Самостоятельные и несамостоятельные газовые разряды. Несамостоятельный и самостоятельный разряды — Гипермаркет знаний

Электрический самостоятельный и несамостоятельный разряд возникает в различных газовых средах при наличии определенных условий. Человеком используется, как правило, самостоятельный разряд. В статье дается характеристика указанным явлениям.

Что такое в газах?

Прежде чем рассматривать газовый разряд самостоятельный и несамостоятельный, дадим определение этому явлению. Под разрядом понимают возникновение электрического тока в газе. Поскольку газовые среды по своей природе являются изоляторами, то это означает, что ток обусловлен наличием в них свободных носителей электрического заряда. Помимо них также должно существовать электрическое поле, чтобы заряды приобретали направленное движение.

Электрическое поле может быть создано путем приложения к объему газа внешней разности потенциалов (наличие электродов: отрицательный катод и положительный анод).

Источниками носителей заряда могут быть следующие процессы:

• Термоионизация. Она возникает за счет механического столкновения газовых частиц (атомов, молекул) высоких энергий и выбивания из них электронов. Этот процесс активируется при увеличении температуры.
• Фотоионизация. Ее суть заключается в поглощении электроном высокоэнергетического фотона и его отрыв от атома.
• Холодная эмиссия электронов. Возникает за счет бомбардировки ионами поверхности катода.
• Термоэлектронная эмиссия. Этот процесс обусловлен испарением электронов высоких энергий из катода и их участием в последующей ионизации плазмы.

Названные процессы лежат в основе классификации типов разрядов (самостоятельный и несамостоятельный).

Понятие о самостоятельности разряда

Рассмотрим случай с катодной трубкой. Она представляет собой запаянную емкость, в которой имеется некоторый газ под определенным давлением. На концах этой трубки находятся электроды. Если к ним приложить небольшую разность потенциалов, то практически никакого тока не возникнет. Связано это с отсутствием достаточного количества носителей заряда.

Если же нагреть газ или подвергнуть его облучению ультрафиолетом, то вольтметр сразу зафиксирует появление тока. Это яркий пример несамостоятельного разряда. Он так называется, потому что для его существования необходимым внешний источник ионизации (излучение, температура). Стоит убрать этот источник, как показания вольтметра снова станут равными нулю.

Если же при отсутствии внешних источников ионизации увеличивать напряжение между электродами трубки, то начнет появляться ток, который пройдет несколько стадий (насыщение, возрастание, убывание). В этом случае говорят о самостоятельном электрическом разряде. Он уже не требует внешних источников, необходимые носители заряда порождаются внутри самой системы. Процессы их образования остаются теми же, что и для несамостоятельного разряда. При высоких напряжениях и больших плотностях тока добавляется еще и термоэмиссия электронов катода.

Вольтамперная характеристика разряда

Газовый самостоятельный и несамостоятельный разряд удобно изучать, если использовать зависимость напряжения от силы тока (или наоборот), которую принято называть вольтамперной характеристикой. Она позволяет судить не только о величине напряжения и тока в системе, но и о происходящих в ней электрических процессах.

Ниже приведена вольтамперная характеристика, на которой отражены все основные фазы развития разряда.

Как видно их три: темный, тлеющий и дуговой. Далее в статье опишем подробнее эти фазы.

Темный разряд

Он описывается промежутком AC. При увеличении напряжения U, ток I растет за счет увеличения скорости движения ионов. Однако эти скорости невелики, поэтому имеет место несамостоятельный разряд. В области BC он выходит на насыщение и становится самостоятельным, поскольку скорость ионов становится достаточной, чтобы при бомбардировке катода выбивать из него электроны. Эти электроны приводят к дополнительной ионизации газа.

Темный заряд получил такое название потому, что его свечение практически равно нулю: низкая концентрация плазмы, малые токи (10 -8 А), отсутствие рекомбинации ионов и электронов.

