Несамостоятельный разряд в газах.

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

Несамостоятельный разряд в газах.

Макеты страниц

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.

Источник: http://scask.ru/e_book_phis.php?id=93

Электрический ток в газах. Несамостоятельный и самостоятельный разряды — Класс!ная физика

Несамостоятельный разряд в газах.

«Физика — 10 класс»

Электрический разряд в газе.

Возьмём электрометр с присоединёнными к нему дисками плоского конденсатора и зарядим его (рис. 16.26, а). При комнатной температуре, если воздух достаточно сухой, конденсатор разряжается очень медленно.

Это показывает, что электрический ток, вызываемый разностью потенциалов в воздухе между дисками, очень мал. Следовательно, электрическая проводимость воздуха при комнатной температуре мала и воздух можно считать диэлектриком.

Теперь нагреем воздух между дисками горящей спичкой (рис. 16.26, б). Заметим, что стрелка электрометра быстро приближается к нулю, значит, конденсатор разряжается. Следовательно, нагретый газ является проводником и в нём устанавливается электрический ток.

Процесс прохождения электрического тока через газ называют газовым разрядом.

Ионизация газов.

При обычных условиях газы почти полностью состоят из нейтральных атомов или молекул и, следовательно, являются диэлектриками. Вследствие нагревания или воздействия излучением часть атомов ионизуется (рис. 16.27).

В газе могут образовываться и отрицательные ионы, которые появляются благодаря присоединению электронов к нейтральным атомам.

Процесс распада атомов и молекул на ионы и электроны называется ионизацией.

При комнатной температуре воздух является очень плохим проводником. При нагревании проводимость воздуха возрастает. Увеличение проводимости воздуха можно вызвать и иными способами, например действием излучений: ультрафиолетового, рентгеновского, радиоактивного и др.

Ионизация газов при нагревании объясняется тем, что по мере нагревания молекулы движутся всё быстрее и быстрее. При этом некоторые молекулы начинают двигаться так быстро, что часть из них при столкновениях распадается, превращаясь в ионы. Чем выше температура, тем больше образуется ионов.

Проводимость газов.

Механизм проводимости газов похож на механизм проводимости растворов и расплавов электролитов. Различие состоит в том, что отрицательный заряд переносится в основном не отрицательными ионами, как в водных растворах или расплавах электролитов, а электронами.

Таким образом, в газах сочетается электронная проводимость, подобная проводимости металлов, с ионной проводимостью, подобной проводимости водных растворов или расплавов электролитов. Есть ещё одно различие.

В растворах электролитов образование ионов происходит вследствие ослабления внутримолекулярных связей под действием молекул растворителя (молекул воды).

В газах образование ионов происходит либо при нагревании, либо за счёт действия внешних ионизаторов, например излучений.

Рекомбинация.

Если ионизатор перестанет действовать, то можно заметить, что заряженный электрометр снова будет сохранять заряд. Это показывает, что после прекращения действия ионизатора газ перестаёт быть проводником.

Ток прекращается после того, как все ионы и электроны достигнут электродов. Кроме того, при сближении электрона и положительно заряженного иона они могут вновь образовать нейтральный атом.

Схематически это изображено на рисунке (16.28).

Процесс образования из ионов и электронов нейтральных атомов и молекул называют рекомбинацией заряженных частиц.

В отсутствие внешнего поля заряженные частицы исчезают только вследствие рекомбинации, и газ становится диэлектриком. Если действие ионизатора не прерывается, то устанавливается динамическое равновесие, при котором среднее число вновь образующихся пар заряженных частиц равно среднему числу пар, исчезающих вследствие рекомбинации. Разряд в газе может происходить и без внешнего ионизатора.

Несамостоятельный разряд.

Для исследования разряда в газе при различных давлениях удобно использовать стеклянную трубку с двумя электродами (рис. 16.29).

Если действие ионизатора прекратить, то прекратится и разряд. Такой разряд называют несамостоятельным разрядом.

