§ 79. Несамостоятельный и самостоятельный разряды в газах

Как указывалось в § 78, при удалении ионизатора (см. рис. 110 а) ток-разряд в газе прекращается. Для поддержания разряда необходимо, чтобы все время действовал ионизатор. Разряд в газе, происходящий только при постоянном действии внешнего ионизатора, называется несамостоятельным разрядом. Его можно наблюдать и на таком опыте. Поместим пламя свечи в электрическое поле пластин, соединенных с электрофорной машиной (рис. 111). Видим, что индикатор тока - неоновая лампа - горит. При наличии ионизатора через газ проходит ток. Без пламени - ионизатора - лампа не горит: в газе тока нет.

Рис. 111. Несамостоятельный разряд в газе

Выясним зависимость силы тока при разряде в газе от напряжения. Исследование этой зависимости производится при помощи ионизационной камеры (рис. 112, а), которая представляет собой герметически закрытый металлический сосуд. Его корпус является катодом, а находящийся в сосуде изолированный от корпуса стержень - анодом. Камера с газом подключается к источнику постоянного тока; в цепи имеются микроамперметр и вольтметр. Пока в камеру не проникает ионизатор, в цепи тока нет.

Рис. 112. Ионизационная камера и вольт-амперная характеристика перехода несамостоятельного разряда в самостоятельный

При облучении газа в камере лучами, вызывающими ионизацию, он ионизируется - образуется большое количество свободных электронов и положительных ионов. При небольшом напряжении ионы движутся медленно и большинство из них, прежде чем достигнуть электрода, успевают рекомбинироваться со свободными электронами. Количество свободных электронов и ионов, достигающих электродов, невелико, поэтому сила тока, проходящего через газ, очень мала (микроамперы). При увеличении потенциометром R напряжения между электродами возрастает напряженность электрического поля между ними, что вызывает увеличение скорости направленного движения ионов и электронов к электродам; возможность рекомбинации уменьшается, что приводит к усилению тока в газе.

При дальнейшем увеличении напряжения наступает такой момент, когда рекомбинация не происходит из-за больших скоростей носителей заряда. Сколько пар свободных электронов и ионов появляется за 1 сек, столько же их достигает электродов за это время. Ток в газе становится насыщенным I_н. При движении к электродам свободные электроны и ионы сталкиваются с нейтральными молекулами (атомами). Эти столкновения не вызывают ионизации - кинетическая энергия электрона, иона меньше энергии ионизации. На рис. 112, б часть графика ОА показывает зависимость силы тока в газе от напряжения до наступления насыщения.

Дальнейшее увеличение напряжения от U₁ до U₂ между электродами не увеличивает силу тока (отрезок АВ графика), так как нет резервных ионов и электронов, за счет которых это могло бы произойти. При напряжении, не намного большем, чем U₂, сила тока в газе возрастает в тысячи раз (отрезок ВС графика).

Резкое усиление тока при увеличении напряжения происходит оттого, что в газе появляется ионизатор внутреннего порядка, от которого резко возрастает число свободных электронов и конов. Под действием увеличивающихся сил электрического поля ионы и свободные электроны (главным образом электроны) приобретают такие скорости и, следовательно, кинетическую энергию, которая становится настолько больше энергии ионизации что электроны при ударах о нейтральные молекулы и атомы выбивают из них электроны. Происходит ионизация в результате соударения электронов с атомами, молекулами. Каждый вновь освободившийся электрон ускоряется электрическим полем и при соударении с нейтральной молекулой (атомом) производит ее ионизацию. При очень сильных электрических полях и ионы могут быть ионизаторами, Число ионов и электронов резко возрастает, образуется их лавина. Сила тока в газе увеличивается. Разряд продолжает оставаться несамостоятельным.

При дальнейшем увеличении напряжения наступает момент, начиная с которого разряд в газе кратковременно происходит без действия внешнего ионизатора. Разряд в газе, не нуждающийся во внешнем ионизаторе для своего поддержания, называется самостоятельным разрядом.

Прохождение тока через газ закону Ома не подчиняется.