Тлеющий разряд

На вольтамперной характеристике ему соответствует зона между точками C и F. Из рисунка видно, что напряжение изменяется (падает и растет), ток же постоянно увеличивается. Интерес представляют две подзоны:

1. Точки OE - нормальный тлеющий разряд. Причина роста тока здесь связана с увеличением площади плазмы в газе. То есть сначала это узкие небольшие каналы, затем за счет холодной эмиссии электронов они расширяются, пока не достигнут всего объема трубки. С этого момента наступает переход в следующую подзону.
2. Точки EF - аномальный разряд. Ток этого самостоятельного разряда в газе начинает расти за счет горячей электронной эмиссии. Температура катода постепенно повышается, и он начинает испускать отрицательно заряженные частицы.

В нормальной области тлеющего разряда работают все неоновые и люминесцентные лампы.

Искровой и дуговой разряды

Эти виды самостоятельных разрядов охватывают зону FG на рисунке. Здесь происходят самые сложные процессы.

Когда напряжение между электродами вырастет на максимальную величину (точка F), и произойдет активация термоэмиссии электронов с катода, тогда создадутся благоприятные условия для формирования нестабильного искрового разряда. Он представляет собой кратковременные пробои (микросекунды), которые имеют характерную зигзагообразную форму. Яркий пример в природе - молния в атмосфере.

Разряд происходит по узким каналам, которые называют стримерами. Они представляют собой узкие ломаные линии высокоионизированной плазмы, которые соединяют катодную поверхность с анодной. Сила тока достигает в них десятков тысяч ампер.

Стабилизация искрового заряда ведет к формированию устойчивой дуги (область точки G). В этом случае весь объем газа в трубке - это высокоионизированная плазма. Поверхность катода разогревается до 5000-6000 К, а анода - до 3000 К. Такой сильный нагрев катода приводит к образованию на нем так называемых "горячих пятен", которые становятся мощным источником термоэлектронов и являются причиной эрозионного износа этого электрода. Напряжение при дуговом разряде не является высоким (несколько десятков вольт), а вот сила тока может достигать 100 А и больше. Сварочная дуга - яркий пример этого типа разряда.

Таким образом, существование самостоятельного и несамостоятельного разрядов в газах обусловлено механизмами его ионизации и формирования плазмы при увеличении напряжения и силы тока в системе.

Рассмотренный выше процесс возникновения и образования лавин за счет ударной ионизации не утрачивает характера несамостоятельного разряда, т.к. в случае прекращения действия внешнего ионизатора разряд быстро исчезает.

Однако возникновение и образование лавины зарядов не ограничивается процессом ударной ионизации. При дальнейшем, сравнительно небольшом увеличении напряжения, на электродах газоразрядного промежутка, положительные ионы приобретают большую энергию и, ударяясь о катод, выбивают из него электроны, происходит вторичная электронная эмиссия . Возникшие свободные электроны на пути к аноду производят ударную ионизацию молекул газа. Положительные ионы на пути к катоду при электрических полях сами ионизируют молекулы газа.

Если каждый выбитый с катода электрон способен ускоряться и производить ударную ионизацию молекул газа, то разряд будет поддерживаться и после прекращения воздействия внешнего ионизатора. Напряжение, при котором развивается самостоятельный разряд, называется напряжением замыкания.

На основании сказанного, самостоятельным разрядом будем называть такой газовый разряд, в котором носители тока возникают в результате тех процессов в газе, которые обусловлены приложенным к газу напряжением. Т.е. данный разряд продолжается и после прекращения действия ионизатора.

Когда межэлектродный промежуток перекрывается полностью проводящей газоразрядной плазмой, наступает его пробой . Напряжение, при котором происходит пробой межэлектродного промежутка, называется пробивным напряжением . А соответствующая напряженность электрического поля носит название пробивная напряженность.

Рассмотрим условия возникновения и поддержания самостоятельного разряда.

При больших напряжениях между электродами газового промежутка ток сильно возрастает. Это происходит вследствие того, что возникающие под действием внешнего ионизатора электроны, сильно ускоренные электрическим полем, сталкиваются с нейтральными молекулами газа и ионизируют их. В результате этого образуются вторичные электроны и положительные ионы (процесс 1, рис. 8.4). Положительные ионы движутся к катоду, а электроны – к аноду. Вторичные электроны вновь ионизируют молекулы газа, и, следовательно, общее количество электронов и ионов будет возрастать по мере продвижения электронов к аноду лавинообразно. Это и является причиной увеличения электрического тока. Описанный процесс называется ударной ионизацией.

