Несамостоятельная и самостоятельная проводимость газов

Рассматривая токи в газах, для простот ы будем считать, что ток течет между двумя плоскими электродами, заряженными противоположно (рис.7.6). Цепь содержит источник напряжения, газовый промежуток, переменное сопротивление и приборы измерения (амперметр и вольтметр). Если на газовый промежуток воздействует какой-либо ионизатор, например ультрафиолето-вые лучи, падающие на орицательный электрод (катод), то из катода будут вырываться фотоэлектроны. В результате газ приобретает некоторую проводимость и в цепи появиться ток. Если уменьшать сопротивление R, то сила тока будет сначала увеличиваться, так как будет увеличиваться напряжение и уменьшаться пространственный заряд между электродами. При дальнейшем уменьшении сопротивления напряжение на электродах достигнет такого значения, при котором все образующиеся ионы достигают положительного электрода. Величина тока при данной интенсивности ионизатора не будет изменяться. Этот ток называют током насыщения i_s. При изменении интенсивности ионизатора может произойти изменение тока насыщения. Зависимость электрического тока от напряжения на электродах (вольтамперная характеристика) для данной ин тенсивности ионизатора представлена на рис. 7.7. Если в одном из режимов, изображенных ветвью характеристики Оа, прекратить действие ионизатора, то и ток в газовом промежутке прекратится. Такая проводимость газов, существующая только при действии внешнего ионизатора, получила название несамостоятельной проводимости.

В этом случае плотность электрического тока определяется выражением

. (7.21)

Первые два члена обусловлены движением ионов под действием электрического поля E, последние – диффузией ионов. Если подвижности газовых ионов b⁺ и b^-, заряды и концентрации положительных и отрицательных ионов по абсолютной величине одинаковы (e⁺=e^- = e; n⁺ = n^- = n), то диффузионного тока не будет. Тогда можно записать

. (7.22)

Пусть в единице объема газа ежесекундно образуется N пар новых ионов. Число ионов, рекомбинирующих за то же время во всем объеме S×l камеры, будет S×lan², где S – площадь электрода, а l – длина камеры. При наличии электрического тока убыль ионов будет происходить также за счет ухода их на электроды. Ежесекундно ток уносит на электроды пар ионов. Поэтому вместо уравнения баланса (7.16) , где N – число пар ионов, можно записать

. (7.23)

Для стационарных токов

, (7.24)

где j – плотность электрического тока;

l – длина камеры;

e – заряд электрона.

Из уравнения (7.24) в случае, когда плотность тока j настолько мала, что членом можно пренебречь по сравнению с an²,

(7.25)

Для плотности тока имеем

. (7.26)

Следовательно, в этом случае плотность тока j пропорциональна напряженности электрического поля. Такой случай имеет место при малых значениях E. Таким образом, в слабых электрических полях выполняется закон Ома.

При дальнейшем уменьшении сопротивления R ток через разрядный промежуток начинает сильно возрастать, даже при незначительном увеличении напряжения между электродами. Это соответствует участку кривой ab на рис. 7.7. Возрастание тока на этом участке вольтамперной характеристики показывает, что в газовом промежутке появляются новые ионы. Если еще уменьшать сопротивление R, то сила тока в цепи резко возрастает, и в газе появляются сильно выраженные световые и тепловые эффекты. В этом случае даже при прекращении действия ионизатора проводимость газа не исчезает. Это означает, что ионы, необходимые для поддержания электропроводности газа, создаются самим током, в результате процессов, происходящих в газе. Такая проводимость газов называется самостоятельной проводимостью.

Напряжение, при котором возникает самостоятельная проводимость газов, называется напряжением пробоя газового промежутка или напряжением зажигания газового разряда.

В зависимости от того какие процессы образования ионов в газе играют главную роль, наблюдаются различные формы или типы самостоятельных разрядов в газах: коронный, искровой, дуговой, тлеющий и другие разряды. Эти типы разрядов отличаются друг от друга как по свойствам, так и по внешнему виду.

