Механізм електропровідності газів, несамостійний газовий розряд, самостійний газовий розряд
Механізм провідності газів схожий на механізм провідності розчинів і розплавів електролітів. При відсутності зовнішнього поля заряджені частинки, як і нейтральні молекули рухаються хаотично. Якщо іони і вільні електрони виявляються в зовнішньому електричному полі, то вони приходять в спрямований рух і створюють електричний струм в газах.
Таким чином, електричний струм в газі Це спрямоване рух позитивних іонів до катода, а негативно заряджених іонів і електронів до анода. Повний струм в газі складається з двох потоків заряджених частинок: потоку, що йде до анода, і потоку, спрямованого до катода.
На електродах відбувається нейтралізація заряджених частинок, як і при проходженні електричного струму через розчини і розплави електролітів. Однак в газах відсутнє виділення речовин на електродах, як це має місце в розчинах електролітів. Газові іони, підійшовши до електродів, віддають їм свої заряди, перетворюються в нейтральні молекули і дифундують назад в газ.
Ще одна відмінність в електропровідності іонізованих газів і розчинів (розплавів) електролітів полягає в тому, що негативний заряд при проходженні струму через гази переноситься в основному не негативними іонами, а електронами, хоча провідність за рахунок негативних іонів також може відігравати певну роль.
Таким чином в газах поєднується електронна провідність, подібна провідності металів, з іонною провідністю, подібною провідності водних розчинів і розплавів електролітів.
Процес проходження електричного струму через газ називається газовим розрядом. Якщо електропровідність газу створюється зовнішніми ионизаторами, то електричний струм, що виникає в ньому, називається несамостійним газовим розрядом. З припиненням дії зовнішніх іонізаторів несамостійний розряд припиняється. Несамостійний газовий розряд не супроводжується світінням газу.
Нижче зображено графік залежності сили струму від напруги при несамостійному розряді в газі. Для побудови графіка використовувалась скляна трубка з двома упаяними в скло металевими електродами. Ланцюг зібрана як показано на малюнку нижче.
При деякому певному напруженні настає такий момент, при якому всі заряджені частинки, що утворюються в газі іонізатором за секунду, досягають за цей же час електродів. Подальше збільшення напруги вже не може привести до збільшення числа переносяться іонів. Струм досягає насичення (горизонтальну ділянку графіка 1).
Електричний розряд в газі, що зберігається після припинення дії зовнішнього іонізатора, називається самостійним газовим розрядом. Для його здійснення необхідно, щоб в результаті самого розряду в газі безперервно утворювалися вільні заряди. Основним джерелом їх виникнення є ударна іонізація молекул газу.
Якщо після досягнення насичення продовжувати збільшувати різницю потенціалів між електродами, то сила струму при досить великій напрузі стане різко зростати (графік 2).
Це означає, що в газі з'являються додаткові іони, які утворюються за рахунок дії іонізатора. Сила струму може зрости в сотні і тисячі разів, а число заряджених частинок, що виникають в процесі розряду, може стати таким великим, що зовнішній іонізатор буде вже не потрібен для підтримки розряду. Тому іонізатор тепер можна прибрати.
Які ж причини різкого збільшення сили струму при великій напрузі? Розглянемо якусь пару заряджених частинок (позитивний іон і електрон), що утворилася завдяки дії зовнішнього іонізатора. З'явився таким чином вільний електрон починає рухатися до позитивного електрода - анода, а позитивний іон - до катода. На своєму шляху електрон зустрічає іони і нейтральні атоми. У проміжках між двома послідовними зіткненнями енергія електрона збільшується за рахунок роботи сил електричного поля.
Чим більше різниця потенціалів між електродами, тим більше напруженість електричного поля. Кінетична енергія електрона перед черговим зіткненням пропорційна напруженості поля і довжині вільного пробігу електрона: MV 2/2 = eEl. Якщо кінетична енергія електрона перевершує роботу Ai. яку потрібно зробити, щоб іонізувати нейтральний атом (або молекулу), тобто MV 2> Ai. то при зіткненні електрона з атомом (або молекулою) відбувається його іонізація. В результаті замість одного електрона виникають два (налетающий на атом і вирваний з атома). Вони, в свою чергу, отримують енергію в поле і іонізують зустрічні атоми і т.д. Внаслідок цього число заряджених частинок швидко наростає, виникає електронна лавина. Описаний процес називають іонізацією електронним ударом.
Але одна іонізація електронним ударом не може забезпечити підтримання самостійного заряду. Дійсно, адже всі виникаючі таким чином електрони рухаються у напрямку до анода і після досягнення анода «вибувають з гри». Для підтримки розряду необхідна емісія електронів з катода ( «емісія» означає «випускання»). Емісія електрона може бути обумовлена декількома причинами.
Позитивні іони, що утворилися при зіткненні електронів з нейтральними атомами, при своєму русі до катода набувають під дією поля велику кінетичну енергію. При ударах таких швидких іонів про катод з поверхні катода вибиваються електрони.
Крім того, катод може випускати електрони при нагріванні до високої температури. Цей процес називається термоелектронної емісією. Його можна розглядати як випаровування електронів з металу. У багатьох твердих речовинах термоелектронна емісія відбувається при температурах, при яких випаровування самого речовини ще мало. Такі речовини і використовуються для виготовлення катодів.
При самостійному розряді нагрівання катода може відбуватися за рахунок бомбардування його позитивними іонами. Якщо енергія іонів не дуже велика, то вибивання електронів з катода не відбувається і електрони випускаються внаслідок термоелектронної емісії.