Однако ударная ионизация под действием электронов недостаточна для поддержания разряда при удалении внешнего ионизатора. Для этого необходимо, чтобы электронные лавины «воспроизводились», т.е. чтобы в газе под действием каких-то процессов возникали новые электроны. Это следующие процессы:

• ускоренные электрическим полем положительные ионы, ударяясь о катод, выбивают из него электроны (процесс 2);
• положительные ионы, сталкиваясь с молекулами газа, переводят их в возбужденное состояние; переход таких молекул в основное состояние сопровождается испусканием фотонов (процесс 3);
• фотон, поглощенный нейтральной молекулой, ионизирует ее, происходит процесс фотонной ионизации молекул (процесс 4);
• выбивание электронов из катода под действием фотонов (процесс 5);
• наконец, при значительных напряжениях между электродами газового промежутка наступает момент, когда положительные ионы, обладающие меньшей длиной свободного пробега, чем электроны, приобретают энергию, достаточную для ионизации молекул газа (процесс 6), и к отрицательной пластине устремляются ионные лавины. Когда возникают, кроме электронных лавин, еще и ионные, сила тока растет уже практически без увеличения напряжения.

Тема 7. Электропроводность жидкостей и газов.

§1. Электрический ток в газах.

§2. Несамостоятельный и самостоятельный газовые разряды.

§3. Виды несамостоятельного разряда и их техническое использование.

§4. Понятие о плазме.

§5. Электрический ток в жидкостях.

§6. Законы электролиза.

§7. Технические применения электролиза (самостоятельно).

Электрический ток в газах.

В обычных условиях газы являются диэлектриками и становятся проводниками лишь тогда, когда они каким-то образом ионизированы. Ионизаторами могут служить рентгеновские лучи, космические лучи, ультрафиолетовые лучи, радиоактивное излучение, интенсивное нагревание и др.

Процесс ионизации газов заключается в том, что под действием ионизатора от атомов отщепляется один или несколько электронов. В результате этого вместо нейтрального атома возникают положительный ион и электрон.

Электроны и положительные ионы, возникшие во время действия ионизатора, не могут долго существовать раздельно и, воссоединяясь, вновь образуют атомы или молекулы. Это явление называется рекомбинацией .

При помещении ионизированного газа в электрическое поле на свободные заряды действуют электрические силы и они дрейфуют параллельно линиям напряжённости – электроны и отрицательные ионы к аноду (электрод некоторого прибора, присоединённый к положительному полюсу источника питания), положительные ионы – к катоду (электрод некоторого прибора, присоединённый к отрицательному полюсу источника тока). На электродах ионы превращаются в нейтральные атомы, отдавая или принимая электроны, тем самым замыкая цепь. В газе возникает электрический ток. Электрический ток в газах называется газовым разрядом . Таким образом, проводимость газов имеет электронно-ионный характер .

Несамостоятельный и самостоятельный газовые разряды.

Соберём электрическую цепь, содержащую источник тока, вольтметр , амперметр и две металлические пластины, разделённые воздушным промежутком.

Если поместить вблизи воздушного промежутка ионизатор , то в цепи возникнет электрический ток, исчезающий с действием ионизатора.

Электрический ток в газе с несамостоятельной проводимостью называется несамостоятельным газовым разрядом . График зависимости разрядного тока от разности потенциалов между электродами – вольтамперная характеристика газового разряда:

ОА – участок на котором соблюдается закон Ома. Только часть заряженных частиц доходит до электродов, частьрекомбинирует;

АВ – пропорциональность закона Ома нарушается и, начиная с ток не изменяется. Наибольшую силу тока, возможную при данном ионизаторе называют током насыщения ;

ВС –самостоятельный газовый разряд , в этом случае газовый разряд продолжается и после прекращения действия внешнего ионизатора за счет ионов и электронов, возникших в результате ударной ионизации (ионизации эл. удара); возникает при увеличении разности потенциалов между электродами (возникает электронная лавина ).

