ДВИЖЕНИЕ ИОНОВ В ГАЗЕ

Для расчета силы тока через газы допустим, что в единице объема газа содержится положительных ионов, несущих заряды и отрицательных ионов с зарядами числа и могут быть не равны друг другу, но суммы зарядов Так как движение положительных зарядов в одном, а отрицательных зарядов в противоположном направлении означает электрический ток одного и того же направления, то, согласно формуле (2.2), сила тока через газ равна:

где — скорости упорядоченного движения соответствующих ионов в газе; площадь, через которую происходит движение ионов. Эта площадь может быть различной в различных сечениях сосуда с газом; рассмотрим плотность тока

Движение ионов через газ сопровождается потерей их энергии при столкновениях, которая при установившемся движении ионов непрерывно компенсируется за счет работы электрического поля. Можно оценить сопротивление, испытываемое ионами при их упорядоченном движении в газе, если ввести «силы трения» и пропорциональные скоростям движения соответствующих ионов

где — коэффициенты трения для положительных и отрицательных ионов (размеры и конфигурация разноименных ионов могут сильно отличаться). При установившемся движении ионов эти силы трения должны быть уравновешены электростатическими силами следовательно,

Величины

называются подвижностями ионов; они численно равны скоростям установившегося движения ионов при напряженности поля равной единице. Подставив выражение (2.38) в формулу (2.37), получаем для плотности тока:

Таким образом, коэффициент электропроводности газов

зависит от концентрации ионов и их подвижностей (или от коэффициентов трения).

При прохождении электрического тока через газы исчезновение ионов происходит, во-первых, вследствие молизации, т. е. случайных встреч противоположных ионов и соединения их в нейтральные молекулы, во-вторых вследствие нейтрализации ионов при их соприкосновении с противоположно заряженными электродами. Первый процесс - молизацию — можно считать пропорциональным концентрации как положительных, так и отрицательных ионов, т. е. пропорциональным произведению тогда ежесекундное число ионов одного знака, исчезающих вследствие молизации в единице объема газа, может быть представлено в виде

где некоторые коэффициенты, зависящие от вещества газа, давления, температуры и т. д., а также от структуры иона.

Второй процесс — нейтрализация ионов у электродов — пропорционален силе тока проходящего через газ. Допустим, что в единицу времени нейтрализуется положительных и отрицательных ионов, причем В единице объема газа

где V — объем газа. Если полагать где сечение; I — длина сосуда с газом, то плотность тока). В равновесном состоянии число-ионов образующихся в единице объема газа в единицу времени, должно компенсироваться исчезновением

ионов соответствующих знаков от молизации и нейтрализации у электродов:

При постоянной интенсивности внешнего ионизатора эти числа сохраняются неизменными. Если дополнительно к этому сила или плотность тока через газ очень мала, то величиной можно пренебречь по сравнению с величиной Тогда из постоянства следует постоянство При этих условиях электропроводность а в формуле (2.40) — постоянная величина (не изменяющаяся при увеличении илиг уменьшении тока через газ), и тогда формула совпадает с законом Ома (2.6). Таким образом, при слабых токах в газах соблюдается прямая пропорциональность между силой тока и приложенным напряжением.

При очень сильных токах, наоборот, можно пренебрегать молизацией по сравнению с нейтрализацией ионов у электродов Тогда при различных значениях приложенного к газу напряжения. Так как сила тока пропорциональна то, следовательно, она пропорциональна Таким образом, при указанном выше условии сила (а следовательно, и плотность) тока не зависит от приложенной к газу разности потенциалов, а определяется только числом ионов образующихся в единицу времени во всем объеме газа, т. е. определяется интенсивностью внешнего ионизатора. Этот максимально возможный в газе ток (который нельзя увеличить путем увеличения приложенной разности потенциалов) называется током насыщения.

В некоторых случаях проводимость газов обусловлена главным образом движением электронов. При большой разности потенциалов положительные ионы приобретают в электрическом поле большие скорости и, ударяясь о катод, выбивают из него электроны. Существенно, что один тяжелый ион может выбить из катода несколько, иногда значительное число электронов. При очень больших плотностях тока в газе удары положительных ионов нагревают катод до очень высокой температуры и тем вызывают дополнительно интенсивную термоэлектронную эмиссию. Кроме того, электрическое поле у поверхности катода может быть настолько большим, что почти все электроны, вылетающие за пределы поверхности катода, будут подхвачены полем и направлены к аноду. Все эти электроны, двигаясь ускоренно к аноду, могут вызывать как возбуждение атомов газа, так и их ионизацию. Вновь образовавшиеся при этом положительные ионы, достигнув катода, снова выбивают из него электроны и т. д. При таких условиях та часть тока, которая обусловлена упорядоченным движением электронов, может составлять весьма значительную часть общей силы тока, т. е. ток через газ в основном обусловливается движением электронов от катода к аноду. Движение же положительных ионов будет составлять малую часть силы тока, но их удары о катод играют существенную роль.

Возбужденные (например, при столкновениях с электронами) атомы газа, возвращаясь в нормальное состояние, излучают свет;

этим объясняется свечение газа при газовых разрядах. Характер этого свечения (искровой, дуговой) зависит в основном от плотности (давления) газа и от величины прилагаемой разности потенциалов; спектральный состав свечения обусловлен химической природой газа, через который проходит ток.

Прохождение электрического тока через разреженные газы имеет некоторые особенности. При очень больших разрежениях («высокий вакуум»), т. е. при весьма малом числе частиц в единице объема газа, длина свободного пробега частицы (молекулы или иона)

(d - эффективный диаметр частицы) делается соизмеримой с размерами сосуда. Тогда число столкновений частиц между собой становится значительно меньше, чем число столкновений этих частиц со стенками сосуда. При таких условиях процессы ионизации и молизации в объеме сосуда не играют заметной роли. Чтобы газ мог проводить ток, необходимо ввести в пространство между электродами свободные заряды каким-нибудь другим путем. В частности, это можно сделать при помощи термоэлектронной эмиссии, если нагреть электрическим током электрод, присоединенный к отрицательному полюсу батареи (т. е. катод). В этом случае ток через газ будет почти целиком электронным. По мере увеличения давления (плотности) газа постепенно возрастает роль ионизации, происходящей внутри газа вследствие столкновений между нейтральными атомами, ионами и электронами.