Несамостоятельная проводимость газа

Простейший опыт, иллюстрирующий возникновение несамостоятельной проводимости газов, может быть осуществлен с помощью установки, изображенной на рис. 147, которая показывает, что в обычных условиях газы не проводят тока: несмотря на приложенное напряжение, гальванометр в цепи показывает отсутствие тока.

Нагреем теперь газ в промежутке 1 до очень высокой температуры, внеся в него зажженную горелку (рис. 148, а). Гальванометр тотчас же укажет появление тока. Следовательно, при высокой температуре молекулы газа уже не являются незаряженными, а по крайней мере некоторая их доля распадается на положительные и отрицательные части, т. е. в газе появляются ионы. Процесс образования ионов в каком-либо газе называют ионизацией этого газа. В описанном опыте ионизация является следствием нагревания газа.

Рис. 148. а) Газ, ионизованный пламенем, проводит электричество. б) Если воздух, ионизованный пламенем, проходит до пластин небольшое расстояние, гальванометр показывает наличие тока, 1 – газовый промежуток, 2 – аккумуляторная батарея, 3 – гальванометр

Если направить в газовый промежуток струю воздуха от маленькой воздуходувки и на пути струи, вне промежутка, поместить ионизующее пламя (рис. 148, б), то гальванометр показывает некоторый ток. Это значит, что ионы, возникшие в пламени, не исчезают мгновенно, а перемещаются вместе с газом. Однако при увеличении расстояния между пламенем и газовым промежутком ток постепенно ослабевает и при расположении пламени в нескольких сантиметрах практически исчезает вовсе. Это показывает, что после устранения причины, вызывающей ионизацию, число ионов в газе быстро уменьшается и через короткое время газ опять превращается в диэлектрик.

Исчезновение ионов в газе объясняется тем, что разноименно заряженные ионы стремятся сблизиться под влиянием силы электрического притяжения и при встрече вновь воссоединяются в нейтральную молекулу. Такой процесс носит название рекомбинации ионов. Вследствие рекомбинации однажды созданная проводимость газа не сохраняется, а для получения длительного тока необходимо, чтобы в газе непрерывно происходила ионизация.

Нагревание газа до высокой температуры не является единственным способом ионизации молекул или атомов газа. Нейтральные атомы или молекулы газа могут ионизоваться, т. е. приобретать электрический заряд, также и под воздействием ряда других факторов, важнейшим из которых является рентгеновское излучение.

Обычно процесс ионизации состоит в отрыве от молекулы электрона, благодаря чему она становится положительным ионом. Освободившийся электрон сам становится свободным носителем отрицательного заряда. Однако во многих случаях электрон «прилипает» к какой-нибудь нейтральной молекуле, которая, таким образом, становится отрицательно заряженным ионом. Нередко и положительные и отрицательные ионы представляют собой не единичные ионизованные молекулы, а группы молекул, прилипших к отрицательному или положительному иону. Благодаря этому, хотя заряд каждого иона равен одному, двум, редко большему числу элементарных зарядов, массы их могут значительно отличаться от масс отдельных атомов или молекул; этим газовые ионы существенно отличаются от ионов электролитов, представляющих всегда, как мы видели, атомы или определенные группы атомов. В силу этого различия при ионной проводимости газов не имеют места законы Фарадея, столь характерные для проводимости электролитов.

Второе, также очень важное, отличие ионной проводимости газов от ионной проводимости электролитов состоит в том, что для газов не соблюдается закон Ома. Измеряя силу тока , протекающего через газовый промежуток, и напряжение на его границах (электродах), мы найдем, что зависимость от (так называемая вольтамперная характеристика) имеет довольно сложный характер. В то время как для проводников, подчиняющихся закону Ома (в том числе и для электролитов), вольтамперная характеристика имеет вид наклонной прямой, показывающей пропорциональность между величинами и , для газов, в зависимости от характера разряда, она имеет разнообразную форму.

В частности, в случае несамостоятельной проводимости, изображенном на рис. 148, получается график, показанный на рис. 149. Только при небольших значениях график имеет вид прямой, т. е. закон Ома приближенно сохраняет силу; с ростом кривая загибается и, начиная с некоторого напряжения – обычно нескольких десятков вольт, – переходит в горизонтальную прямую. Это означает, что, начиная с некоторого напряжения, ток сохраняет постоянное значение, несмотря на увеличение напряжения. Это постоянное, не зависящее от напряжения значение силы тока называют током насыщения.

Рис. 149. Ток насыщения при несамостоятельной проводимости газа

Нетрудно понять смысл полученных результатов. Вначале с ростом напряжения увеличивается число ионов, проходящих за единицу времени через сечение разряда, т. е. увеличивается ток , ибо ионы в более сильном поле движутся с большей скоростью. Однако, как бы быстро ни двигались ионы, число их, проходящее через это сечение за единицу времени, не может быть больше, чем общее число ионов, создаваемых в разряде в единицу времени внешним ионизующим фактором. Если, например, горелка создает за 1 с миллион пар ионов, каждый из которых имеет заряд Кл, то максимальный заряд, проходящий через газ за 1 с, т. е. максимальный ток, равен . Это и есть значение тока насыщения в данном случае. Если бы ионизующий фактор был сильнее, т. е. создавал бы в 1 с больше ионов, то и значение тока насыщения было бы больше. Однако и в этом случае предельная сила тока определялась бы действием ионизующего фактора, а не напряжением, т. е. имело бы место насыщение. Только в том случае, когда ионизующий фактор настолько силен, что даже при больших напряжениях электрическое поле не успевает уводить все образующиеся ионы,

мы не будем иметь насыщения. Это и имеет место в электролите, где вследствие электролитической диссоциации (§71) скорость образования ионов чрезвычайно велика. Поэтому для электролитов мы всегда имеем лишь начальную часть кривой, изображенной на рис. 149, т. е. для них соблюдается закон Ома.

Опыты показывают, однако, что если после достижения тока насыщения в газе продолжать значительно повышать напряжение, то ход вольтамперной характеристики, представленной на рис. 149, внезапно нарушается. При достаточно большом напряжении ток резко возрастает (рис. 150).

Рис. 150. Вольтамперная характеристика при переходе от несамостоятельного разряда к самостоятельному

Скачок тока показывает, что число ионов сразу резко возросло. Причиной этого является само электрическое поле: оно сообщает некоторым ионам столь большие скорости, т. е. столь большую энергию, что при соударениях таких ионов с нейтральными молекулами последние разбиваются на ионы. Общее число ионов теперь определяется не ионизующим фактором, а действием самого поля, которое может само поддерживать необходимую ионизацию: проводимость из несамостоятельной становится самостоятельной. Описанное явление внезапного возникновения самостоятельной проводимости, имеющее характер пробоя газового промежутка, – не единственная, хотя и весьма важная, форма возникновения самостоятельной проводимости. К описанию различных случаев самостоятельной проводимости газов мы сейчас и перейдем.