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2.5

«Изучение газового разряда с помощью тиратрона»

Цель работы : изучить процессы, протекающие в газах при несамостоятельном и самостоятельном разряде в газах, изучить принцип работы тиратрона, построить вольт-амперную и пусковую характеристики тиратрона.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Ионизация газов. Несамостоятельный и самостоятельный газовый разряд

Атомы и молекулы газов в обычных повседневных условиях электронейтральны, т.е. не содержат свободных носителей заряда, а значит, подобно вакуумному промежутку не должны проводить электричество. В действительности газы всегда содержат некоторое количество свободных электронов, положительных и отрицательных ионов и поэтому, хотя и плохо, но проводят эл. ток.

Свободные носители заряда в газе обычно образуются в результате вырывания электронов из электронной оболочки атомов газа, т.е. в результате ионизации газа. Ионизация газа является результатом внешнего энергетического воздействия: нагревания, бомбардировки частицами (электронами, ионами, т.п.), электромагнитного облучения (ультрафиолетового, рентгеновского, радиоактивного, т.п.). При этом газ, находящийся между электродами, проводит электрический ток, что называется газовым разрядом . Мощностью ионизирующего фактора (ионизатора ) называется число пар противоположно заряженных носителей заряда, возникающих в результате ионизации в единице объема газа в единицу времени. Наряду с процессом ионизации идет и обратный процесс – рекомбинация : взаимодействие противоположно заряженных частиц, в результате которого появляются электронейтральные атомы или молекулы и излучаются электромагнитные волны. Если для электропроводности газа необходимо наличие внешнего ионизатора, то такой разряд называется несамостоятельным . Если же приложенное электрическое поле (ЭП) достаточно велико, то количество свободных носителей заряда, образующихся в результате ударной ионизации за счет внешнего поля, оказывается достаточным для поддержания электрического разряда. Такой разряд не нуждается во внешнем ионизаторе и называется самостоятельным .

Рассмотрим вольт-амперную характеристику (ВАХ) газового разряда в газе, находящемся между электродами (рис. 1).

При несамостоятельном газовом разряде в области слабых ЭП (I) количество зарядов, образующихся в результате ионизации, равно количеству рекомбинирующих между собой зарядов. Благодаря этому динамическому равновесию концентрация свободных носителей заряда в газе остается практически постоянной и, как следствие, выполняется закон Ома (1):

где Е – напряженность электрического поля; n – концентрация; j – плотность тока.

и ( ) – соответственно подвижности положительных и отрицательных носителей заряда; <υ > – дрейфовая скорость направленного движения заряда.

В области высоких ЭП (II) наблюдается насыщение тока в газе (I), так как все носители, создаваемые ионизатором, участвуют в направленном дрейфе, в создании тока.

При дальнейшем росте поля (III) носители заряда (электроны и ионы), двигаясь ускоренно, ионизируют нейтральные атомы и молекулы газа (ударная ионизация ), в результате чего образуются дополнительные носители заряда и формируется электронная лавина (электроны легче ионов и значительно ускоряются в ЭП) – плотность тока растет (газовое усиление ). При выключении внешнего ионизатора вследствие процессов рекомбинации газовый разряд прекратится.

В результате этих процессов образуются потоки электронов, ионов и фотонов, количество частиц нарастает лавинообразно, идет резкий рост тока практически без усиления ЭП между электродами. Возникает самостоятельный газовый разряд . Переход от несостоятельного газового разряда к самостоятельному называется эл. пробоем , а величина напряжения между электродами , где d – расстояние между электродами, называется напряжением пробоя .

Для эл. пробоя необходимо, чтобы электроны на длине своего пробега успевали набрать кинетическую энергию, превышающую потенциал ионизации молекул газа, а с другой стороны, чтобы положительные ионы на длине своего пробега успевали приобрести кинетическую энергию больше работы выхода из материала катода. Так как длина свободного пробега зависит от конфигурации электродов, расстояния между ними d и количества частиц в единице объема (а, следовательно, от давления), то управлять зажиганием самостоятельного разряда можно как меняя расстояние между электродами d при их неизменной конфигурации, так и изменяя давление P . Если произведение Pd окажется одинаковым при прочих равных условиях, то и характер наблюдаемого пробоя должен быть один и тот же. Указанный вывод нашел отражение в экспериментальном закон е (1889г.) нем. физика Ф. Пашена (1865–1947):

Напряжение зажигания газового разряда для данного значения произведения давления газа на расстояние между электродами Pd есть величина постоянная, характерная для данного газа .

