Теория:
Физический механизм проводимости газов
При нормальных условиях газы являются диэлектриками, поскольку в них нет свободных электрических зарядов. Однако при высоких температурах газы приобретают свойства проводников и в них может протекать электрический ток. Этот процесс называют электрическим разрядом в газах.Ионизация и рекомбинация
Очевидно, что электрический разряд возможен, только если в газе есть свободные заряды. При высокой температуре часть молекул распадается на электроны и положительно заряженные ионы. Этот процесс называют ионизацией. Ионизация может быть вызвана не только высокой температурой, но и воздействием на газ ультрафиолетовыми или рентгеновскими лучами.Процесс, обратный ионизации, при котором электроны соединяются с положительно заряженными ионами, образуя нейтральную молекулу, называется рекомбинацией.
Если за любой промежуток времени ионизируется столько же молекул, сколько и ионов рекомбинирует, то говорят, что газ находится в динамическом равновесии. При этом концентрация свободных зарядов в газе остаётся постоянной.
Ток в ионизированных газах
При включённом электрическом поле электроны будут двигаться к аноду, а положительно заряженные ионы — к катоду. Таким образом, при наличии ионизатора в газе будет течь электрический ток. Такое протекание тока называют несамостоятельным разрядом, поскольку если убрать ионизатор, то ток прекратится.
Вольт-амперная характеристика ионизированного газа
Вольт-амперную характеристику газа можно условно разделить на три участка (рис. \(1\)).
Рис. \(1\). Вольт-амперная характеристика тока в газах
На участке \(I\) не все ионы и электроны, получившиеся при диссоциации молекул, долетают до электродов из-за того, что успевают рекомбинировать. Однако с увеличением напряжения увеличивается и их скорость и, как следствие, уменьшается время, за которое свободные заряды долетают до электродов, всё меньшее их количество успевает рекомбинировать. Поэтому сила тока растёт до тех пор, пока все свободные заряды, появившиеся при ионизации, не будут долетать до электродов.
Далее следует участок \(II\), на котором сила тока не растёт с ростом напряжения, поскольку больше свободных зарядов в газе просто нет. Протекание тока на участках \(I\) и \(II\) требует наличия внешнего ионизатора, поэтому разряд называется несамостоятельным разрядом.
При достаточно большом напряжении скорость свободных электронов будет настолько велика, что при ударе с молекулами будет происходить ионизация и вместо одного свободного заряда будет три свободных заряда. Этот процесс называется электронной лавиной. При таком процессе ионизации молекул внешний ионизатор не требуется, поэтому электрический ток называют самостоятельным разрядом (участок \(III\) на рис. \(1\)).
Плазма
Плазмой называют ионизованный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов одинаковы. Отношение плотности свободных зарядов к плотности всех частиц называют степенью ионизации плазмы.Источники:
Рис. 1. Вольт-амперная характеристика тока в газах. © ЯКласс.