В обычных условиях при отсутствии источников ионизации газ представляет собой хороший диэлектрик, так как концентрация носителей зарядов в нем весьма мала. Можно увеличить концентрацию носителей зарядов, ионизуя газ фотонами или заряженными частицами с энергией, достаточной для ионизации. Например, облучая газ кварцевой лампой, продуктами распада радиоактивных изотопов, или ускоренными электронами, испущенными разогретым катодом. Протекание тока по газу, обусловленное зарядами, образованными внешними источниками, называется несамостоятельным разрядом.

При достаточно большом напряжении $U$ между двумя электродами в газе может возникнуть самостоятельный разряд, поддержание которого не требует наличия внешних источников ионизации. Рассмотрим формирование электрического разряда в газе, находящемся между двумя электродами под разными потенциалами. В промежутке между электродами всегда имеется небольшое количество заряженных частиц, возникших из-за ионизации газа космическим излучением, ультрафиолетовой компонентой дневного света или по другим причинам.

Если в цепи, изображенной на рисунке поднимать напряжение на источнике, 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. Это показано на рисунке как фоновая ионизация (участок AB). При дальнейшем повышении напряжения в режиме насыщения ток практически не изменяется (участок BC). Очевидно, что если имеется внешний источник, дополнительно ионизирующий газ или вызывающий дополнительную эмиссию электронов с катода, то прямая BC сместится вправо. Режим насыщения используется в ионизационных камерах для измерения мощности источников ионизирующего излучения. Эти два режима несамостоятельного разряда характеризуются отсутствием газового усиления и малыми токами.

При дальнейшем 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 (участок CE на рисунке). Участок AE носит название темный разряд, поскольку газ при таких условиях почти не излучает. Так как на этом участке ВАХ через сопротивление R протекает очень малый ток, практически все напряжение источника питания приложено к разрядному промежутку. По достижении коэффициента газового усиления промежутка, равного единице, разряд становится самостоятельным и не требует для своего поддержания внешнего ионизатора. Вблизи точки E поле в промежутке начинает искажаться пространственным зарядом, вследствие чего разряд переходит в режим нестационарных пробоев промежутка (так называемый стримерный режим), проявляющийся в вольт-амперной характеристике на рисунке. гистерезисной петлей D-E-F-D и приводящий к переходу в самостоятельный разряд (участок EF). 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 (участок FG). Начиная с некоторого тока, напряжение на промежутке возрастает. Эту ветвь ВАХ называют аномальным тлеющим разрядом (участок GH). Переход от нормального к аномальному тлеющему разряду связан с перераспределением потенциала по длине газоразрядной трубки. В точке H напряжение снова падает и возникает сначала нетермический дуговой разряд (участок IJ), а затем — термический дуговой разряд (участок JK). Для нетермического дугового разряда ВАХ — спадающая. Он характеризуется относительно небольшой концентрацией заряженных частиц и, как следствие, отсутствием теплового равновесия между частицами газа и электронами, в отличие от термического разряда, где возникает равновесие.

Минимальная разность потенциалов, при которой происходит переход газового разряда в стадию самостоятельного, называется потенциалом зажигания $U_з$. Величина его 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.

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 тем, что во время горения самостоятельного разряда весьма велико количество свободных носителей заряда и фотонов, образовавшихся при разряде, так что их достаточно для поддержания самостоятельного разряда и при пониженном напряжении. Наличие заряженных частиц повышает проводимость промежутка и может привести к появлению пространственного заряда, что приводит к локальному повышению напряженности электрического поля.

При самостоятельном разряде одним из способов 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).

Помимо рассмотренных выше, известны такие нестационарные электрические разряды в газах, как искровой и коронный.

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