Различают несколько видов самостоятельного разряда.

Тлеющий разряд возникает при низких давлениях. Если к электродам, впаянным в стеклянную трубку длиной 30–50см, приложить постоянное напряжение в несколько сотен вольт, постепенно откачивая воздух из трубки, то при давлении 5,3-6,7 кПа возникает разряд в виде светящегося извилистого шнура красноватого цвета, идущего от катода к аноду. При дальнейшем понижении давления шнур утолщается, и при давлении » 13 Па разряд имеет вид, схематически изображенный на рис. 2.

Непосредственно к катоду прилагается тонкий светящийся слой 1 – катодная плёнка , затем следует 2 – катодное тёмное пространство , переходящее в дальнейшем в светящийся слой 3 – тлеющее свечение , имеющее резкую границу со стороны катода, постепенно исчезающую со стороны анода. Слои 1-3 образуют катодную часть тлеющего разряда. За тлеющим свечением идет фарадеево тёмное пространство – 4. Вся остальная часть трубки заполнена светящемся газом – положительный столб - 5.

Потенциал изменяется вдоль трубки неравномерно (см. рис. 2). Почти все падение напряжения приходится на первые участки разряда, включая темное катодное пространство.

Основные процессы, необходимые для поддержания разряда происходят в его катодной части:

1) положительные ионы, ускоренные катодным падением потенциала бомбардируют катод и выбивают из него электроны;

2) электроны ускоряются в катодной части и набирают достаточную энергию и ионизируют молекулы газа. Образуется много электронов и положительных ионов. В области тлеющего свечения идет интенсивная рекомбинация электронов и ионов, выделяется энергия, часть которой идет на дополнительную ионизацию. Проникшие в фарадеево темное пространство электроны постепенно накапливают энергию, так что возникают условия необходимые для существования плазмы (высокая степень ионизации газа). Положительный столб представляет собой газоразрядную плазму. Он выполняет роль проводника, соединяющего анод с катодными частями. Свечение положительного столба вызвано в основном переходами возбужденных молекул в основное состояние. Молекулы разных газов испускают при таких переходах излучение разной длины волны. Поэтому свечение столба имеет характерный для каждого газа цвет. Это используется для изготовления светящихся трубок. Неоновые трубки дают красное свечение, аргоновые – синевато-зеленое.

Дуговой разряд наблюдается при нормальном и повышенном давлении. При этом ток достигает десятков и сотен ампер, а напряжение на газовом промежутке падает до нескольких десятков вольт. Такой разряд можно получить от источника низкого напряжения, если предварительно сблизить электроды до их соприкосновения. В месте контакта электроды сильно разогреваются за счет джоулева тепла и после их удаления друг от друга катод становится источником электронов за счет термоэлектронной эмиссии. Основными процессами, поддерживающими разряд, являются термоэлектронная эмиссия из катода и термическая ионизация молекул, обусловленная высокой температурой газа в межэлектродном промежутке. Почти все межэлектродное пространство заполнено высокотемпературной плазмой. Она служит проводником, по которому электроны, испущенные катодом, достигают анода. Температура плазмы составляет ~6000 К. Высокая температура катода поддерживается за счет его бомбардировки положительными ионами. В свою очередь, анод под действием быстрых электронов, налетающих на него из газового промежутка, разогревается сильнее и может даже плавиться и на его поверхности образуется углубление – кратер – самое яркое место дуги.. Электрическая дуга впервые была получена в 1802г. русским физиком В.Петровым (1761–1834), который в качестве электродов использовал два куска угля. Раскаленные угольные электроды давали ослепительное свечение, а между ними возникал яркий столб светящегося газа – электрическая дуга. Дуговой разряд используется в качестве источника яркого света в прожекторах проекционных установках, а также для резки и сварки металлов. Существует дуговой разряд с холодным катодом. Электроны появляются за счет автоэлектронной эмиссии с катода, температура газа невелика. Ионизация молекул происходит за счет электронных ударов. Между катодом и анодом возникает газоразрядная плазма.

