Електричний струм у газах. Властивості газового розряду. Фізичні основи дії газорозрядних приладів. Струм в газах

Гази складаються з електрично нейтральних атомів і молекул і не мають вільних зарядів (електронів та іонів), які здатні під дією електричного поля рухатись впорядковано. Отже, при нормальних умовах гази є ізоляторами. Це підтверджують досліди із зарядженими ізольованими провід­никами в сухому повітрі: їх заряд майже не змінюється протягом тривалого часу. Газ стає провідником, якщо частина його молекул іонізується.

Іонізацією газу називається явище відривання електронів від молекул газу, що приводить до утворення в газі вільних
електронів та позитивних іонів і зумовлює його електропровідність.

Атоми і молекули газу – це стійкі системи заряджених частинок. Тому для іонізації атома або молекули треба виконати роботу проти сил взаємодії між елек­троном, що виривається, та іншими час­тинками атома. Цю роботу називають роботою іонізації . Величина роботи іонізації залежить від хімічної природи газу і енергетичного стану електрона в атомі або молекулі, з яких він виривається. Найслаб­ше зв’язані з ядром зовнішні (валентні) електрони атома. Через те, щоб вирвати валентний електрон з атома, треба виконати меншу роботу, ніж для виривання будь-якого іншого електрона. Після того як з атома вирвали один електрон, зміцнюється зв’язок з ядром інших електронів.

Роботу іонізації можна охарактеризувати за допомогою потенціалу іонізації.

Потенціалом іонізації називають ту різницю потенціалів, яку повинен пройти електрон у прискорювальному
електричному полі, щоб збільшення його енергії дорівнювало роботі іонізації:

.

Іонізація газу може відбуватись під впливом різних зовнішніх факторів:

1) сильного нагрівання газу,

2) рентгенівського проміння,

3) радіоактивного випромінювання ( , , - частинки),

4) ультрафіолетового випромінювання.

Іонізація газу під впливом рухомих електронів або іонів називається ударною іонізацією. Якщо кінетична енергія час­тинки мала, то її зіткнення з атомами газу нагадує пружний удар, і це приводить лише до нагрівання газу.

Якщо енергія частинки досить велика, то зіткнення з атомами стають непружними і викликають іонізацію атома (вибивання електрона). Частинка ніби про­никає в атом і вибиває з нього електрон.

Визначимо, яку мінімальну кінетич­ну енергію повинна мати іонізуюча час­тинка, щоб відбулася ударна іонізація газу.

Швидкість теплового руху молекул набагато менша за швидкість частинок, що іонізують газ. Тому можна вважати, що до удару атом не рухався. У випадку непружного зіткнення закон збереження імпульсу має вигляд:

,

де m і M - маси іонізуючої частинки і атома, - швидкість частинки, а u - швидкість частинки і атома після удару. Швидкість електрона, який вибитий з атома, наближено вважаємо також u.

Початкова кінетична енергія час­тинки витрачається при ударі на роботу іонізації і на те, щоб частинці і атому надати кінетичну енергію, яка відповідає їхній швидкості u після удару:

.

Із закону збереження імпульсу

.

Тоді

 

; .

Звідси

.

Частина вільних електронів в іонізованому газі захоплюється нейтральними молекулами, які при цьому перетворюються на негативно заряджені іони. Отже,
електропровідність іонізованого газу є мішаною: носіями електричного заряду в газах можуть бути вільні електрони та позитивні і негативні іони.

Переважно, при іонізації газів кількість додатних іонів дорівнює сумі елек­тронів і негативних іонів

.

Тому загалом навіть іонізований газ залишається електрично нейтральним. Ступінь іонізації визначається співвідношенням

.

де - концентрація нейтральних молекул

Ступінь іонізації газів залежить від температури, тиску (через концентрацію незаряджених частинок) та енергії іонізації і описується рівнянням Саха:

.

Носії заряду в іонізованому газі, як і нейтральні молекули, перебувають у неперервному хаотичному русі. При цьому відбуваються зіткнення між собою частинок, заряди яких мають протилежні знаки, та їх поєднання з утворенням нейтральних молекул газу. Цей процес називається рекомбінацією іонів.

Якщо іонізатор діє в газі тривалий час, то між процесами іонізації та ре­комбінації іонів встановлюється дина­мічна рівновага. Це означає, що кількість пар носіїв заряду, створюваних іонізатором в одиниці об’єму газу протягом однієї секунди, дорівнює кількості нейтральних молекул, які утворюються в цьому об’ємі за той самий час внаслідок рекомбінації іонів.

Рекомбінація іонів супроводжується виділенням енергії у вигляді квантів випромінювання відповідної довжини хвилі. Це випромінювання частково розсіюється та витрачається на збудження молекул газу. Отже, рекомбінаційні процеси, що відбуваються в іонізованому газі, супровод­жуються світінням газу.

Процес проходження електричного струму через газ називають газовим розрядом.