Пусть с помощью какого-либо ионизатора в газе образуется в секунду определённое число пар заряженных частиц: положительных ионов и электронов.

При небольшой разности потенциалов между электродами трубки положительно заряженные ионы перемещаются к отрицательному электроду, а электроны и отрицательно заряженные ионы — к положительному электроду. В результате в трубке возникает электрический ток, т. е. происходит газовый разряд.

Не все образующиеся ионы достигают электродов; часть их воссоединяется с электронами, образуя нейтральные молекулы газа. По мере увеличения разности потенциалов между электродами трубки доля заряженных частиц, достигающих электродов, увеличивается.

Возрастает и сила тока в цепи. Наконец наступает момент, при котором все заряженные частицы, образующиеся в газе за секунду, достигают за это время электродов. При этом дальнейшего роста силы тока не происходит (рис. 16.30).

Ток достигает насыщения.

Самостоятельный разряд.

Что будет происходить с разрядом в газе, если продолжать увеличивать разность потенциалов на электродах?

Казалось бы, сила тока и при дальнейшем увеличении разности потенциалов должна оставаться неизменной. Однако опыт показывает, что в газах при увеличении разности потенциалов между электродами, начиная с некоторого её значения, сила тока снова возрастает (рис. 16.31).

Это означает, что в газе появляются дополнительные ионы помимо тех, которые образуются за счёт действия ионизатора. Сила тока может возрасти в сотни и тысячи раз, а число ионов, возникающих в процессе разряда, может стать таким большим, что внешний ионизатор будет уже не нужен для поддержания разряда.

Если убрать внешний ионизатор, то разряд может не прекратиться.

Разряд, происходящий в газе без внешнего ионизатора, называется самостоятельным разрядом.

Ионизация электронным ударом.

Каковы же причины резкого увеличения силы тока в газе при больших напряжениях?

Рассмотрим какую-либо пару заряженных частиц (положительный ион и электрон), образовавшуюся благодаря действию внешнего ионизатора. Появившийся таким образом свободный электрон начинает двигаться к положительному электроду — аноду, а положительный ион — к катоду.

На своём пути электрон встречает ионы и нейтральные атомы. В промежутках между двумя последовательными столкновениями кинетическая энергия электрона увеличивается за счёт работы сил электрического поля.

Чем больше разность потенциалов между электродами, тем больше напряжённость электрического поля.

Кинетическая энергия электрона перед очередным столкновением пропорциональна напряжённости поля и длине l свободного пробега электрона (пути между двумя последовательными столкновениями):

Если кинетическая энергия электрона превышает работу Ai, которую нужно совершить, чтобы ионизовать нейтральный атом, т. е.

то при столкновении электрона с атомом происходит ионизация (рис. 16.32).

Процесс выбивания быстродвижущимся свободным электроном при соударении у нейтрального атома одного или нескольких электронов называют ионизацией электронным ударом.

В результате вместо одного свободного электрона образуются два (налетающий на атом и вырванный из атома).

Эти электроны, в свою очередь, получают энергию в поле и ионизуют встречные атомы и т. д. Число заряженных частиц резко возрастает, возникает электронная лавина.

Но одна ионизация электронным ударом не может обеспечить длительный самостоятельный разряд. Действительно, ведь все возникающие таким образом электроны движутся по направлению к аноду и по достижении анода «выбывают из игры».

Для существования разряда необходима эмиссия электронов с катода (напомним, что слово эмиссия означает «испускание»). Эмиссия электронов может быть обусловлена несколькими причинами.

Положительные ионы, образовавшиеся при столкновении свободных электронов с нейтральными атомами, при своём движении к катоду приобретают под действием поля большую кинетическую энергию. При ударах таких быстрых ионов о катод с поверхности последнего выбиваются электроны.

Кроме того, катод может испускать электроны при нагревании его до высокой температуры. При самостоятельном разряде нагрев катода может происходить за счёт бомбардировки его положительными ионами, что происходит, например, при дуговом разряде.