Искровой разряд возникает между двумя электродами при большой напряженности ЭП между ними . Между электродами проскакивает искра, имеющая вид ярко светящегося канала, соединяющая оба электрода. Газ вблизи искры нагревается до высокой температуры, возникает перепад давлений, что приводит к возникновению звуковых волн, характерный треск.

Возникновению искры предшествует образование в газе электронных лавин. Родоначальником каждой лавины служит электрон, разгоняющийся в сильном ЭП и производящий ионизацию молекул. Образовавшиеся электроны в свою очередь разгоняются и производят следующую ионизацию, происходит лавинное нарастание количества электронов – лавина.

Образующиеся положительные ионы не играют существенной роли, т.к. они малоподвижны. Электронные лавины пересекаются и образуются проводящий канал стример, по которому от катода к аноду устремляются электроны – происходит пробой.

Примером мощного искрового разряда может служить молния. Разные части грозового облака несут заряды различных знаков ("–" обращен к Земле). Поэтому если облака сближаются разноименно заряженными частями, между ними возникает искровой пробой. Разность потенциалов между заряженным облаком и Землей ~10 8 B.

Искровой разряд применяется для инициирования взрывов и процессов горения (свечи в двигателях внутреннего сгорания), для регистрации заряженных частиц в искровых счетчиках, для обработки поверхности металлов и т.п.

Коронный (коронарный) разряд возникает между электродами, имеющимися разную кривизну (один из электродов тонкая проволока или острие). При коронном разряде ионизация и возбуждение молекул происходит не во всем межэлектродном пространстве, а вблизи острия, где напряженность велика и превышает Е пробоя. В этой части газ светится, свечение имеет вид короны, окружающей электрод.

Плазма и ее свойства

Плазмой называется сильно ионизованный газ, в котором концентрация положительных и отрицательных зарядов практически одинакова. Различают высокотемпературную плазму , возникающую при сверхвысоких температурах, и газоразрядную плазму , возникающую при газовом разряде.

Плазма обладает следующими свойствами:

Высокой степенью ионизации, в пределе – полной ионизацией (все электроны отделены от ядер);

Концентрация положительных и отрицательных частиц в плазме практически одинаково;

большой электропроводностью;

Свечением;

Сильным взаимодействием с электрическими и магнитными полями;

Колебаниями электронов в плазме с большой частотой (»10 8 Гц), вызывающими общую вибрацию плазмы;

Одновременным взаимодействием огромного числа частиц.

Газы при не слишком высоких температу­рах и при давлениях, близких к атмосфер­ному, являются хорошими изоляторами. Если поместить в сухой атмосферный воздух, заряженный электрометр, то его заряд долго остается неизменным. Это объясняется тем, что га­зы при обычных условиях состоят из ней­тральных атомов и молекул и не содержат свободных зарядов (электронов и ионов). Газ становится проводником электричест­ва только, когда некоторая часть его молекул ионизуется. Для ионизации газ надо подвергнуть воздействию какого-либо ионизатора: например, электрический разряд, рентгеновское излучение, радиации или УФ-излучение, пламя свечи и т.д. (в последнем случае электро­проводность газа вызвана нагреванием).

При ионизации газов происходит вырывание из внешней электронной оболочки атома или молекулы одного или нескольких электронов, что приводит к об­разованию свободных электронов и поло­жительных ионов. Электроны могут при­соединяться к нейтральным молекулам и атомам, превращая их в отрицательные ионы. Следовательно, в ионизованном газе имеются положительно и отрицательно заряженные ионы и свободные электроны. Электрический ток в газах на­зывается газовым разрядом. Т.о., ток в газах создается ионами обоих знаков и электронами. Газовый разряд при таком механизме будет сопровождаться переносом вещества, т.е. ионизированные газы относятся к проводникам второго рода.