Несамостійним газовим розрядом називається електричний струм, що зумовлений електропровідністю газу, якої він набуває в наслідок неперервної дії іонізатора.

Несамостійний газовий розряд зникає відразу після припинення дії іонізатора, якщо швидкість електронів недостатня для іонізації газу.

Щоб дослідити залежність сили струму І при газовому розряді від напруги U між електродами, використаємо уста­новку, схема якої наведена на рис. 153. Напругу, яка прикладена до електродів A і K, можна регулювати за допомогою потен­ціометра.

Значення напруги U і сили струму I вимірюють за допомогою вольтметра V і чутливого гальванометра G. Газ в трубці іонізують за допомогою іонізатора, на­приклад, рентгенівським промінням. Ін­тенсивність іонізатора залишається незмін­ною. Вольт-амперна характеристика газового розряду показана на рис. 154.

 

На ділянці OA сила струму зростає пропорційно до напруги і, відповідно виконується закон Ома:

,

де - кількість пар іонів в одиниці об’є­му; , - рухливість позитивних і негативних іонів газу.

У несамостійному розряді поповнення іонів цілком залежить від потужності зовнішнього джерела іонізації, тому лише при невеликих напругах можна вважати, що кількість пар іонів в одиниці об’єму . При збільшенні напруги концентрація іонів зменшується і тому лінійна залежність сили струму від напруги порушується (ділянка AB). Із збільшенням наруги U сила струму зростає все повільніше.

Починаючи з деякого значення напруги , сила струму залишається незмінною, незважаючи на подальше зростання напруги (ВС). Це зв’язано з тим, що при напругах, більших за , швидкість іонів досягає великих значень, і всі іони, що виникли в газі, на шляху до електродів не встигають рекомбінувати в нейтральні молекули. Максимальна сила струму при даній інтенсивності іонізатора називається струмом насичення, причому , - кількість пар одновалентних іонів, що утворюються в об’ємі газу під дією іонізатора за одну секунду.

Для будь-якої точки кривої OC при вимкненні іонізатора струм негайно припиняється.

Підвищуючи напругу U між елек­тродами газорозрядної трубки, можна здійснити перехід від несамостійного газового розряду в самостійний. Цей перехід називають електричним пробоєм газу, а відповідну напругу - напругою запалювання, або напругою пробою. При напругах більших, за , струм значно зростає (ділянки CD і DE).

Самостійним газовим розрядом називається електричний розряд в газах, що зберігається з припиненням дії зовнішнього іонізатора.

Щоб утворився самостійний газовий розряд, треба, щоб внаслідок самого розряду в газі безперервно утворювались вільні електричні заряди. Основним джерелом для їх виникнення є ударна іонізація молекул газу. При досить великому значенні напруги електрони, які виникають під дією зовнішнього іонізатора, нас­тільки сильно прискорюються електричним полем, що, стикаючись з молекулами газу, іонізують, їх. При цьому утворюються вторинні електрони та іони, які також прискорюються електричним полем і вже самі іонізують нові молекули газу. У процесі іонізації беруть участь як електрони, так і додатні іони. Процес наростає лавиноподібно і він є причиною збільшення електричного струму (область СD).

Щоб розряд був самостійним, утворення тільки електронних та іонних лавин є необхідною, але недостатньою умовою. Необхідно також, щоб при вимкненому зовнішньому іонізаторі в газі відтворювались нові електрони замість тих, які перейшли на анод. Ці електрони вибиваються з поверхні катода позитивними іонами, які рухаються до катода під дією електричного поля. Явище вибивання електрона з поверхні катода називається вторинною
електронною емісією. Крім того, іони й електрони, енергія яких недостатня для ударної іонізації, можуть при зіткненнях з молекулами приводити їх у збуджений стан. Збуджені молекули переходять потім у нормальний стан, випромінюючи фотон. Молекула газу, поглинаючи фотон, іонізується. Така іонізація називається фотон­ною. Безпосередню фотоіонізацію здатне викликати ультрафіолетове випромінюван­ня. Енергія фотона видимого світла недос­татня для відщеплення електрона від молекули. Але видиме випромінювання може обумовити так звану ступеневу фотоіонізацію. Цей процес відбувається в два етапи. На першому етапі фотон переводить молекулу у збуджений стан, на другому – відбувається іонізація молекули за рахунок її співудару з іншою молекулою. Фотон, потрапляючи на катод, може вибивати з нього електрон (зовнішній фотоефект), який потім викличе ударну іонізацію нейтральної молекули. При великих напругах між електродами і позитивні іони набувають енергії, яка достатня для іонізації молекул газу, і до катода будуть рухатись іонні лавини. Коли виникають, крім елек­тронних лавин, ще й іонні, сила струму збільшується уже практично без зростання напруги U (ділянка ДЕ).

Напруга запалювання залежить від хімічної природи газу, матеріалу катода, тиску газу і віддалі між електродами трубки.