В обычном состоянии газы обладают низкой проводимостью, так как состоят из незаряженных частиц. Чтобы вызвать в газе электропроводность нужно создать и поддерживать в нем достаточную концентрацию заряженных частиц. Отрыв электрона от атома или молекулы (ионизация) требует передачи электрону определенной энергии. Величина энергии ионизации зависит от строения атома или молекулы. Для появления электропроводности достаточно появления отрицательных и положительных ионов (ионной диссоциации молекул). В результате столкновений положительно заряженных ионов с электронами или с отрицательно заряженными ионами возможна нейтрализация (рекомбинация) частиц ионизированного газа. При рекомбинации энергия может уноситься излучением фотонов. То есть для поддержания нужной концентрации заряженных частиц в газе требуется вкладывать в него энергию. Это может быть достигнуто как нагревом газа до высоких температур, так и воздействием ионизирующего излучения или протеканием тока через газ. В качестве ионизирующего излучения могут использоваться фотоны с энергией большей потенциала ионизации, например, ультрафиолетовое излучение или более коротковолновое. Ионизация происходит и от столкновений молекул газа с заряженными частицами если их кинетическая энергия больше потенциала ионизации.

Существует еще одна очень важная особенность проводимости газов. Концентрация заряженных частиц может изменяться в процессе разряда за счёт ионизации и рекомбинации и зависит от напряженности электрического поля.

В свою очередь, протекание тока в газе может изменять его свойства, такие как давление или температура. Более подробно эти явления рассмотрены в [1]¹⁾. Указанные причины приводят к тому, что газовые проводники, как правило, не подчиняются закону Ома.

Если в цепи, изображенной на рисунке подать напряжение на электроды источника, то часть заряженных частиц будет приходить на электроды и в цепи появится ток. По мере роста напряжения ток будет расти за счет увеличения сбора заряженных частиц электродами вплоть до того момента, когда на электроды будут собираться все заряженные частицы, рожденные в промежутке. При дальнейшем увеличении напряжения может произойти резкое нарастание тока – электрический пробой межэлектродного промежутка.

Основной причиной электрического пробоя в газовом промежутке является увеличение в нем количества заряженных частиц. Их источником может быть, например, эмиссия электронов с поверхности электродов, ионизация газа космическим излучением или искусственным ионизатором, молекулярные процессы. Эти первичные, «затравочные», электроны, дрейфуя в электрическом поле, при достаточной величине напряженности могут возбуждать и ионизовать атомы или молекулы среды, что приводит к лавинообразному размножению электронов и появлению в объеме ионов и фотонов. Ток в промежутке увеличивается. Образовавшиеся в промежутке ионы и фотоны достигают электродов, вызывая эмиссию вторичных электронов. Это может привести к развитию самостоятельного или несамостоятельного газового разряда. В развитии разряда определяющую роль играют электроны, так как они более легкие, по сравнению с ионами и, как будет показано далее, в электрическом поле способны более эффективно ионизовать газ. При малых напряжениях, недостаточных для зажигания самостоятельного разряда, ток в промежутке поддерживается только за счет внешних факторов (режим фоновой ионизации). Как только исчезают причины появления первичных электронов, ток прекращается. Такой разряд называется несамостоятельным.

При увеличении напряжения источника в промежутке возникает газовое усиление — увеличение количества свободных зарядов в промежутке за счёт того, что первичные электроны на своём пути к аноду в больших электрических полях приобретают энергию, достаточную для ударной ионизации нейтральных атомов, вызывая генерацию лавин. Ток в промежутке, обусловленный газовым усилением, возрастает с ростом напряжения, разряд по-прежнему остается несамостоятельным. Этот режим носит название темный разряд, поскольку газ при таких условиях почти не излучает. Через сопротивление R протекает очень малый ток ($I \leq 10^{-7}$ А), практически все напряжение источника питания приложено к разрядному промежутку. При дальнейшем увеличении напряжения и тока разряд становится самостоятельным и не требует для своего поддержания внешнего ионизатора. Поле в промежутке начинает искажаться пространственным зарядом, вследствие чего разряд переходит в режим нестационарных пробоев промежутка (так называемый стримерный режим), проявляющийся в вольтамперной характеристике гистерезисной петлей, и далее переходит в самостоятельный разряд. Ток в промежутке возрастает, сопротивление промежутка становится сравнимым с сопротивлением внешней цепи $R$, и напряжение на промежутке падает. Увеличение тока можно осуществить, либо поднимая напряжение источника, либо уменьшая сопротивление резистора. В результате возникает нормальный тлеющий разряд с почти постоянным напряжением в широком диапазоне токов ($10^{-4}$ — $10^{-2}$ А), изучаемый в настоящей работе.

