Электропроводность газов

Газы при небольших напряженностях электрического поля

обладают исключительно малой проводимостью. Ток в газах может возникнуть только при наличии в них ионов или свободных электронов, которые могут появиться только в результате ионизации молекул. Ионизация молекул газа возникает по двум причинам: либо вследствие влияния каких-либо внешних факторов, либо вследствие соударений заряженных частиц (свободных электронов) газа с нейтральными молекулами. Ионизация нейтральных молекул газа при малых напряженностях электрического поля может возникнуть только под действием внешних факторов. Внешними факторами, вызывающими ионизацию газа, являются: рентгеновские или ультрафиолетовые лучи; радиоактивное излучение, а также термическое воздействие – сильный нагрев газа и др. Электропроводность газов, обусловленная воздействием внешних факторов, называется несамостоятельной.

Одновременно с процессом ионизации происходит и про-цесс рекомбинации, когда часть положительных ионов вновь соединяется с электронами и образует нейтральные молекулы. Наличие рекомбинации препятствует безграничному росту числа ионов в газе, и объясняет установление определенной концентрации ионов спустя короткое время после начала действия внешнего ионизатора. Предположим, что ионизированный газ находится между двумя плоскими параллельными электродами, к которым приложено электрическое напряжение. Под действием напряжения часть ионов будет перемещаться, и нейтрализоваться на электродах, т. е. в цепи возникнет электрический ток. Другая часть ионов исчезнет за счет рекомбинации. Из сказанного следует, что электропроводность газов имеет смешанный характер – ионный и электронный.

Наиболее распространенным газообразным диэлектриком является воздух. В качестве примера на рис. 17 показана зависимость тока в воздухе от напряжения. В начале кривой до напряжения U_H (напряжение насыщения) ток возрастает пропорционально напряжению, т.к. за счет несамостоятельной ионизации увеличивается концентрация зарядов (выполняется закона Ома).

Рис. 17. Зависимость тока в газе от напряжения (вольтамперная характеристика)

При U > U_H ток достигает насыщения и дальнейшее увеличение напряжения не вызывает увеличения тока в связи с тем, что явление рекомбинации ограничивает увеличение концентрации свободных зарядов. Ток насыщения зависит от интенсивности внешней ионизации. Реальное значение плотности тока насыщения в воздухе в нормальных условиях весьма мало и составляет примерно 10–15 А/м². Поэтому воздух при напряжениях U < U_KP можно рассматривать как идеальный диэлектрик.

При больших значениях напряженности электрического поля(при U>U_KP) возможна ударная ионизация нейтральных молекул за счет соударений заряженных частиц с молекулами газа.

Ударная ионизация возникает в тех случаях, когда кинетическая энергия заряженных частиц, движущихся под действием сильного электрического поля, достигает достаточно больших значений. Электропроводность газа, обусловленная ударной ионизацией, носит название самостоятельной. При возникновении самостоятельной проводимости ток вновь начинает увеличиваться с возрастанием напряжения вплоть до пробоя газового промежутка.