Курс физики для вузов - часть 49

ряд долго остается неизменным. Это
объясняется тем, что газы при обычных
условиях состоят из нейтральных ато-

мов и молекул и не содержат свободных

зарядов (электронов и ионов). Газ ста-

новится проводником электричества,
когда некоторая часть его молекул иони-

зуется, т.е. произойдет расщепление

нейтральных атомов и молекул на ионы
и свободные электроны. Для этого газ
надо подвергнуть действию какого-либо

ионизатора (например, поднеся к заря-
женному электрометру пламя свечи, на-
блюдаем спад его заряда; здесь электро-
проводность газа вызвана нагреванием).

Таким образом, при ионизации газов

под действием какого-либо ионизатора
происходит вырывание из электронной
оболочки атома или молекулы одного
или нескольких электронов, что приво-

дит к образованию свободных электро-
нов и положительных ионов. Электро-
ны могут присоединяться к нейтраль-
ным молекулам и атомам, превращая их
в отрицательные ионы. Следовательно,
в ионизованном газе имеются положи-
тельные и отрицательные ионы и сво-
бодные электроны. Прохождение элек-
трического тока через газы называется
газовым разрядом.

Ионизация газов может происхо-

дить под действием различных иониза-
торов: сильный нагрев (столкновения

быстрых молекул становятся настоль-
ко сильными, что они разбиваются на
ионы), коротковолновое электромаг-
нитное излучение (ультрафиолетовое,

рентгеновское и

 корпус-

кулярное излучение (потоки электро-
нов, протонов,

 и т. д. Для того

чтобы выбить из молекулы (атома)
один электрон, необходимо затратить
определенную энергию, называемую

энергией ионизации, значения которой
для атомов различных веществ лежат в
пределах 4 —25 эВ.

Одновременно с процессом иониза-

ции газа всегда идет и обратный про-
цесс — процесс рекомбинации: поло-
жительные и отрицательные ионы, по-
ложительные ионы и электроны, встре-
чаясь, воссоединяются между собой с
образованием нейтральных атомов и
молекул. Чем больше ионов возникает
под действием ионизатора, тем интен-
сивнее идет и процесс рекомбинации.

Строго говоря, проводимость газа

никогда не равна нулю, так как в нем
всегда имеются свободные заряды, об-
разующиеся в результате действия на
газы излучения радиоактивных веществ,
имеющихся на поверхности Земли, а
также космического излучения. Эта

незначительная проводимость воздуха
(интенсивность ионизации под дей-
ствием указанных факторов невелика)

служит причиной утечки зарядов на-
электризованных тел даже при хорошей

Характер газового разряда опреде-

ляется составом газа, его температурой
и давлением, размерами, конфигура-
цией и материалом электродов, при-
ложенным напряжением, плотностью
тока.

Рассмотрим цепь, содержащую газо-

вый промежуток (рис. 158), подверга-
ющийся непрерывному, постоянному
по интенсивности воздействию иониза-
тора. В результате действия ионизато-
ра газ приобретает некоторую проводи-
мость и в цепи потечет ток, зависимость

Рис. 158

195

Рис. 159

которого от приложенного напряжения
приведена на рис. 159.

На участке кривой  А сила тока воз-

растает пропорционально напряжению,
т. е. выполняется закон Ома. При даль-
нейшем увеличении напряжения закон

Ома нарушается: рост силы тока замед-

ляется (участок АВ) и наконец прекра-

щается совсем (участок ВС). Это дос-
тигается в том случае, когда ионы и
электроны, создаваемые внешним иони-

затором за единицу времени, за это же
время достигают электродов. В резуль-
тате получаем ток насыщения

 зна-

чение которого определяется мощнос-
тью ионизатора. Ток насыщения, таким

образом, является мерой ионизирующе-
го действия ионизатора. Если в режиме
О С прекратить действие ионизатора, то
прекращается и разряд.

 суще-

ствующие только под действием вне-
шних ионизаторов, называются несамо-
стоятельными. При дальнейшем уве-
личении напряжения между электрода-
ми

 тока вначале медленно (участок

CD), а затем резко (участок DE) возрас-

тает. Механизм этого явления будет рас-
смотрен в следующем параграфе.

