§ 36. Электрический ток в газах. Плазма
Вольт-амперная характеристика газового разряда. Для изучения разряда в газе удобно использовать стеклянную трубку с двумя электродами. Рассмотрим зависимость силы тока в газе от напряжения, приложенного к электродам трубки, — вольт-амперную характеристику газового разряда (рис. 205.1).
Воздействие внешнего ионизатора ионизирует газ в пространстве между электродами. Одновременно с этим происходит и обратный процесс — превращение ионов в нейтральные атомы (молекулы). При небольшом напряжении между электродами незначительное количество образовавшихся ионов и электронов достигает электродов, создавая электрический ток. Большинство ионов рекомбинирует, не успевая достигнуть электродов. При увеличении напряжения между электродами возрастает количество заряженных частиц, достигших электродов, т. е. сила тока увеличивается. При этом сила тока прямо пропорциональна приложенному напряжению, т. е. выполняется закон Ома (участок графика АВ).
При дальнейшем повышении напряжения прямая пропорциональность нарушается (участок графика ВС). Начиная с некоторого значения напряжения (для точки С) все носители электрического заряда, образовавшиеся под воздействием ионизатора, достигают электродов, не успев рекомбинировать. При этом сила тока сохраняет постоянное значение и не зависит от напряжения (участок графика СD). Электрический ток, сила которого не зависит от напряжения, называют током насыщения.
При достаточно высоком напряжении свободные электроны, ускоряясь под действием электрического поля, приобретают кинетическую энергию, достаточную для ионизации атомов (молекул) газа при соударении с ними. Процесс отрыва от атома (молекулы) газа одного или нескольких электронов, вызванный столкновением с этими атомами (молекулами) свободных электронов, называют ионизацией электронным ударом. Возникшие в результате ударной ионизации свободные электроны ускоряются электрическим полем и вызывают ионизацию новых частиц. Такие свободные электроны являются вторичным ионизатором. Это ведёт к лавинообразному нарастанию числа вторичных свободных электронов и положительно заряженных ионов (рис. 205.2), а значит, и увеличению силы разрядного тока. Однако сам разряд всё ещё остаётся несамостоятельным, так как после прекращения действия внешнего ионизатора он продолжается только до тех пор, пока отрицательно заряженные ионы и все электроны (первичные и вторичные) движутся к аноду и достигают его, а положительно заряженные ионы — катода. Несамостоятельному лавинному разряду в газе соответствует участок графика DЕ на рисунке 205.1.
Однако в ряде случаев газовый разряд может существовать и после прекращения действия ионизатора. В этом случае имеющееся между электродами сильное электрическое поле является причиной сохранения газового разряда, который называют самостоятельным.