Підручник Фізика 8 клас - М. I. Шут - Перун 2016 рік
ЧАСТИНА II ЕЛЕКТРИЧНІ ЯВИЩА ЕЛЕКТРИЧНИЙ СТРУМ
Розділ 6. ЗАСТОСУВАННЯ ЗАКОНІВ ПОСТІЙНОГО ЕЛЕКТРИЧНОГО СТРУМУ
§ 46. ЕЛЕКТРИЧНИЙ СТРУМ У ГАЗАХ. САМОСТІЙНИЙ ГАЗОВИЙ РОЗРЯД
1. Залежність сили струму газового розряду від прикладеної напруги. Щоб
установити залежність сили струму від напруги розгляньмо такий дослід (рис. 153). Візьмімо скляну трубку з двома електродами, заповнену будь-яким газом, і увімкнімо її в електричне коло. Піднесімо до неї йонізатор. Поки на трубку не подано електричної напруги (в газі не створено електричного поля), кількість пар йонів, які з’являються в газі за певний час, дорівнюватиме кількості пар йонів, які, зіткнувшись, стають нейтральними (рекомбінують).
Подаватимемо на електроди напругу. Під дією сил електричного поля позитивно заряджені йони переміщуватимуться до негативного електрода, а негативно заряджені йони та електрони - до позитивного (рис. 154). У трубці виникає електричний струм. Якщо напруга невелика, то лише частина йонів, утворених іонізатором, рекомбінуватиме в газі, а решта досягне електродів і на них нейтралізуватиметься. Графік залежності сили струму газового розряду від прикладеної напруги зображено на рисунку 155.
Із графіка видно, що зі зростанням напруги до U1 спочатку пропорційно зростає і сила струму. Про це свідчить прямолінійна ділянка 0-1. За певного значення напруги U2 всі йони і електрони будуть прискорені електричним полем, і струм у газі набуває насичення - І нас. - всі носії зарядів рухаються до відповідних електродів (на графіку ділянка 2-3) незалежно від зростання напруги до деякого значення (U3).
Рис. 153. Дослід, який показує залежність сили струму від напруги
Рис. 154. Позитивно заряджені йони переміщуються до негативного електрода, а негативно заряджені йони та електрони - до позитивного.
2. Ударна іонізація. Здавалося б, далі сила струму вже не зростатиме, бо всі йони, які виникають у газі за одиницю часу, нейтралізуються поблизу електродів, тож більший заряд уже не може бути перенесений.
Пояснити різке зростання струму на ділянці 3-4 можна, якщо дати відповідь на питання: чому збільшення різниці потенціалів між електродами привело до додаткової йонізації газу?
Це пояснюється ударною йонізацією атомів і молекул газу при зіткненні зі швидкими електронами. Під дією сильного електричного поля електрони набувають великих значень кінетичної енергії 
, яка стає більшою за роботу А, яку треба виконати, щоб йонізувати нейтральний атом або молекулу.
Отже, в процесі йонізації атома або молекули утворюється вже дві заряджені частинки. Обидва електрони (початковий і щойно вибитий) розганятимуться в електричному полі між електродами до великих швидкостей. Кожен з них на своєму шляху також ударятиме зустрічні нейтральні молекули газу і вибиватиме з них електрони. Кількість вільних електронів, що мчатимуть із великою швидкістю до анода лавиноподібно зростатиме і, як зрозуміло, не за рахунок зовнішнього йонізатора. Одночасно швидко зростає й кількість позитивно заряджених йонів, які рухаються до катода і також беруть участь у створенні електричного струму. Кількість вільних електронів і йонів стає настільки великою, що сила струму різко зростатиме. Цей процес і називають ударною іонізацією (3-4, рис. 153).
Рис. 155. Графік залежності сили струму газового розряду від прикладеної температури
Дослід показує, що при значному збільшенні напруги, починаючи з деякого значення U3, сила струму знову зростає, причому різко (ділянка 3-4). Це означає, що в газі виникли додаткові йони, відбулась додаткова йонізація газу.
Умовою ударної йонізації газу є нерівність:
У процесі ударної йонізації різко зростає кількість йонізованих атомів, а з ними і число електронів, які здійснюють йонізацію.
Тому такий розряд, який існує після припинення дії зовнішнього йонізатора називають самостійним газовим розрядом. Самостійний газовий розряд вже не потребує зовнішнього йонізатора для свого підтримання.