Для того чтобы оторвать от молекулы или атома один электрон, необходимо совершить оп­ределенную работу А и, т.е. затратить оп­ределенную энергию. Эту энер­гию называют энергией ионизации , значения которой для атомов различных веществ лежат в преде­лах 4÷25 эВ. Количественно процесс ионизации принято характеризовать величиной, которая называется потенциал ионизации :

Одновременно с процессом ионизации в газе всегда идет и обратный процесс – процесс рекомбинации: положительные и отрицательные ионы или положительные ионы и электроны, встречаясь, воссоединя­ются между собой с образованием ней­тральных атомов и молекул. Чем больше ионов возникает под действием ионизато­ра, тем интенсивнее идет и процесс ре­комбинации.

Строго говоря, электропроводность га­за никогда не равна нулю, так как в нем всегда имеются свободные заряды, обра­зующиеся в результате действия излучения радиоактивных веществ, имею­щихся на поверхности Земли, а также космического излучения. Интен­сивность ионизации под действием указан­ных факторов невелика. Эта незначитель­ная электропроводность воздуха является причиной утечки зарядов наэлектризованных тел да­же при хорошей их изоляции.

Характер газового разряда определяется составом газа, его температурой и давлением, размерами, конфигурацией и материалом электродов, а так же приложенным напряжением и плотностью тока.

Рассмотрим цепь, содержащую газо­вый промежуток (рис.), подвергаю­щийся непрерывному, постоянному по ин­тенсивности воздействию ионизатора. В результате действия ионизатора газ приобретает некоторую электропровод­ность и в цепи потечет ток. На рис приведены вольт-амперные характеристики (зависимость тока от приложенного напряжения) для двух ионизаторов. Производительность (число пар ионов произведенных ионизатором в газовом промежутке за 1 секунду) второго ионизатора больше чем первого. Будем считать, что производительность ионизатора величина постоянная и равная n 0 . При не очень низком давлении практически все отщепившиеся электроны захватываются нейтральными молекулами, образуя отрицательно заряженные ионы. С учетом рекомбинации, примем, что концентрации ионов обоих знаков одинаковы и равны n. Средние скорости дрейфа ионов разных знаков в электрическом поле разные: , . b - и b + – подвижности ионов газа. Теперь для области I, c учетом (5), можно записать:

Как видно, в области I с увеличением напряжения ток возрастает, так как растет скорость дрейфа. Число пар рекомбинирующих ионов с ростом их скорости, при этом будет уменьшаться.

Область II – область тока насыщения – все созданные ионизатором ионы достигают электродов, не успевая рекомбинировать. Плотность тока насыщения

j н = q n 0 d, (28)

где d – ширина газового промежутка (расстояние между электродами). Как видно из (28) ток насыщения является мерой ионизирующего действия ионизато­ра.

При напряжении больше U п p (область III) скорость электронов достигает такой величины, что при столкновении с нейтральными молекулами они способны вызвать ударную ионизацию. В результате образуется дополнительно Аn 0 пар ионов. Величина А называется коэффициентом газового усиления . В области III этот коэффициент не зависит от n 0 , но зависит от U. Т.о. заряд, достигающий электродов при постоянном U прямо пропорционален производительности ионизатора – n 0 и напряжению U. По этой причине область III называется областью пропорциональности. U пр – порог пропорциональности. Коэффициент газового усиления А имеет значения от 1 до 10 4 .

В области IV, области частичной пропорциональности, коэффициент газового усиления начинает зависеть от n 0. Эта зависимость растет с ростом U. Ток резко увеличивается.

В диапазоне напряжений 0 ÷ U г, ток в газе существует только при действующем ионизаторе. Если дейст­вие ионизатора прекратить, то прекращается и раз­ряд. Разряды, существующие только под действием внешних ионизаторов, называ­ются несамостоятельными.

Напряжение U г – порог области, области Гейгера, которая соответствует состоянию, когда процесс в газовом промежутке не исчезает и после выключения ионизатора, т.е. разряд приобретает характер самостоятельного разряда. Первичные ионы только дают толчок для возникновения газового разряда. В этой области способность ионизировать приобретаю уже и массивные ионы обоих знаков. Величина тока не зависит от n 0 .

В области VI напряжение настолько велико, что разряд, однажды возникнув, больше не прекращается – область непрерывного разряда.