механизм эмиссии уже принципиально отличается от предыдущих случаев. Катодное падение напряжения уменьшается, становится порядка потенциала наполняющего газа (до этого прибавлялось падение напряжения, возникающее в процессе вторичной эмиссии).

Дуговой разряд . Большие токи, малое падение напряжения, большой световой поток столба разряда.

При подогретом катоде ВАХ будет выглядеть иначе. Она не зависит от процессов вторичной эмиссии, все определяется только ионизациями в разрядном промежутке (их описывает к-т α). После зажигания разряда катод подогревается еще и ионами, приходящими из разрядного промежутка.

Форма самостоятельного разряда, которая устанавливается после пробоя газового промежутка, зависит от условий во внешней цепи, процессов на электродах и в газовом промежутке.

>>Физика: Несамостоятельный и самостоятельный разряды

Разряд в газе может происходить и без внешнего ионизатора. Разряд способен поддерживать сам себя. Почему это возможно?
. Для исследования разряда в газе при различных давлениях удобно использовать стеклянную трубку с двумя электродами (рис.16.31 ).

Пусть с помощью какого-либо ионизатора в газе образуется в секунду определенное число пар заряженных частиц: положительных ионов и электронов .
При небольшой разности потенциалов между электродами трубки положительно заряженные ионы перемещаются к отрицательному электроду, а электроны и отрицательно заряженные ионы - к положительному электроду. В результате в трубке возникает электрический ток , т. е. происходит газовый разряд .
Не все образующиеся ионы достигают электродов; часть их воссоединяется с электронами, образуя нейтральные молекулы газа. По мере увеличения разности потенциалов между электродами трубки доля заряженных частиц, достигающих электродов, увеличивается. Возрастает и сила тока в цепи. Наконец, наступает момент, при котором все заряженные частицы, образующиеся в газе за секунду, достигают за это время электродов. При этом дальнейшего роста силы тока не происходит (рис.16.32 ). Ток, как говорят, достигает насыщения . Если действие ионизатора прекратить, то прекратится и разряд, так как других источников ионов нет. По этой причине такой разряд называют несамостоятельным разрядом.

Если кинетическая энергия электрона превосходит работу A i , которую нужно совершить, чтобы ионизовать нейтральный атом, т. е.

то при столкновении электрона с атомом происходит ионизация (рис.16.34 ). В результате вместо одного свободного электрона образуются два (налетающий на атом и вырванный из атома). Эти электроны, в свою очередь, получают энергию в поле и ионизуют встречные атомы и т. д. Число заряженных частиц резко возрастает, возникает электронная лавина. Описанный процесс называют ионизацией электронным ударом . Но одна ионизация электронным ударом не может обеспечить длительный самостоятельный разряд. Действительно, ведь все возникающие таким образом электроны движутся по направлению к аноду и по достижении анода «выбывают из игры». Для существования разряда необходима эмиссия электронов с катода (эмиссия означает «испускание»). Эмиссия электронов может быть обусловлена несколькими причинами. Положительные ионы, образовавшиеся при столкновении свободных электронов с нейтральными атомами, при своем движении к катоду приобретают под действием поля большую кинетическую энергию . При ударах таких быстрых ионов о катод с поверхности последнего выбиваются электроны.

Кроме того, катод может испускать электроны при нагревании его до высокой температуры. При самостоятельном разряде нагрев катода может происходить за счет бомбардировки его положительными ионами, что происходит, например, при дуговом разряде.
В газах при больших напряженностях электрических полей электроны достигают таких больших энергий, что начинается ионизация электронным ударом. Разряд становится самостоятельным и продолжается без внешнего ионизатора.
В разреженном газе самостоятельный разряд возникает при сравнительно небольших напряжениях. Благодаря малому давлению длина пробега электрона между двумя ударами велика, и он может приобрести энергию, достаточную для ионизации атомов. При таком разряде газ светится, цвет свечения зависит от рода газа. Свечение, возникающее при тлеющем разряде, широко используется для рекламы , для освещения помещения лампами дневного света.
В газах могут происходить самостоятельный и несамостоятельный разряды. Вид разряда зависит как от давления газа, так и от подаваемого напряжения.

???
1.При каких условиях несамостоятельный разряд в газах превращается в самостоятельный?
2.Почему ионизация электронным ударом не может обеспечить существование разряда в газах?

Г.Я.Мякишев, Б.Б.Буховцев, Н.Н.Сотский, Физика 10 класс

Если у вас есть исправления или предложения к данному уроку,

Газы при не слишком высоких температу­рах и при давлениях, близких к атмосфер­ному, являются хорошими изоляторами. Если поместить в сухой атмосферный воздух, заряженный электрометр, то его заряд долго остается неизменным. Это объясняется тем, что га­зы при обычных условиях состоят из ней­тральных атомов и молекул и не содержат свободных зарядов (электронов и ионов). Газ становится проводником электричест­ва только, когда некоторая часть его молекул ионизуется. Для ионизации газ надо подвергнуть воздействию какого-либо ионизатора: например, электрический разряд, рентгеновское излучение, радиации или УФ-излучение, пламя свечи и т.д. (в последнем случае электро­проводность газа вызвана нагреванием).

