Образовака🌡️ Физика10 классОсновы электродинамики

Несамостоятельный разряд в газах

4.7

Средняя оценка: 4.7

Всего получено оценок: 142.

Одним из разделов, изучаемых в курсе электродинамики в 10 классе, является проводимость газов. Газовый разряд (то есть прохождение тока через газ) может быть несамостоятельным и самостоятельным. Кратко рассмотрим механизм несамостоятельного газового разряда.

Проводимость газов

Обычно газы состоят из нейтральных молекул, равномерно заполняющих всё пространство. Носителей зарядов в них очень мало. Следовательно, газы являются диэлектриками.

В диэлектрических свойствах воздуха легко убедиться, зарядив конденсатор. Клеммы заряженного конденсатора окружены воздухом, но заряд не исчезает, и его можно измерить тестером даже через несколько минут.

Рис. 1. Измерение заряда конденсатора тестером.

Однако проводимость газа можно увеличить, если какими-либо внешними факторами создавать в веществе газа носители заряда. Например, одним из таких факторов является ультрафиолетовое излучение. Если зарядить электроскоп, он будет сохранять заряд в течении достаточно долгого времени. Однако, если облучать клемму электроскопа УФ-лампой, то стрелка электроскопа может опуститься до нуля буквально в течение нескольких секунд.

Этот опыт говорит о том, что при облучении ультрафиолетом в воздухе начинают появляться заряженные частицы. Откуда они берутся?

Ионизация и рекомбинация

Поскольку в воздухе нет ничего, кроме молекул газов, составляющих воздушную смесь, то носители зарядов могут образоваться только из них. Фотоны УФ-излучения несут энергию, величины которой достаточно, чтобы электроны внешней оболочки атомов отрывались от молекул и становились свободными отрицательными носителями. При этом молекула газа превращается в положительный ион. В воздухе появляются носители зарядов — он становится проводником. Процесс образования свободных зарядов в газе называется ионизацией, а внешний фактор, приводящий к этому, называется ионизатором.

Ионизация может достигаться не только УФ-излучением. Например, способность радиации ионизировать газ и вызывать несамостоятельный газовый разряд находит применение в радиометрах. Другие примеры методов ионизации:

нагревание;
гамма-излучение;
электрические искры.

Если в газе присутствует электрическое поле, то часть образующихся ионов движется под его действием. В газе начинается несамостоятельный разряд.

Одновременно с ионизацией происходит и обратный процесс — рекомбинация. Поскольку в объеме газа возникают положительные и отрицательные заряды, они притягиваются друг к другу, в результате снова образуя нейтральные молекулы.

Если действие ионизатора прекратится, газ достаточно быстро рекомбинирует и снова станет нейтральным. Разряд станет невозможным. Именно поэтому он называется несамостоятельным: для его существования требуется наличие постоянного ионизатора. При этом в газе образуется динамическое равновесие: в нем постоянно присутствует некоторое число ионов (тем большее, чем сильнее ионизатор), которое и участвует в несамостоятельном разряде. Для определения значения проводимости газов в таком динамическом равновесии используются достаточно сложные модели и формулы.

Рис. 3. Ионизация и рекомбинация в газах.

Что мы узнали?

Газ в нормальных условиях является диэлектриком. Если в газе в результате некоторого воздействия (ионизатора) образуются ионы, газ приобретает способность проводить ток: в нём возможен несамостоятельный газовый разряд. Одновременно с процессом ионизации в газе происходит и обратный процесс — рекомбинация. Поэтому при прекращении действия ионизатора несамостоятельный разряд в газах также прекращается.