Электрический ток в газах

Газы при не слишком высо­ких температурах не проводят электрический ток. Это вызвано тем, что в газах отсутствуют носители заряда. Их можно соз­дать, оторвав у нейтральной газовой молекулы один или не­сколько электронов. Этот процесс носит название ионизации газа. В результате ионизации в газе образуются положительные ионы и электроны, которые при создании в газе электрического поля и становятся носителями заряда. В зависимости от спосо­бов ионизации газа различают самостоятельную (самостоятель­ный газовый разряд) и несамостоятельную (несамостоятельный газовый разряд) проводимость. При несамостоятельной газовой проводимости ионизация газа осуществляется за счет воздейст­вий, не связанных с электрическим полем. В этих случаях ио­низация может происходить под действием сильного нагрева, коротковолнового электромагнитного излучения, действия α, β и других частиц большой энергии. Одновременно с ионизацией в газе происходит процесс соединения электронов и ионов в нейтральную молекулу – рекомбинация. Вольт-амперная характеристика несамостоятельного газового разряда имеет вид, при­веденный на рис.119.

В области слабых полей вы­полняется закон Ома, затем на­блюдается участок насыщения. Прекращение роста силы тока происходит тогда, когда все но­сители заряда, созданные иониза­тором, уже участвуют в процессе

Рис. 119

переноса заряда. Дальнейший рост напряжения приводит к ла­винообразному росту силы тока. Механизм этого роста сле­дующий. Ускоренный электрическим полем электрон сталкива­ется с нейтральной газовой молекулой. Если электрон разогнан сильным полем, то энергии электрона хватает на выбивание электрона из молекулы. Этот процесс называют ударной иони­зацией. В результате ударной ионизации вместо одного элек­трона образуются два, вместо двух – четыре и т.д. Число носи­телей заряда резко увеличивается, сила тока возрастает.

Разряд, происходящий в газе после удаления внешнего ио­низатора, является самостоятельным. При самостоятельном разряде существуют механизмы, с помощью которых электри­ческое поле само поставляет электроны в газовый промежуток. Чаще всего механизм такой поставки электронов следующий. Ионы, образовавшиеся в результате ударной ионизации, уско­ряются полем к катоду. При ударе о катод ионы выбивают из него электроны (вторичная эмиссия). Эти электроны и поддер­живают затем процесс ударной ионизации и являются затра­вочными при размножении электронов. Другими механизмами, с помощью которых поле производит ионизацию газовых мо­лекул, могут быть автоэлектронная эмиссия и некоторые другие процессы.

Обычно различают четыре основных типа самостоятельно­го газового разряда: тлеющий, искровой, дуговой и коронный.

Тлеющий разряд возникает при низких давлениях. Пони­жение давления газа увеличивает длину свободного пробега электрона, из-за чего ударная ионизация начинается при не слишком сильных полях. Искровой разряд происходит при больших напряжениях электрического поля. Появление в силь­ном поле электрона сразу же вызывает ударную ионизацию газа вдоль направления электрического поля. Наряду с ударной ионизацией в канале искрового разряда происходят и более сложные процессы: фотонная ионизация и др. Дуговой разряд происходит при разогретых токами проводимости электродах за счет термоэлектронной эмиссии из катода. Коронный разряд происходит при атмосферном давлении в области сильного электрического поля, создающего автоэлектронную эмиссию. В естественных условиях корона возникает у верхушек мачт ко­раблей, электризующихся за счет трения о воздух. Коронный разряд в этих случаях называют огнями святого Эльма.

Сильноионизированный газ с практически одинаковой концентрацией положительных и отрицательных зарядов назы­вают плазмой. Различают высокотемпературную, возникаю­щую при весьма высоких температурах, и газоразрядную, воз­никающую при газовом разряде, плазму. Газоразрядная плазма используется в газонаполненных электронных лампах. Высоко­температурная плазма используется в магнитогидродинамических генераторах, непосредственно преобразующих тепловую энергию в электрическую. Завершаются попытки использова­ния высокотемпературной плазмы для осуществления управ­ляемого термоядерного синтеза.