Одним из разделов, изучаемых в курсе электродинамики в 10 классе, является проводимость газов. Газовый разряд (то есть прохождение тока через газ) может быть несамостоятельным и самостоятельным. Кратко рассмотрим механизм несамостоятельного газового разряда.
Однако проводимость газа можно увеличить, если какими-либо внешними факторами создавать в веществе газа носители заряда. Например, одним из таких факторов является ультрафиолетовое излучение. Если зарядить электроскоп, он будет сохранять заряд в течении достаточно долгого времени. Однако, если облучать клемму электроскопа УФ-лампой, то стрелка электроскопа может опуститься до нуля буквально в течение нескольких секунд.
Этот опыт говорит о том, что при облучении ультрафиолетом в воздухе начинают появляться заряженные частицы. Откуда они берутся?
Ионизация и рекомбинация
Поскольку в воздухе нет ничего, кроме молекул газов, составляющих воздушную смесь, то носители зарядов могут образоваться только из них. Фотоны УФ-излучения несут энергию, величины которой достаточно, чтобы электроны внешней оболочки атомов отрывались от молекул и становились свободными отрицательными носителями. При этом молекула газа превращается в положительный ион. В воздухе появляются носители зарядов — он становится проводником. Процесс образования свободных зарядов в газе называется ионизацией, а внешний фактор, приводящий к этому, называется ионизатором.
Ионизация может достигаться не только УФ-излучением. Например, способность радиации ионизировать газ и вызывать несамостоятельный газовый разряд находит применение в радиометрах. Другие примеры методов ионизации:
- нагревание;
- гамма-излучение;
- электрические искры.
Если в газе присутствует электрическое поле, то часть образующихся ионов движется под его действием. В газе начинается несамостоятельный разряд.
Одновременно с ионизацией происходит и обратный процесс — рекомбинация. Поскольку в объеме газа возникают положительные и отрицательные заряды, они притягиваются друг к другу, в результате снова образуя нейтральные молекулы.
Если действие ионизатора прекратится, газ достаточно быстро рекомбинирует и снова станет нейтральным. Разряд станет невозможным. Именно поэтому он называется несамостоятельным: для его существования требуется наличие постоянного ионизатора. При этом в газе образуется динамическое равновесие: в нем постоянно присутствует некоторое число ионов (тем большее, чем сильнее ионизатор), которое и участвует в несамостоятельном разряде. Для определения значения проводимости газов в таком динамическом равновесии используются достаточно сложные модели и формулы.
Что мы узнали?
Газ в нормальных условиях является диэлектриком. Если в газе в результате некоторого воздействия (ионизатора) образуются ионы, газ приобретает способность проводить ток: в нём возможен несамостоятельный газовый разряд. Одновременно с процессом ионизации в газе происходит и обратный процесс — рекомбинация. Поэтому при прекращении действия ионизатора несамостоятельный разряд в газах также прекращается.
