Виды разрядов в газах

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.

Дата добавления: 2017-02-01