§ 107. Самостоятельный

газовый разряд и его типы

Разряд в газе, сохраняющийся пос-

ле прекращения действия внешнего
ионизатора, называется самостоя-
тельным.

Рассмотрим условия возникновения

самостоятельного разряда. Как уже ука-
зывалось в § 106, при больших напря-
жениях между электродами газового
промежутка (см. рис. 158) ток сильно
возрастает (участки CD и DE на рис.

159). При больших напряжениях возни-

кающие под действием внешнего иони-
затора электроны, сильно ускоренные
электрическим полем, сталкиваясь с
нейтральными молекулами газа, иони-
зируют их, в результате чего образуют-
ся вторичные электроны и положитель-
ные ионы (процесс 1 на рис. 160). По-
ложительные ионы движутся к катоду,
а электроны — к аноду. Вторичные
электроны вновь ионизируют молеку-
лы газа, и, следовательно, общее коли-
чество электронов и ионов будет возра-
стать по мере продвижения электронов
к аноду лавинообразно. Это является
причиной увеличения электрического
тока на участке CD (см. рис. 159). Опи-

санный процесс называется ударной
ионизацией.

Однако ударная ионизация под дей-

ствием электронов недостаточна для
поддержания разряда при удалении
внешнего ионизатора. Для этого необ-
ходимо, чтобы электронные лавины

«воспроизводились», т.е. чтобы в газе

под действием каких-то процессов воз-
никали новые электроны. Такие процес-
сы схематически показаны на рис. 160:

Рис. 160

196

1) ускоренные полем положительные

ионы, ударяясь о катод, выбивают из
него электроны (процесс 2); 2) положи-
тельные ионы, сталкиваясь с молекула-

ми газа, переводят их в возбужденное
состояние; переход таких молекул в
нормальное состояние сопровождается
испусканием фотона (процесс 3); 3) фо-
тон, поглощенный нейтральной моле-
кулой, ионизирует ее, происходит так

называемый процесс фотонной иониза-
ции молекул (процесс 4); 4) выбивание
электронов из катода под действием
фотонов (процесс 5).

Наконец, при значительных напря-

жениях между электродами газового
промежутка наступает момент, когда
положительные ионы, обладающие
меньшей длиной свободного пробега,
чем электроны, приобретают энергию,

достаточную для ионизации молекул
газа (процесс 6), и к отрицательной пла-
стине устремляются ионные лавины.

Когда возникают кроме электронных

лавин еще и ионные, сила тока растет

уже практически без увеличения напря-
жения (участок DE на рис. 159).

В результате описанных процессов

(1 — 6) число ионов и электронов в

объеме газа лавинообразно возрастает
и разряд становится самостоятельным,
т.е. сохраняется после прекращения
действия внешнего ионизатора. Напря-
жение, при котором возникает самосто-
ятельный разряд, называется напря-
жением пробоя.

В зависимости от давления газа, кон-

фигурации электродов, параметров
внешней цепи можно говорить о четы-
рех типах самостоятельного разряда:

тлеющем, искровом, дуговом и коронном.

1. Тлеющий разряд возникает при

низких давлениях. Если к электродам,
впаянным в стеклянную трубку длиной
30 — 50 см, приложить постоянное на-

пряжение в несколько сотен вольт, по-

степенно откачивая из трубки воздух,
то при давлении

 — 6,7 кПа возни-

кает разряд в виде светящегося извили-
стого шнура красноватого цвета, идуще-
го от катода к аноду. При дальнейшем
понижении давления шнур утолщает-
ся, и при давлении

 Па разряд име-

ет вид, схематически изображенный на
рис. 161.

Непосредственно к катоду прилега-

ет тонкий светящийся слой 1 — первое

катодное свечение, или катодная

пленка, затем следует темный слой 2 —
катодное темное пространство, пе-
реходящее в дальнейшем в светящийся
слой 3 — тлеющее свечение, имеющее
резкую границу со стороны катода, по-
степенно исчезающую со стороны ано-
да. Оно возникает из-за рекомбинации
электронов с положительными ионами.

