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 и появления отрицательных и положительных ионов (ионной диссоциации молекул). Но 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

• нагревом газа до высоких температур,
• воздействием ионизирующего излучения или
• протекание тока через газ.

В качестве ионизирующего излучения могут использоваться фотоны с энергией больше потенциала ионизации — ультрафиолетовое излучение и более коротковолновое. Также ионизация происходит при столкновении с газом заряженных частиц с кинетической энергией больше потенциала ионизации. Например, электрон с большой кинетической энергией, при соударении с нейтральным атомом выбивает из него один или несколько атомных электронов, в результате чего нейтральный атом превращается в положительно заряженный ион. Выбитые электроны при движении во внешнем электрическом поле могут сами давать вклад в электрический ток, а могут присоединиться к нейтральным атомам и вклад в электрический ток будут давать образовавшиеся отрицательные ионы.

При нагреве газа до больших температур (свыше десяти тысяч градусов) в газе появляются частицы (в соответствии с распределением Максвелла) имеющие кинетическую энергию достаточную, чтобы при столкновении произошла ионизация.

Во время движения заряженных частиц в электрическом поле происходит их ускорение, но одновременно они испытываю столкновения, в основном, с атомами газа. В результате заряженные частицы приобретают определенную среднюю скорость, которая пропорциональна электрическому полю и времени между столкновениями. $$v_{\pm} = b_{\pm} E , $$ где $b_{\pm}$ — подвижность заряженных частиц соответствующего знака заряда. Она равна средней скорости, приобретаемой заряженной частицей в электрическом поле единичной напряженности. Подвижность разного сорта ионов будет отличаться между собой и от подвижности электронов. Выражение $v_{\pm} = b_{\pm} E$ справедливо, если число столкновений достаточно велико, то есть длина свободного пробега заряженных частиц во много раз меньше расстояния между электродами. Это условие выполняется при давлении газа в несколько десятых мм рт. ст. В противоположном случае можно считать, что заряженные частицы движутся в вакууме с ускорением и влияние на них оказывает только объемный заряд ионов и поле между электродами.

Подвижность ионов определенного типа тем больше, чем меньше сила трения, испытываемая ими со стороны окружающих атомов или молекул. А сила трения пропорциональна частоте столкновений, которая пропорциональна давлению (концентрации частиц) газа. Поэтому в очень широком диапазоне давлений подвижность обратно пропорциональна давлению газа $p$. То есть: $$bp = const $$

Таблица 3.1

Значения подвижностей при комнатных условиях для некоторых газов приведены в таблице 3.1.

В газе, в отличие от металлов, заряженные частицы могут быть распределены неравномерно. Отличный от нуля градиент концентрации ионов приводит к потоку диффузии ионов с плотностью тока: $$ qD_i \frac{dn_i}{dx},$$ Где $D_i$ — коэффициент диффузии ионов, $q$ — заряд иона.

Плотность тока ионов обусловленная приложенным электрическим полем равна: $qn_i b_i E$. Плотность тока данных ионов будет равна: $$ - qD_i \frac{dn_i}{dx} + qn_i b_i E $$ Полная плотность тока равна сумме плотностей токов всех ионов, находящихся в газе.

Локальные концентрации положительных и отрицательных ионов в газе могут отличаться друг от друга, что приводит к появлению объемного заряда. Объемный заряд, в свою очередь, приводит к дополнительному электрическому полю.

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

В свою очередь, протекание тока по газу может изменять свойства газа, такие как давление или температура. Более подробно эти явления рассмотрены в /4/. Указанные причины приводят к тому, что газовые проводники, как правило, не подчиняются закону Ома.

Рассмотрим начальную стадию появления проводимости газа. Если газовый промежуток находится в электрическом поле с небольшой напряженностью, его проводимость близка к нулю. Появление конечной проводимости называется пробоем газового промежутка. Основной причиной электрического пробоя газового промежутка является появление в нем заряженных частиц. Их источником может быть, например, эмиссия электронов с поверхности электродов, ионизация газа космическим излучением или искусственным ионизатором, молекулярные процессы. Эти первичные электроны, дрейфуя в электрическом поле, при достаточной величине напряженности, могут возбуждать и ионизовать атомы или молекулы среды, что приводит к 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 частицы, способны быстрее набирать энергию в электрическом поле и ионизовать газ в промежутке.

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