Закон Пашена

До сих пор принималась во внимание только ионизация газа внешним ионизатором, но не учитывалась возможность ионизации при столкновениях ионов и электронов с нейтральными атомами и молекулами. Так можно поступать только в случае сравнительно слабых электрических полей, когда кинетическая энергия W_к = eEl, накопленная электроном (или ионом) на длине свободного пробега l, меньше энергии ионизации W_i, и, следовательно, при столкновениях с нейтральными частицами электроны лишь изменяют направление движения (упругое рассеяние).

В сильных электрических полях, когда W_к>W_i, столкновения электронов с нейтральными частицами могут сопровождаться ионизацией последних. Ионизация может происходить и тогда, когда eE<l> << W_i, где <l> – средняя длина свободного пробега электрона. Среди электронов могут оказаться такие электроны, у которых длина свободного пробега l > <l>. Для таких электронов будет выполняться условие W_к >W_i.

Если под влиянием внешнего ионизатора или вследствие какой-либо другой причины у катода появляется свободный электрон, то ускоренный электрическим полем он может ионизировать атом при столкновении с ним. Вместо одного электрона появятся два. После ускорения электрическим полем они ионизуют два атома, а число электронов увеличится до четырех и т.д. В результате (по мере продвижения к аноду) число электронов будет лавинообразно нарастать. Такой процесс называется электронной лавиной. Каждая ионизация атома сопровождается не только освобождением нового электрона, но и появлением положительного иона, который также может ионизовать газ.

Для количественной характеристики ионизующей способности электронов и ионов Таунсенд ввел два "коэффициента ионизации" a и b. Первый из них определяется как среднее число ионов одного знака, производимое электронами на единице длины своего пути. Такой же смысл имеет коэффициент b, характеризующий ионизующую способность положительных ионов. При этом a значительно превосходит b, что подтверждается экспериментально. Поэтому ионизация ударами электронов играет главную роль, по сравнению с которой ионизацией положительными ионами во многих случаях можно пренебречь.

Теория Таунсенда прохождения электрического тока через газ учитывает ударную ионизацию атомов и молекул газа электронами и положительными ионами. Рекомбинацией ионов и электронов в этой теории пренебрегают, предполагая, что за время прохождения между катодом и анодом частицы рекомбинировать не успевают. Кроме того, ограничиваются стационарным режимом, т.е. таким, при котором все величины, характеризующие разряд, не зависят от времени.

В этом случае полная плотность электрического тока j остается постоянной на всем протяжении от катода к аноду, как это должно быть для квазистационарных процессов:

, (7.27)

где – плотность тока электронов;

– плотность тока положительных ионов;

v_e, v_p – скорости движения электронов и положительных ионов;

e – заряд электрона.

Можно показать, что отношение зависит не от E и p в отдельности, а только от их отношения :

. (7.28)

Экспериментально справедливость полученного результата (7.28) для ряда газов была подтверждена Таунсендом. Более поздние исследования показали, что при давлениях, больших атмосферного, это соотношение удовлетворяется значительно хуже, чем для низких давлений, а при высоких давлениях перестает быть верным.

При этом максимальное значение a при заданной напряженности электрического поля E пропорционально этой напряженности. Опыт подтверждает эту зависимость.

Такие же выводы можно получить и для положительных ионов.

Оказывается, что разность потенциалов между электродами трубки, при которой начинается пробой газа, есть функция произведения давления газа p на расстояние между электродами:

. (7.29)

Если в нескольких разрядных трубках с плоскими электродами создать условия, при которых произведения (p×l) постоянны, то для всех трубок потребуется одна и та же разность потенциалов, чтобы вызвать газовый разряд. Закон был установлен экспериментально Пашеном еще до создания Таунсендом теории пробоя газа.

При высоких давлениях газа (порядка сотен атмосфер) наблюдаются отступления от закона Пашена.