Учебное пособие: Емісія електронів. Електричний струм в газах

Газ заповнює скляний балон І на газ діє іонізатор S . Змінюючи напругу U між електронами і вимірюючи силу струму І знаходимо залежність струму від напруги – ВАХ газового розряду, яка має вигляд, зображений на рис. 2

Рис. 2

Розглянемо несамостійний розряд. При наявності електричного поля позитивні іони рухаються до катоду, одержують від металу електрон і перетворюються в нейтральні атоми, негативні іони та електрони рухаються до аноду.

Причому, як видно із графіка при малих напругах виконується закон Ома (ОА)

,

де s - питома електропровідність газового розряду.

Така залежність пояснюється тим, що із збільшенням напруги збільшується число зарядів, які надходять із об’єму газу на електроди. Оскільки густина струму J = enu , струм в газі визначається рухом іонів обох знаків, то для густини струму в газі одержимо:

,

де і - заряди іонів, і - їх концентрація, і - відповідно їх швидкості. Так як швидкість іонів пропорційна напруженості поля

де і - рухливості іонів, то для випадку одновалентних іонів маємо

.

Порівнюючи цей вираз з законом Ома

одержимо питому електропровідність газу

Рухливість іонів чисельно дорівнює швидкості їх напрямленого руху при напруженості поля E = 1В/м. Закон Ома виконується для напруг, менших .

При подальшому збільшенні напруги () – ділянка ВС, струм в газі буде сталим, незмінним. Цей струм називають струмом насичення . Це такий струм, коли всі заряди, що виникають під впливом іонізатора ( попадають на електроди. Причому

,

де d – відстань між електродами.

Струм насичення не залежить від напруги і являється важливою характерною несамостійного розряду. Але якщо й дальше збільшувати напруги то струм в газі почне різко збільшуватись (ділянка СД) і несамостійний газовий розряд перетворюється в самостійний – це такий розряд, який зберігається після припинення дії іонізатора. Причому газ починає інтенсивно світитись за рахунок рекомбінації зарядів.

Напруга, при якій несамостійний розряд перетворюється в самостійний називається напругою запалювання, або напругою пробою .

При самостійному розряді заряди в газі утворюються за рахунок ударної іонізації. А це можливо тоді, коли під дією зовнішнього електричного поля електрон на шляху вільного пробігу набуває енергії, більшої за енергію (роботу) іонізації. При непружному зіткненні електрона з атомом газу виникають позитивний іон і один новий електрон. При наступному непрожному удару вже двох електронів з атомами виникає додатково ще два нових електрони і т.д. Такий процес називають електронною, або іонною лавиною. Але цього недостатньо. Щоб розряд був самостійним, щоб електронні лавини підтримували самі себе, треба щоб у газі відбувався ще один процес, в результаті якого утворювалися б нові електрони. Це може бути вторинна електронна емісія, фотоіонізація газу.

Внаслідок електронної лавинної іонізації струм самостійного газового розряду (рис.2 СД) різко зростає і його необхідно обмежувати. Для цього послідовно з газовим розрядом включають навантаження (дросель або резистор).

ВИДИ САМОСТІЙНОГО РОЗРЯДУ

Самостійний розряд розпочинається тоді, коли на довжині вільного пробігу електрон в електричному полі набуває кінетичну енергію достатню для іонізації атомів чи молекул. Причому, після кожного зіткнення кількість електронів подвоюється і загальна кількість зарядів в газі різко збільшується, утворюється лавина зарядів.

Сила струму, що виникає при самостійному розряді визначається за формулою:

,