С тлеющим свечением граничит тем-
ный промежуток 4 — фарадеево тем-
ное пространство, за которым следу-
ет столб ионизированного светящегося
газа 5 — положительный столб. По-

ложительный столб в поддержании раз-
ряда существенной роли не играет. На-
пример, при уменьшении расстояния

между электродами трубки его длина
сокращается, в то время как катодные

части разряда по форме и величине ос-
таются неизменными.

В тлеющем разряде особое значение

для его поддержания имеют только две
его части: катодное темное простран-
ство и тлеющее свечение. В катодном
темном пространстве происходит силь-
ное ускорение электронов и положи-
тельных ионов, выбивающих электро-

ны с катода (вторичная эмиссия). В об-

ласти тлеющего свечения происходит

Рис. 161

197

ударная ионизация электронами моле-
кул газа. Образующиеся при этом по-
ложительные ионы устремляются к ка-
тоду и выбивают из него новые элект-
роны, которые, в свою очередь, опять
ионизируют газ и т.д. Таким образом
непрерывно поддерживается тлеющий
разряд.

При дальнейшем откачивании труб-

ки при давлении

 Па свечение газа

ослабевает и начинают светиться стен-
ки трубки. Электроны, выбиваемые из
катода положительными ионами, при
таких разрежениях редко сталкивают-
ся с молекулами газа и поэтому, уско-
ренные полем, ударяясь о стекло, вы-
зывают его свечение, так называемую
катодолюминесценцию. Поток этих
электронов исторически получил на-
звание катодных лучей. Если в като-
де просверлить малые отверстия, то
положительные ионы, бомбардирую-
щие катод, пройдя через отверстия,
проникают в пространство за катодом
и образуют резко ограниченный пу-
чок, получивший название канало-
вых (или положительных) лучей, на-
званных по знаку заряда, который они

несут.

Тлеющий разряд широко использу-

ется в технике. Так как свечение поло-
жительного столба имеет характерный
для каждого газа цвет, то его использу-
ют в газосветных трубках для светя-

щихся надписей и реклам (например,

неоновые газоразрядные трубки дают
красное свечение, аргоновые — синева-
то-зеленое). В лампах дневного света,
более экономичных, чем лампы накали-
вания, излучение тлеющего разряда,
происходящее в парах ртути, поглоща-

ется нанесенным на внутреннюю повер-
хность трубки флуоресцирующим ве-
ществом {люминофором), начинающим
под воздействием поглощенного излу-

чения светиться. Спектр свечения при

соответствующем подборе люминофо-
ров близок к спектру солнечного излу-
чения. Тлеющий разряд используется
для катодного напыления металлов.

Вещество катода в тлеющем разряде

вследствие бомбардировки положи-
тельными ионами, сильно нагреваясь,
переходит в парообразное состояние.

Помещая вблизи катода различные
предметы, их можно покрыть равно-
мерным слоем металла.

2. Искровой разряд возникает при

больших напряженностях электричес-
кого поля

 •

 В/м) в газе, находя-

щемся под давлением порядка атмос-
ферного. Искра имеет вид ярко светя-
щегося тонкого канала, сложным обра-
зом изогнутого и разветвленного.

Объяснение искрового разряда дает-

ся на основе стримерной теории, со-
гласно которой возникновению ярко
светящегося канала искры предшеству-
ет появление слабосветящихся скопле-
ний ионизованного газа — стримеров.

Стримеры возникают не только в ре-

зультате образования электронных ла-

вин посредством ударной ионизации,
но и в результате фотонной ионизации
газа. Лавины, догоняя друг друга, обра-

зуют проводящие мостики из стриме-
ров, по которым в следующие моменты

времени устремляются мощные потоки
электронов, образующие каналы искро-
вого разряда. Из-за выделения при рас-
смотренных процессах большого коли-
чества энергии газ в искровом проме-
жутке нагревается до очень высокой
температуры (примерно 10

1

 К), что при-

водит к его свечению. Быстрый нагрев
газа ведет к повышению давления и воз-
никновению ударных волн, объясняю-
щих звуковые эффекты при искровом
разряде — характерное потрескивание
в слабых разрядах и мощные раскаты
грома в случае молнии, являющейся
примером мощного искрового разряда

198