Электропроводность газов

В газовой среде при нормальных условиях практически отсутствуют свободные заряды и она не проводит электрический ток, её молекулы нейтральны. Прохождение тока через газы возможно при ионизации последних, например, рентгеновским излучением. При этом процесс называется газовым разрядом, проводимость – несамостоятельной. Сила тока I зависит от напряжения между разноимённо заряженными электродами (рис. 19.4). В начале она растёт линейно. На этом участке плотность тока определяется формулой:

, (3.8.8)

где q – элементарный заряд, n_o – концентрация пар ионов; u₊ и u подвижности ионов – скорости ионов при напряжённости, равной единице соответственно; E – напряжённость электрического поля между электродами.

I

Рис.19.4

Здесь коэффициент при Е, равный γ = qn_o(u₊ + u_-), - величина постоянная. Значит, уравнение (3.8.8) представляет собою закон Ома, т.е:

= γ E,

где γ – удельная проводимость газов. С дальнейшим ростом U рост тока I замедляется. По достижении напряжением значения u _н наступает насыщение тока. Это означает, что все N_o пар ионов, образующиеся под внешним воздействием за единицу времени, достигают электродов. Поэтому ток насыщения

I_н = qN_o, (3.8.9)

т.е. его величина зависит от интенсивности ионизации – N_o. Следовательно, несамостоятельный газовый разряд гаснет с прекращением действия ионизатора.

Если этого не происходит, т.е. газовый разряд продолжается и после отключения источника внешнего воздействия на газовую среду, то процесс называется самостоятельным газовым разрядом. Это можно объяснить тем, что с поверхности отрицательно заряженного электрода – катода К (рис. 19.5) вылетают отдельные электроны. При сильных электрических полях между электродами они приобретают большую скорость и оказываются способными произвести ионизацию атомов газа. Оторванный от атома электрон вместе с первоначальным электроном устремляются к электроду А (аноду), ускоряются и производят вторичную ионизацию. Возникшие при этом электроны также ускоряются и т.д. То есть число электронов возрастает лавинообразно.

Рис.19.5

Обратимся к рисунку 19.5. Пусть число вылетающих с поверхности электрода К электронов N_o. Число электронов, долетающих до слоя dx, находящегося от К на расстоянии X достигает N>N_o. Тогда число электронов в слое dx

dN = αN dx, (3.8.10)

где α – коэффициент пропорциональности. После разделения переменных и интегрирования, получим:

ℓn N = α X + C, (3.8.11)

где С – постоянная интегрирования, определяемая из начальных условий. В данном случае при X=0, N=N_o. Следовательно С = ℓn N_o и из (3.8.11) после потенцирования имеем:

. (3.8.12)

Если расстояние между электродами ℓ, то

, (3.8.13)

т.е. такое число электронов достигают анода. Соответствующая сила тока

, (3.8.14)

где q – заряд электрона. С учётом того, что, согласно формуле (3.8.9), qN_o=I_н – ток насыщения, выражение (3.8.14) можно переписать так:

I = I_н e^{α ℓ}. (3.8.15)

Из (3.8.15) видно, что ток при самостоятельном газовом разряде возрастает в e^{α ℓ} раз. Ток возрастает в десятки тысяч раз и он поддерживается электронами самой газовой среды, образующихся при ударной ионизации. В результате газ может достичь такой высокой степени ионизации, что в его элементарном объёме суммарный заряд электронов окажется равным суммарному заряду положительных ионов. Такой газ называется газоразрядной плазмой.

Приведённые несамостоятельный и самостоятельный разряды находят широкое практическое применение. Они, например, положены в основу устройства различных осветительных и измерительных приборов.

Литература:

Осн. 2 [98-113], 7 [205-225], 8 [180-203].

Доп. 22 [108-127].

Контрольные вопросы:

1. Что понимают под сторонними силами и какова их роль в цепи постоянного тока?

2. Поясните физический смысл электродвижущей силы, напряжения и разности потенциалов на участке электрической цепи.

3. На чем основаны правила Кирхгофа?

Лекция № 7.

Дата добавления: 2014-01-06