Итак, в газах при больших напряжённостях электрических полей электроны достигают таких больших энергий, что начинается ионизация электронным ударом. Разряд становится самостоятельным и продолжается без внешнего ионизатора.

В разреженном газе самостоятельный разряд возникает при сравнительно небольших напряжениях.

Благодаря малому давлению длина пробега электрона между двумя ударами велика, и он может приобрести энергию, достаточную для ионизации атомов. При таком разряде газ светится, цвет свечения зависит от рода газа.

Свечение, возникающее при тлеющем разряде, широко используется для рекламы, для освещения помещения лампами дневного света.

Источник: «Физика — 10 класс», 2014, учебник Мякишев, Буховцев, Сотский

Следующая страница «Плазма»
Назад в раздел «Физика — 10 класс, учебник Мякишев, Буховцев, Сотский»

Электрический ток в различных средах — Физика, учебник для 10 класса — Класс!ная физика

Электрическая проводимость различных веществ. Электронная проводимость металлов — Зависимость сопротивления проводника от температуры. Сверхпроводимость — Электрический ток в полупроводниках.

Собственная и примесная проводимости — Электрический ток через контакт полупроводников с разным типом проводимости. Транзисторы — Электрический ток в вакууме. Электронно-лучевая трубка — Электрический ток в жидкостях. Закон электролиза — Электрический ток в газах.

Несамостоятельный и самостоятельный разряды — Плазма — Примеры решения задач по теме «Электрический ток в различных средах»

Источник: http://class-fizika.ru/10_a156.html

§ 3.8. Несамостоятельный и самостоятельный разряды

Несамостоятельный разряд в газах.

  • Разряд в газе может происходить и без внешнего ионизатора. Разряд способен поддерживать сам себя. Почему это возможно?

Несамостоятельный разряд

Рассмотренный в предыдущем параграфе механизм прохождения электрического тока через газы при постоянном воздействии на газ внешнего ионизатора представляет собой несамостоятельный разряд, так как при прекращении действия ионизатора прекращается и ток в газе.

Исследуем зависимость силы тока от напряжения при несамостоятельном разряде в газе. Для этой цели удобно использовать стеклянную трубку с двумя впаянными в стекло металлическими электродами. Соберем цепь по схеме, изображенной на рисунке 3.15.

Рис. 3.15

Пусть с помощью какого-нибудь ионизатора, например за счет воздействия рентгеновских лучей, в газе образуется ежесекундно определенное число пар заряженных частиц: электронов и положительных ионов.

При отсутствии напряжения на электродах (U = 0) гальванометр, включенный в цепь (см. рис. 3.15), покажет нуль (I = 0). При небольшой разности потенциалов между электродами трубки положительно заряженные ионы начнут перемещаться к отрицательному электроду (катоду), а электроны и отрицательно заряженные ионы — к аноду, т. е. возникнет газовый разряд.

Однако вследствие рекомбинации не все образующиеся под действием ионизатора ионы доходят до электродов. Часть их, рекомбинируя, образует нейтральные молекулы.

По мере увеличения разности потенциалов между электродами трубки доля заряженных частиц, достигающих электродов, увеличивается, т. е. сила тока в цепи возрастает (рис. 3.16).

Объясняется это тем, что при большем напряжении между электродами ионы движутся с большей скоростью, поэтому им остается все меньше времени для воссоединения в нейтральные молекулы.

Рис. 3.16

Наконец, при некотором определенном напряжении наступает такой момент, при котором все заряженные частицы, образующиеся в газе ионизатором за секунду, достигают за это же время электродов. Дальнейшее увеличение напряжения уже не может привести к увеличению числа переносимых ионов. Ток, как говорят, достигает насыщения (рис. 3.16, горизонтальный участок графика).

Таким образом, вольт-амперная характеристика при несамостоятельном разряде в газах является нелинейной, т. е. закон Ома для газов выполняется только при малых напряжениях.

Самостоятельный разряд

Если после достижения насыщения продолжать увеличивать разность потенциалов между электродами, то сила тока при достаточно большом напряжении станет резко возрастать (рис. 3.17). Это означает, что в газе появляются дополнительные ионы сверх тех, которые образуются за счет действия ионизатора.