Минимальная разность потенциалов, при которой происходит переход газового разряда в стадию самостоятельного, называется потенциалом зажигания $U_з.$ Его величина зависит от природы и давления газа, от материала, формы и состояния поверхности электродов, от расстояния между ними. Сильное влияние на величину потенциала зажигания оказывает наличие даже незначительных примесей к основному газу, заполняющему межэлектродный промежуток.

При самостоятельном тлеющем разряде основным способом ионизации атомов или молекул является ионизация электронным ударом. Она становится возможной тогда, когда электрон на длине свободного пробега приобретает кинетическую энергию, достаточную для совершения работы по отрыву электрона от атома или молекулы (эта величина называется потенциалом ионизации). Ионы с такой же кинетической энергией практически не ионизируют газ. Причину этого легко понять, используя квазиклассическую модель Бора для атома водорода. В ней атом рассматривается как состоящий из положительно заряженного ядра, вокруг которого по круговой орбите вращается электрон. Величина энергии, передаваемая налетающей заряженной частицей электрону атома, зависит от соотношения их скоростей. Эта энергия максимальна, когда скорость частицы близка к орбитальной скорости электрона (случай резонанса скоростей) и, соответственно, мала, когда эти скорости сильно отличаются. Для столь же эффективной ионизации ионом его энергия должна быть в $\frac{m_i}{m_e}$ раз больше, чем у электрона.

Для поддержания тлеющего разряда необходимо появление электронов в области катода. В случае холодного катода это обеспечивается поступлением вторичных электронов, выбиваемых ускоренными ионами разряда из поверхности катода (эффект вторичной ион–электронной эмиссии с коэффициентом вторичной эмиссии порядка единицы). Парадоксально, но энергии иона, недостаточной для ионизации газа, оказывается достаточно для выбивания электронов из катода. Далее эти электроны дрейфуют к аноду и ионизуют газ, создавая ионы и электронную лавину. Ток, текущий на анод в режиме тлеющего разряда, может быть описан формулой, выведенной Джоном Таунсендом в 1902 году: $$ I=I_0\frac{e^{\alpha d}}{1-\gamma (e^{\alpha d}-1)}, $$ где $I_0$ — начальный («затравочный») ток, $\alpha $ — коэффициент ионизации (число ионизаций, совершаемых электроном на пути в 1 см вдоль электрического поля), зависящий от приложенного электрического поля и концентрации газа в промежутке, $d$ — длина газового промежутка, $\gamma$ — коэффициент вторичной эмиссии электронов с катода.

При понижении давления в разрядном промежутке увеличивается длина свободного пробега электрона, и за время между столкновениями он успевает приобрести достаточную для ионизации энергию в электрическом поле с меньшей напряженностью. Тлеющий разряд может возникать при давлениях газа вплоть до атмосферного, однако подавляющее большинство исследований тлеющего разряда проведено при давлении от сотых долей до нескольких миллиметров ртутного столба. Явление самостоятельного разряда нашло широкое применение в технике: основным режимом работы различных тиратронов с холодным катодом, неоновых ламп, плазменных мониторов и других газоразрядных приборов является самостоятельный тлеющий разряд.

Снижая разность потенциалов между электродами, можно погасить установившийся самостоятельный разряд, причем потенциал гашения $U_г,$ при котором самостоятельный разряд прекращается, ниже $U_з,$ так что $\Delta U = U_з - U_г$ имеет величину порядка десяти вольт. Разница $\Delta U$ объясняется перераспределением потенциала в зазоре при разгорании разряда. Во время горения самостоятельного разряда весьма велико количество свободных носителей заряда, образующих газоразрядную плазму. Электрическое поле вытесняется электропроводящей плазмой, как металлом, в приэлектродные зазоры, приводя к локальному повышению напряженности электрического поля. В зазорах у электронов сразу набирается энергия бОльшая, чем было без плазмы, и коэффициент ионизации у них возрастает. Поэтому при снижении напряжения между электродами критическая для ионизации энергия электронов достигается при меньшем напряжении гашения, чем напряжение зажигания без свободных носителей заряда. Если приложить к газоразрядному промежутку переменное напряжение, то его типичная вольт–амперная характеристика (ВАХ) будет выглядеть, как показано на рисунке:

Назад к описанию лабораторных работ «Электрический ток в газах и жидкостях» или далее к описанию установки