Общий курс физики Том 3. Электричество - Сивухин Д.В.
Скачать (прямая ссылка):
Окись углерода 1,10 1,14 1,04
Хлор 0,65 0,51 0,8
Водяной пар (100 °С) 0,62 0,51 0,78
Как показывает опыт, подвижность ионов в широких пределах обратно пропорциональна давлению 3і. Это понятно, так как подвижность пропорциональна длине свободного пробега иона (см. § 42), а последняя в свою очередь обратно пропорциональна давлению Sf\
Подвижность положительных ионов не зависит заметно от напряженности поля Е. При не слишком больших Е подвижность отрицательных ионов также не зависит от Е, но при больших Е она начинает возрастать с увеличением Е. При дальнейшем увеличении Е возрастание подвижности замедляется, и, наконец, в еще более сильных полях подвижность снова делается постоянной. Подвижность ионов, в особенности отрицательных, очень сильно зависит от ничтожного количества некоторых примесей. Так, для гелия при давлении 1 атм, содержащего следы кислорода, Ь+ — = 5,09 см2/(с-В), Ь~ = 6,31 см2/(с-В). В совершенно чистом гелии подвижность положительных ионов Ь+ остается почти той же, тогда как Ь~ достигает огромной величины 500 см2/(с - В). Эти факты объясняются тем, что при ионизации газа происходит вырывание из атома или молекулы электрона, который вначале и является отрицательным ионом. Остаток же атома или молекулы становится положительным ионом. Поскольку масса электрона очень мала по сравнению с массой атома или молекулы, следовало бы ожидать, что его подвижность должна во много раз превосходить подвижность положительного иона. Однако, как показывает табл. 9, различие между Ь~ и Ь+ не так уж велико. Это объясняется тем, что электрон
§ П5І
ТЕОРИЯ ТАУНСЕНДА
515
очень скоро, столкнувшись с нейтральной частицей, «прилипает» к ней, образуя отрицательный ион, подвижность которого почти равна подвижности положительного иона. В особенности быстро процесс «прилипания» электронов должен происходить в газах, атомы которых обладают большим сродством к электрону. Таковым является, например, кислород, от ничтожных примесей которого вообще трудно избавиться. При рассмотрении влияния всех этих процессов на подвижность ионов необходимо иметь в виду, что измерение дает некоторую среднюю подвижность, которая, конечно, зависит от соотношения между числом быстрых и медленных ионов. Так же объясняется и влияние напряженности поля Е на величину подвижности отрицательных ионов. Дело в том,что с увеличением напряженности электрического поля возрастает скорость электрона, вследствие чего уменьшается вероятность прилипания его к нейтральным частицам. Благодаря этому средняя подвижность отрицательного иона возрастает. Для положительного иона это произойти не может, так как он образуется уже в первый момент ионизации и в дальнейшем не меняет свою массу. В этом случае подвижность не должна зависеть от напряженности поля.
§ 115. Теория Таунсенда
1. До сих пор принималась во внимание только ионизация газа внешним ионизатором, но не учитывалась возможность ионизации при столкновениях ионов и электронов с нейтральными атомами и молекулами. Так можно поступать только в случае сравнительно слабых электрических полей, когда кинетическая энергия еЕ1, накопленная электроном (или ионом) на длине свободного пробега /, меньше энергии ионизации и, следовательно, при столкновениях с нейтральными частицами электроны лишь изменяют направление движения (упругое рассеяние). Не так будет в сильных полях, когда еЕ1 > Тогда столкновения электронов с нейтральными частицами могут сопровождаться ионизацией последних. Ионизация может происходить и тогда, когда еЕІ < Sit где Ї — средняя длина свободного пробега электрона. Действительно, среди электронов найдутся и такие, у которых l^> I, так что для них условие еЕІ > Ші будет выполняться.
Допустим теперь, что под влиянием внешнего ионизатора или вследствие какой-либо другой причины у катода возник свободный электрон. Ускоренный электрическим полем, электрон ионизует атом при столкновении с ним. Вместо одного электрона становится два. После ускорения в электрическом поле они ионизуют два атома, а число электронов увеличивается до четырех и т. д. В результате по мере продвижения к аноду число электронов будет лавинообразно нарастать. Этот процесс называется электронной
516
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ТОКИ В ГАЗАХ
ІГЛ. ЗХ
лавиной. Каждая ионизация атома сопровождается не только освобождением нового электрона, но и появлением положительного иона, а ионы также могут ионизовать газ.
2. Для количественной характеристики ионизующей способности электронов и ионов Таунсенд (1868 — 1957) ввел два «коэффициента ионизации» а и р. Первый из них определяется как среднее число ионов одного знака, производимое электроном на единице длины своего пути. Такой же смысл имеет коэффициент р, характеризующий ионизующую способность положительных понов. Коэффициент ионизации электронами а значительно превосходит коэффициент ионизации положительными нонами (і.
Следующий классический опыт Таунсенда доказывает это утверждение. Берется ионизационная камера в виде цилиндрического; конденсатора, внутренним электродом которого служит тонкая металлическая нить (рис. 280). Между нитью и наружным цилиндром конденсатора прикладывается разность потенциалов V, достаточная для того, чтобы в объеме камеры происходила ударная ионизация газа. Последняя практически будет происходить лишь вблизи инти, где электрическое поле очень сильное. Допустим, что на нить подан положительный потенциал. Тогда к нити устремятся электроны и будут вблизи нее ионизовать газ. Положительные же ноны, устремляясь к наружному цилиндру, пройдут через область слабого поля и практически никакой ионизации не вызовут. Изменим теперь полярность напряжения V, не меняя его величину. Тогда роли положительных и отрицательных ионов поменяются местами. К инти устремятся положительные ионы, и ионизация в камере будет возбуждаться практически только ими. Опыт показывает, что в первом случае ионизационный ток больше и быстрее растет с напряжением V, чем во втором (на рис. 281 кривая / относится к случаю, когда внутренний электрод положителен, а кривая II — к случаю, когда он отрицателен).