Сила тока может возрасти в сотни и тысячи раз, а число заряженных частиц, возникающих в процессе разряда, может стать таким большим, что внешний ионизатор будет уже не нужен для поддержания разряда. Поэтому ионизатор можно теперь убрать.

Поскольку разряд не нуждается для своего поддержания во внешнем ионизаторе, его называют самостоятельным разрядом.

Рис. 3.17

Ионизация электронным ударом

Какова же причина резкого увеличения числа заряженных частиц при больших напряжениях?

Электрон, ускоряясь электрическим полем, на своем пути к аноду сталкивается с ионами и нейтральными молекулами. В промежутках между двумя последовательными столкновениями энергия электрона увеличивается за счет работы сил электрического поля. 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 (пути между двумя последовательными столкновениями):

Если кинетическая энергия электрона превосходит работу Аi, которую нужно совершить, чтобы ионизовать нейтральный атом (или молекулу), т. е.

то при столкновении электрона с атомом (или молекулой) происходит его (ее) ионизация, называемая ионизацией электронным ударом.

В результате столкновения электрона с атомом (рис. 3.18) образуется еще один электрон и положительный ион. Таким образом, вместо одной заряженной частицы появляются три — ион и два электрона.

Эти электроны, в свою очередь, получают энергию в поле и ионизуют новые атомы и т. д. Вследствие этого число заряженных частиц очень быстро возрастает.

Описанный процесс имеет сходство с образованием снежной лавины в горах и поэтому получил название электронной (или ионной) лавины.

Рис. 3.18

Лавинообразное нарастание числа заряженных частиц в газе может начаться под действием сильного электрического поля, если в газе окажется хотя бы один электрон. Ионизатор в этом случае не нужен.

Так, например, в окружающем нас воздухе всегда имеется некоторое число ионов и электронов, возникающих под действием радиоактивных излучений земной коры, ультрафиолетового и рентгеновского излучений Солнца, а также других излучений, проникающих в земную атмосферу из космического пространства.

Обратим внимание на то, что роль электронов и ионов в образовании лавинного разряда в газах неодинакова. Основную роль в ударной ионизации играют свободные электроны.

Объяснить это можно так. Положительные ионы, так же как электроны, движутся в поле с одинаковой напряженностью, но длина свободного пробега электронов больше длины свободного пробега положительных ионов. Поэтому кинетическая энергия, приобретенная электроном, согласно формуле (3.8.1), больше кинетической энергии положительного иона.

Однако более существенным является то, что из-за одновременного выполнения законов сохранения энергии и импульса лишь часть кинетической энергии при ударе может превратиться во внутреннюю энергию.

Оказывается, что чем меньше масса ионизующей частицы по сравнению с массой молекулы, тем большая часть кинетической энергии этой частицы сможет превратиться во внутреннюю и израсходоваться на ионизацию.

Поясним это подробнее.

Пусть ионизующая частица, масса которой m, имела перед ударом о покоящуюся молекулу массой М скорость 1. Тогда кинетическая энергия этой частицы перед ударом равна:

Предположим для простоты, что скорости ионизующей частицы и молекулы после соударения примерно одинаковые. Тогда, согласно закону сохранения импульса,

где υ2 — скорость частицы и молекулы после удара.

Изменение внутренней энергии ΔU равно потере кинетической энергии:

Выразив υ2 из соотношения (3.8.3) и подставив в уравнение (3.8.4), получим:

Масса иона равна массе молекулы, следовательно, . Масса же электрона в несколько тысяч раз меньше массы молекулы. Поэтому в выражении (3.8.5) отношение и ΔU = Wk1.

Таким образом, кинетическая энергия при соударении электрона с молекулой почти полностью может превратиться во внутреннюю, а при соударении иона с молекулой — наполовину.

Итак, даже при одинаковой кинетической энергии электрон в качестве ионизатора оказывается эффективнее иона.

