§ 92. Ток в газах. Несамостоятельный и самостоятельный газовые разряды

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.

Рис. 208

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.

Рис. 209

Максимальный ток соответствующий этой напряженности называется током насыщения (участок Величина тока насыщения пропорциональна мощности ионизатора. При достаточно большой напряженности поля начинается самоионизация газа, а при дальнейшем увеличении напряженности наступает самостоятельный газовый разряд. Таким образом, участок кривой соответствует несамостоятельному газовому разряду, а ветвь кривой, лежащая правее точки самостоятельному газовому разряду.

Таковы общие черты газового разряда. Вместе с тем характер (тип) разряда существенно зависит от давления, температуры и химического состава газа, а также от материала, формы, размеров и взаимного расположения электродов. В следующем параграфе рассмотрены основные типы самостоятельного газового разряда.