Глава 2. НЕСАМОСТОЯТЕЛЬНЫЙ И САМОСТОЯТЕЛЬНЫЙ ГАЗОВЫЕ РАЗРЯДЫ

 

Прохождение электрического тока через газы называется газовым разрядом. Все газы в естественном состоянии не проводят электрического тока, т.е. являются изоляторами. В чем можно убедиться из следующего опыта.

Возьмем электрометр с присоединенными к нему дисками плоского конденсатора и зарядим его. При комнатной температуре, если воздух достаточно сухой, конденсатор заметно не разряжается - положение стрелки электрометра не изменяется. Чтобы заметить уменьшение угла отклонения стрелки электрометра, требуется длительное время. Это показывает, что электрический ток в воздухе между дисками очень мал. Данный опыт показывает, что воздух является плохим проводником электрического тока.

Изолирующие свойства газов объясняются тем, что атомы и молекулы газов в естественном состоянии являются нейтральными незаряженными частицами. Отсюда ясно, что для того, чтобы сделать газ проводящим, нужно тем или иным способом внести в него или создать в нем свободные носители заряда - заряженные частицы. При этом возможны два случая: либо эти заряженные частицы создаются действием какого-нибудь внешнего фактора или вводятся в газ извне - несамостоятельная проводимость, либо они создаются в газе действием самого электрического поля, существующего между электродами - самостоятельная проводимость.

Гальванометр в цепи показывает отсутствие тока несмотря на приложенное напряжение. Это свидетельствует об отсутствии проводимости газов в обычных условиях.

Видоизменим опыт: нагреем воздух между дисками пламенем спиртовки. Тогда угол отклонения стрелки электрометра быстро уменьшается, т.е. уменьшается разность потенциалов между дисками конденсатора - конденсатор разряжается. Следовательно, нагретый воздух между дисками стал проводником, и в нем устанавливается электрический ток.

В данном случае газу сообщили электропроводность, создавая в нем высокую температуру. Если бы вместо пламени горелки мы поместили вблизи электрометра подходящий источник света, например ртутную дуговую лампу, дающую много ультрафиолетовых лучей, мы также наблюдали бы утечку зарядов с электрометра. Такое же действие на газ оказывают рентгеновские лучи и излучение радиоактивных препаратов. В этом случае говорят о несамостоятельной проводимости газа.

Пусть газ, находящийся между электродами (рис. 2.1) подвергается непрерывному постоянному по интенсивности воздействию какого-либо ионизирующего агента (например, рентгеновских лучей).

 

Рис. 2.1

 

Действие ионизатора приводит к тому, что от некоторых молекул газа отщепляется один или несколько электронов, в результате чего эти молекулы превращаются в положительно заряженные ионы. При не очень низких давлениях отщепившиеся электроны обычно захватываются нейтральными молекулами, которые таким образом становятся отрицательно заряженными ионами. Число пар ионов, возникающих под действием ионизатора за секунду в единице объема, обозначим через Δn_i. Наряду с процеесом ионизации в газе происходит рекомбинация ионов, т.е. нейтрализация разноименных ионов при их встрече или воссоединение положительного иона и электрона в нейтральную молекулу. Вероятность встречи двух ионов разных знаков пропорциональна как числу положительных, так и числу отрицательных ионов. Поэтому количество рекомбинирующих за секунду в единице объема пар ионов Δn_r пропорционально квадрату числа имеющихся в единице объема пар ионов n:

 

,(2.1)

 

где r - коэффициент пропорциональности.

В состоянии равновесия число возникающих ионов равно числу рекомбинирующих, следовательно,

 

.(2.2)

 

Отсюда для равновесной концентрации ионов (числа пар ионов в единице объема) получается следующее выражение:

 

.(2.3)

 

Под действием космического излучения и следов радиоактивных веществ, имеющихся в земной коре, в 1 см³ атмосферного воздуха возникает в среднем несколько пар ионов в секунду. Коэффициент r для воздуха равен 1.6·10^-6 см³/с. Подстановка этих чисел в формулу (2.3) дает для равновесной концентрации ионов в воздухе значение порядка 10³ см^-3. Эта концентрация недостаточна для того, чтобы обусловить заметную проводимость. Чистый сухой воздух является очень хорошим изолятором. Если подать напряжение на электроды, то убыль ионов будет происходить не только вследствие рекомбинации, но и за счет отсасывания ионов полем к электродам. Пусть из единицы объема отсасывается ежесекундно Δn_i пар ионов. Если заряд каждого иона е ´, то нейтрализация на электродах одной пары ионов сопровождается переносом по цепи заряда е ´. Каждую секунду электродов достигает Δn_iSl пар ионов (S - площадь электродов, l - расстояние между ними; произведение Sl равно объему межэлектродного пространства). Следовательно, сила тока в цепи равна

 

.(2.4)

 

Отсюда

 

,(2.5)

j - плотность тока.

Итак, при несамостоятельном разряде в газе будет происходить 3 процесса:

1) ионизация;

2) рекомбинация;

)   нейтрализация

При наличии тока условие равновесия выглядит следующим образом:

 

.(2.6)

 

Подставив сюд выражения (2.1) и (2.5) для Δn_r и Δn_j, придем к соотношению

 

.(2.7)

Плотность тока определяется выражением

 

,(2.8)

 

где  и  - подвижности положительных и отрицательных ионов.

Рассмотрим два предельных случая - случай слабых и случай сильных полей.