Но ионизация только электронным ударом не может обеспечить длительный самостоятельный разряд. 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 электронов 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.

Термоэлектронная эмиссия

Катод может испускать электроны при нагревании до высокой температуры. Этот процесс называется термоэлектронной эмиссией. 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 используют 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.

В газах при больших напряженностях электрических полей электроны достигают таких больших энергий, что начинается ионизация электронным ударом. Разряд становится самостоят,ельным и продолжается без внешнего ионизатора.

Источник: http://tepka.ru/fizika_10-11/55.html

Несамостоятельный разряд

Несамостоятельный разряд в газах.

Рассмотренныйвыше механизм прохождения электрическоготока через газы при постоянном воздействиина газ внешнего ионизатора представляетсобой несамостоятельный разряд, таккак при прекращении действия ионизаторапрекращается и ток в газе.

  • Несамостоятельный разряд — это разряд, который зависит от наличия ионизатора.

Исследуемзависимость силы тока от напряженияпри несамостоятельном разряде в газе.Для этой цели удобно использоватьстеклянную трубку с двумя впаянными встекло металлическими электродами.Соберем цепь по схеме, изображенной нарисунке 2.

Рис.2

Пустьс помощью какого-нибудь ионизатора,например за счет воздействия рентгеновскихлучей, в газе образуется ежесекундноопределенное число пар заряженныхчастиц: электронов и положительныхионов.

Приотсутствии напряжения на электродах(U =0) гальванометр, включенный в цепь (см.рис. 2), покажет нуль (I =0). При небольшой разности потенциаловмежду электродами трубки положительнозаряженные ионы начнут перемещаться котрицательному электроду (катоду), аэлектроны и отрицательно заряженныеионы — к аноду, т. е. возникнет газовыйразряд.

Однаковследствие рекомбинации не всеобразующиеся под действием ионизатораионы доходят до электродов. Часть их,рекомбинируя, образует нейтральныемолекулы.

По мере увеличения разностипотенциалов между электродами трубкидоля заряженных частиц, достигающихэлектродов, увеличивается, т. е. силатока в цепи возрастает (рис. 3).

Объясняетсяэто тем, что при большем напряжениимежду электродами ионы движутся сбольшей скоростью, поэтому им остаетсявсе меньше времени для воссоединенияв нейтральные молекулы.

Рис.3

Наконец,при некотором определенном напряжениинаступает такой момент, при котором всезаряженные частицы, образующиеся в газеионизатором за секунду, достигают заэто же время электродов. Дальнейшееувеличение напряжения уже не можетпривести к увеличению числа переносимыхионов. Ток, как говорят, достигаетнасыщения (см. рис. 3, горизонтальныйучасток графика).

Такимобразом, вольт-амперная характеристикапри несамостоятельном разряде в газахявляется нелинейной, т. е. закон Ома длягазов выполняется только при малыхнапряжениях.

Несамостоятельный газовый разряд

Несамостоятельный разряд в газах.

      Несамостоятельным газовым разрядом называется такой разряд, который, возникнув при наличии электрического поля, может существовать только под действием внешнего ионизатора.

      Рассмотрим физические процессы, имеющие место при несамостоятельном газовом разряде. Введем ряд обозначений: обозначим через  число молекул газа в исследуемом объеме V.

Концентрация молекул  Часть молекул ионизирована.

Обозначим число ионов одного знака через N; их концентрация   Далее, обозначим через ∆ni – число пар ионов, возникающих под действием ионизатора за одну секунду в единице объема газа.

      Наряду с процессом ионизации в газе происходит рекомбинация ионов. Вероятность встречи двух ионов разных знаков пропорциональна как числу положительных, так и числу отрицательных ионов, а эти числа, в свою очередь, равны n. Следовательно, число пар ионов, рекомбинирующих за секунду в единице объема, пропорционально n2:

(8.2.1)

      где r – коэффициент рекомбинации.