При ионизации газов происходит вырывание из внешней электронной оболочки атома или молекулы одного или нескольких электронов, что приводит к об­разованию свободных электронов и поло­жительных ионов. Электроны могут при­соединяться к нейтральным молекулам и атомам, превращая их в отрицательные ионы. Следовательно, в ионизованном газе имеются положительно и отрицательно заряженные ионы и свободные электроны. Электрический ток в газах на­зывается газовым разрядом. Т.о., ток в газах создается ионами обоих знаков и электронами. Газовый разряд при таком механизме будет сопровождаться переносом вещества, т.е. ионизированные газы относятся к проводникам второго рода.

Для того чтобы оторвать от молекулы или атома один электрон, необходимо совершить оп­ределенную работу А и, т.е. затратить оп­ределенную энергию. Эту энер­гию называют энергией ионизации , значения которой для атомов различных веществ лежат в преде­лах 4÷25 эВ. Количественно процесс ионизации принято характеризовать величиной, которая называется потенциал ионизации :

Одновременно с процессом ионизации в газе всегда идет и обратный процесс – процесс рекомбинации: положительные и отрицательные ионы или положительные ионы и электроны, встречаясь, воссоединя­ются между собой с образованием ней­тральных атомов и молекул. Чем больше ионов возникает под действием ионизато­ра, тем интенсивнее идет и процесс ре­комбинации.

Строго говоря, электропроводность га­за никогда не равна нулю, так как в нем всегда имеются свободные заряды, обра­зующиеся в результате действия излучения радиоактивных веществ, имею­щихся на поверхности Земли, а также космического излучения. Интен­сивность ионизации под действием указан­ных факторов невелика. Эта незначитель­ная электропроводность воздуха является причиной утечки зарядов наэлектризованных тел да­же при хорошей их изоляции.

Характер газового разряда определяется составом газа, его температурой и давлением, размерами, конфигурацией и материалом электродов, а так же приложенным напряжением и плотностью тока.

Рассмотрим цепь, содержащую газо­вый промежуток (рис.), подвергаю­щийся непрерывному, постоянному по ин­тенсивности воздействию ионизатора. В результате действия ионизатора газ приобретает некоторую электропровод­ность и в цепи потечет ток. На рис приведены вольт-амперные характеристики (зависимость тока от приложенного напряжения) для двух ионизаторов. Производительность (число пар ионов произведенных ионизатором в газовом промежутке за 1 секунду) второго ионизатора больше чем первого. Будем считать, что производительность ионизатора величина постоянная и равная n 0 . При не очень низком давлении практически все отщепившиеся электроны захватываются нейтральными молекулами, образуя отрицательно заряженные ионы. С учетом рекомбинации, примем, что концентрации ионов обоих знаков одинаковы и равны n. Средние скорости дрейфа ионов разных знаков в электрическом поле разные: , . b - и b + – подвижности ионов газа. Теперь для области I, c учетом (5), можно записать:

Как видно, в области I с увеличением напряжения ток возрастает, так как растет скорость дрейфа. Число пар рекомбинирующих ионов с ростом их скорости, при этом будет уменьшаться.

Область II – область тока насыщения – все созданные ионизатором ионы достигают электродов, не успевая рекомбинировать. Плотность тока насыщения

j н = q n 0 d, (28)

где d – ширина газового промежутка (расстояние между электродами). Как видно из (28) ток насыщения является мерой ионизирующего действия ионизато­ра.

При напряжении больше U п p (область III) скорость электронов достигает такой величины, что при столкновении с нейтральными молекулами они способны вызвать ударную ионизацию. В результате образуется дополнительно Аn 0 пар ионов. Величина А называется коэффициентом газового усиления . В области III этот коэффициент не зависит от n 0 , но зависит от U. Т.о. заряд, достигающий электродов при постоянном U прямо пропорционален производительности ионизатора – n 0 и напряжению U. По этой причине область III называется областью пропорциональности. U пр – порог пропорциональности. Коэффициент газового усиления А имеет значения от 1 до 10 4 .

В области IV, области частичной пропорциональности, коэффициент газового усиления начинает зависеть от n 0. Эта зависимость растет с ростом U. Ток резко увеличивается.

В диапазоне напряжений 0 ÷ U г, ток в газе существует только при действующем ионизаторе. Если дейст­вие ионизатора прекратить, то прекращается и раз­ряд. Разряды, существующие только под действием внешних ионизаторов, называ­ются несамостоятельными.

Напряжение U г – порог области, области Гейгера, которая соответствует состоянию, когда процесс в газовом промежутке не исчезает и после выключения ионизатора, т.е. разряд приобретает характер самостоятельного разряда. Первичные ионы только дают толчок для возникновения газового разряда. В этой области способность ионизировать приобретаю уже и массивные ионы обоих знаков. Величина тока не зависит от n 0 .

В области VI напряжение настолько велико, что разряд, однажды возникнув, больше не прекращается – область непрерывного разряда.