В случае слабых полей плотность тока будет очень мала, и слагаемым j/е ´ l в соотношении (2.7) можно пренебречь по сравнению с rn² (это означает, что убыль ионов из межэлектродного пространства происходит в основном за счет рекомбинации). Тогда (2.7) переходит в (2.2) , и для равновесной концентрации ионов получается выражение (2.3). Подстановка этого значения n в формулу (2.8) дает

 

.(2.9)

 

Множитель при Е в полученной формуле не зависит от напряженности поля. Следовательно, в случае слабых полей несамостоятельный газовый разряд подчиняется закону Ома.

Подвижность ионов в газах имеет значение ~ 10^-4 (м·с^-1)/(В·м^-1) (1(см·с^-1)/(В·см^-1)). Следовательно, при равновесной концентрации n=10³ см^-3 = =10⁹ м^-3 и напряженности поля Е=1 В/м плотность тока составит

j = 1.6·10^-19·10⁹ (10^-4+10^-4) ·1 ~ 10^-14 А/м² = 10^-18 А/см².

В случае сильных полей слагаемым rn² в формуле (2.7) можно пренебречь по сравнению с j/е ´ l. Это означает, что практически все возникающие ионы достигают электродов, не успев рекомбинировать. При этом условии соотношение (2.7) имеет вид

.(2.10)

 

Отсюда

 

.(2.11)

 

Эта плотность тока создается всеми ионами, порождаемыми ионизатором в заключенном между электродами столбе газа с единичным поперечным сечением. Следовательно, эта плотность газа является наибольшей при данной интенсивности ионизатора и заданном расстоянии l между электродами. Ее называют плотностью тока насыщения j_нас.

Вычислим j_нас при следующих условиях: Δn_i=10 см^-3·с^-1 = 10⁷ м^-3·с^-1 (примерно такова скорость образования ионов в атмосферном воздухе при обычных условиях), l=0.1 м. Подстановка этих данных в формулу (2.11) дает

j_нас= 1.6·10^-19·10⁷·10^-1 ~ 10^-13 А/м² = 10^-17 А/см².

Этот расчет показывает, что проводимость воздуха в обычных условиях очень мала. При промежуточных значениях Е происходит плавный переход от линейной зависимости j от Е к насыщению, по достижении которого j перестает зависеть от Е (сплошная кривая на рис. 2.2).

 

Рис. 2.2

За областью насыщения лежит область резкого возрастания тока (штриховая линия на рис. 2.2). Это возрастание объясняется тем, что, начиная с некоторого значения Е, порождаемые внешним ионизатором электроны успевают за время свободного пробега приобрести энергию, достаточную для того, чтобы, столкнувшись с молекулой, вызвать ее ионизацию. Возникшие при ионизации свободные электроны, разогнавшись, в свою очередь вызывают ионизацию. Таким образом, происходит лавинообразное размножение первичных ионов, созданных внешним ионизатором, и усиление разрядного тока. Однако процесс не утрачивает характер несамостоятельного разряда, так как после прекращения действия внешнего ионизатора разряд продолжается только до тех пор, пока все электроны (первичные и вторичные) не достигнут анода (задняя граница пространства, в котором имеются ионизирующие частицы - электроны, перемещается к аноду). Для того чтобы разряд стал самостоятельным, необходимо наличие двух встречных лавин ионов, что возможно только в том случае, если ионизацию ударом способны вызывать носители обоих знаков. Рассмотрим процессы происходящие при самостоятельном разряде.

Рассмотрим межэлектродное пространство, выделим в нем столб газа шириной dx, находящийся на расстоянии х от катода (рис. 2.3). Пусть под действием внешнего фактора (электрического поля) и внешнего ионизатора образуются путем электронного удара ионы и электроны. Будем считать, α - число пар ионов и электронов от действия одного электрона на единицу длины.

 

Рис. 2.3

Один электрон создает на промежутке dx α dx пар ионов и электронов. Рассчитаем возникновение ионов в рассмотренном пространстве с учетом однородности электрического поля.

 

.(2.12)

 

Учитывая граничные условия на катоде (х=0, n=n_0, c=n₀), получим число пар электронов обеспечивающих образование электронной лавины

 

(2.13)

 

Чем больше разность потенциалов между электродами, тем больше напряженность электрического поля. Кинетическая энергия электрона перед очередным столкновением пропорциональна напряженности поля и длине свободного пробега электрона:

 

(2.14)

 

Если кинетическая энергия электрона превосходит работу A_i, которую нужно совершить, чтобы ионизировать нейтральный атом (или молекулу), т.е. mv²>A_i, то при столкновении электрона с атомом (или молекулой) происходит его ионизация. В результате вместо одного электрона возникают два (налетающий на атом и вырванный из атома). Они, в свою очередь, получают энергию в поле и ионизуют встречные атомы и т.д. Вследствие этого число заряженных частиц быстро нарастает, возникает электронная лавина. Описанный процесс называют ионизациейэлектроннымударом.

Но одна ионизация электронным ударом не может обеспечить поддержания самостоятельного заряда. Действительно, ведь все возникающие таким образом электроны движутся по направлению к аноду и по достижении анода «выбывают из игры». Для поддержания разряда необходима эмиссия электронов с катода («эмиссия» означает «испускание»). Эмиссия электрона может быть обусловлена несколькими причинами.

Положительные ионы, образовавшиеся при столкновении 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 катода выбиваются электроны.

Кроме того, катод может испускать электроны при нагревании до большой температуры. Этот процесс называется термоэлектроннойэмиссией. Его можно рассматривать как испарение электронов из металла. Во многих твердых веществах термоэлектронная эмиссия происходит при температурах, при которых испарение самого вещества еще мало. Такие вещества и используются для изготовления катодов.

При самостоятельном разряде нагрев катода может происходить за счет бомбардировки его положительными ионами. Если энергия ионов не слишком велика, то выбивания электронов с катода не происходит и электроны испускаются вследствие термоэлектронной эмиссии.