      В состоянии равновесия число возникающих ионов в единице объема равно числу рекомбинирующих:

.(8.2.2)

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

.(8.2.3)

      Схема эксперимента с газоразрядной трубкой изображена на       рисунке 8.1.

Рис. 8.1

      Проанализируем далее действие электрического поля на процессы в ионизованных газах. Подадим постоянное напряжение на электроды.

Положительные ионы будут направляться к отрицательному электроду, а отрицательные заряды – к положительному электроду. Таким образом, часть носителей из газоразрядного промежутка будет уходить к электродам (в цепи возникнет электрический ток).

Пусть из единицы объема уходит ежесекундно ∆nj пар ионов. Теперь условие равновесия можно представить в виде

(8.2.4)

      1. Рассмотрим случай слабого поля:  В цепи будет протекать слабый ток. Плотность тока по величине пропорциональна концентрации носителей n, заряду q, переносимому каждым носителем и скорости направленного движения положительных и отрицательных ионов  и :

.(8.2.5)

      Скорость направленного движения ионов выражается через подвижность  и напряженность  электрического поля:

.(8.2.6)

      Подвижностьфизическая величина, численно равная скорости направленного движения ионов в газе под действием поля с напряженностью 1 В/м.

На основании (8.2.6) для плотности тока имеем:

(8.2.7)

      В слабом поле () равновесная концентрация равна:.

      Подставим это выражение в (8.2.7):

(8.2.8)

      В последнем выражении множитель при  не зависит от напряженности. Обозначив его через σ, мы получим закон Ома в дифференциальной форме:

(8.2.9)

      где  – удельная электропроводность.

      Вывод: в случае слабых электрических полей ток при несамостоятельном разряде подчиняется закону Ома.

      2. Рассмотрим сильное поле. В этом случае  и  т. е. все генерируемые ионы уходят из газоразрядного промежутка под действием электрического поля. Это объясняется тем, что за время, требующееся иону, чтобы пролететь в сильном поле  от одного электрода к другому, ионы не успевают сколько-нибудь заметно рекомбинировать.

Поэтому все ионы, производимые ионизатором, участвуют в создании тока и уходят на электроды. А так как число, генерируемых ионизатором ионов в единицу времени ∆ni, не зависит от напряженности поля, то плотность тока будет определяться только величиной ∆ni и не будет зависеть от .

Другими словами, с дальнейшим увеличением приложенного напряжения ток перестает расти и остается постоянным.

      Максимальное значение тока, при котором все образующиеся ионы уходят к электродам, носит название тока насыщения.

      Дальнейшее увеличение напряженности поля ведет к образованию лавины электронов, когда возникшие под действием ионизатора электроны приобретают на длине свободного пробега (от столкновения до столкновения) энергию, достаточную для ионизации молекул газа (ударная ионизация). Возникшие при этом вторичные электроны, разогнавшись, в свою очередь, производят ионизацию и т. д. – происходит лавинообразное размножение первичных ионов и электронов, созданных внешним ионизатором и усиление разрядного тока.

На рисунке 8.2 изображен процесс образования лавины.

Рис. 8.2

Полученные результаты можно изобразить графически (рис. 8.3) в виде вольтамперной характеристики несамостоятельного газового разряда.

Рис. 8.3

      Вывод: для несамостоятельного разряда при малых плотностях тока, т.е.

когда основную роль в исчезновении зарядов из газоразрядного промежутка играет процесс рекомбинации, имеет место закон Ома (); при больших полях () закон Ома не выполняется – наступает явление насыщения, а при полях превышающих  – возникает лавина зарядов, обуславливающая значительное увеличение плотности тока.

Источник: http://ens.tpu.ru/POSOBIE_FIS_KUSN/%D0%AD%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%BE%D1%81%D1%82%D0%B0%D1%82%D0%B8%D0%BA%D0%B0.%20%D0%9F%D0%BE%D1%81%D1%82%D0%BE%D1%8F%D0%BD%D0%BD%D1%8B%D0%B9%20%D1%82%D0%BE%D0%BA/08-2.htm

Biz-books
Добавить комментарий