1.2. Электропроводность газов

Газы состоят из электрически нейтральных атомов и молекул и в нормальных условиях являются изоляторами. Электропроводность газов возникает при их ионизации — отщеплении от атомов и молекул газов электронов. Атомы (молекулы) превращаются при этом в положительные ионы. Отрицательные ионы возникают в газах при соединении нейтральных атомов (молекул) со свободными электронами.

При ионизации атома (молекулы) совершается работа ионизации A_i против сил взаимодействия между вырываемым электроном и другими частицами атома (молекулы). А_i зависит от химической природы газа и энергетического состояния электрона в атоме (молекуле). A_i возрастает с увеличением кратности ионизации, т.е. числа электронов, вырванных из атома.

Потенциалом ионизации φ_i называется разность потенциалов, которую должен пройти электрон в ускоряющем электрическом поле для того, чтобы увеличение его кинетической энергии равнялось работе ионизации: φ_i = A_i/e, где е = 1,6 10^-19 Кл — абсолютная величина заряда электрона.

Ионизация газа происходит в результате внешних воздействий: сильного нагревания, воздействия рентгеновских лучей, радиоактивных излучений, при бомбардировке молекул (атомов) газа быстро движущимися электронами или ионами. Интенсивность ионизации измеряется числом пар противоположных по знаку заряженных частиц, возникающих в единице объема газа за единицу времени.

Ударная ионизация одноатомного газа электронами или ионами происходит при кинетической энергии ионизирующей частицы (массой m и скоростью ) равной

(1)

где А_i - работа ионизации, М - масса атома молекулы газа.

Для осуществления ударной ионизации одновалентные ионы должны пройти в ускоряющем поле большую разность потенциалов, чем электроны. Это справедливо для ионизации молекул, состоящих из любого числа атомов.

1.3. Несамостоятельный газовый разряд

Если электропроводность газа вызывается внешними ионизаторами, то процесс прохождения электрического тока через газ называется несамостоятельным газовым разрядом. Кривая зависимости силы тока при несамостоятельном газовом разряде от напряжения V между электродами изображена на рисунке 1. При небольших напряжениях плотность тока j в разряде пропорциональна напряженности поля Е:

j = еn₀(u₊ + u_-)Е, (2)

где u₊ и u_ - подвижности положительных и отрицательных ионов, n₀ - число пар электронов и одновалентных положительных ионов в единице объема. В интервале давлений р от 10^-4 до 10² атм u₊ и и_ обратно пропорциональны давлению газа. При дальнейшем увеличении напряженности поля Е концентрация ионов в разряде убывает и линейная зависимость силы тока от напряжения нарушается.

Рис.1.

Максимальная сила тока I, возможная при данной интенсивности ионизации, называется током насыщения. При этом все ионы, возникающие в газе, достигают электродов: I_н = eN₀, где N₀ - максимальное число пар электронов и одновалентных ионов, образующихся в 1 сек в газе под действием ионизатора.

1.4. Самостоятельный газовый разряд

Электрический разряд в газе, продолжающийся после прекращения действия внешнего ионизатора, называется самостоятельным газовым разрядом. Свободные электрические заряды, необходимые для поддержания такого разряда, возникают, главным образом, в результате ударной ионизации молекул газа под действием электронов (объемная ионизация) и выбивания электронов из катода при бомбардировке его положительными ионами (поверхностная ионизация). Ударную ионизацию молекул газа положительными ионами нужно учитывать только в случае достаточно сильных полей. Вырывание электронов из катода может также происходить вследствие его нагрева (термоэлектронная эмиссия) и внешнего фотоэффекта, связанного со свечением разряда (фотоэлектронная эмиссия).

Переход несамостоятельного газового разряда в самостоятельный называется электрическим пробоем газа и происходит при напряжении зажигания U_З (напряжение пробоя). Согласно приближенной теории Таунсенда условие зажигания самостоятельного разряда в газе между плоскими электродами имеет вид

γ(е^αd - 1) = 1, (3)

где d - расстояние между электродами, α - коэффициент объемной ионизации газа электронами, равный среднему значению количества актов ионизации, производимых одним электроном на пути единичной длины, γ — коэффициент поверхностной ионизации, равный среднему числу электронов, выбиваемых из катода одним положительным ионом. Для данного газа и материала катода

и , (4)

Рис.2. Рис.3.

где р - давление газа, U - напряжение между электродами. Таким образом, напряжение зажигания U_З зависит от произведения pd (закон Пашена). Характер этой зависимости показан на рисунке 2. С уменьшением потенциала ионизации и работы выхода электронов из катода, при прочих равных условиях, U_З уменьшается.