3. Види самостійних газових розрядів.
Види самостійних газових розрядів такі: тліючий іскровий, коронний і дуговий.
- Тліючий розряд — це самостійний розряд, який виникає в газах за низьких тисків (порядку 2-50 мм рт. ст.) (рис. 156).
Пояснити виникнення тліючого розряду за низьких тисків можна наступним чином. Коли газ дуже розріджений і відстані між молекулами великі, то йони, рухаючись деякий час без зіткнень, можуть набувати великих швидкостей і, отже, мати значну кінетичну енергію. При ударі в катод швидких йонів з металевої поверхні катода вибиватимуться електрони.
Ці два процеси: іонізація електронним ударом і вибивання електронів із катоду і є основними в тліючому розряді.
- Іскровий розряд виникає в повітрі між двома електродами за нормальних тисків (рис. 157).
Він триває короткий інтервал часу. За зовнішнім виглядом нагадує пучок зигзагоподібних смужок, що розгалужуються від тонкого каналу. Смужки швидко пронизують проміжок між електродами, гаснуть, потім виникають знову.
За таких умов на ділянці 3-4 струм вже може існувати і після припинення дії зовнішнього йонізатора.
Види самостійних газових розрядів такі: тліючий іскровий, коронний і дуговий.
Рис. 156. Тліючий розряд
Тліючий розряд у парах ртуті, натрію використовується в лампах денного освітлення, у газі неоні (червоне свічення) використовується в сигнальних лампах і рекламних трубках. Тліючий розряд в аргоні, який дає синювато-зелене свічення, використовується у рекламних трубках.
Рис. 157. Іскровий заряд
Іскровий розряд супроводжується звуковим ефектом за рахунок утворення ударної хвилі в повітрі внаслідок локального підвищення температури.
Найяскравішим прикладом іскрового електричного розряду є блискавка, яка виникає між зарядженими хмарами або зарядженими хмарами і Землею Різниця потенціалів між хмарою і Землею порядку 14 ∙ 109 В.
- Коронний розряд - це проміжний розряд між тліючим та іскровим (рис. 158).
Виникає на електродах із тонкого дроту або із загостреними кінцями, увімкнених до джерела високої напруги. Поблизу таких дротів чи загострених кінців створюється дуже сильне електричне поле. Коронний розряд може виникнути на загострених частинах провідників або у проводах високовольтних ліній електропередач, що призводить до значних втрат електричної енергії. Щоб зменшити можливість виникнення коронного розряду, збільшують діаметр проводів.
У коронному розряді, на відміну від іскрового, має місце неповний пробій газового проміжку.
- Дуговий розряд або електрична дуга, на відміну від переривчастого іскрового є неперервним потужним самостійним електричним розрядом (рис. 159). Його можна продемонструвати за допомогою двох вугільних електродів, приєднаних до джерела струму постійної напруги.
Рис. 158. Коронний розряд
Рис. 159. Дуговий розряд
Кінці електродів сильно розжарюються і, між ними, спалахує дуга. Внаслідок високої температури в дуговому проміжку газ буде сильно йонізованим, опір його малим, а сила струму великою. За великої сили струму удари позитивних йонів та електронів викликатимуть іще сильніше розжарення катода і анода. З поверхні катода при цьому відбувається емісія електронів, що забезпечує підтримання самостійного розряду в газі та неперервне «горіння» дуги.
Іскровий розряд виникає при такій високій напрузі між електродами, коли кількість вільних електронів, які мчать із величезною швидкістю до анода, і позитивно заряджених йонів, які рухаються до катода, наростає, мов лавина. Виникає, так званий, електричний пробій повітряного проміжку.
Розширте науковий кругозір
Плазма
- Плазмою називають стан газу, що має високий ступінь йонізації, за якого концентрація електронів та йонів в газі дуже велика.
Так, плазмою є стан газу в дуговому, іскровому і тліючому розрядах. В нейтральній плазмі концентрація електронів і позитивних іонів однакові і сумарний об’ємний заряд дорівнює нулю (як і в металах).
Плазма є особливим станом речовини, який дістав назву четвертого стану речовини (рис. 160).
Розрізняють слабойонізовану, середньо йонізовану та повністю йонізовану плазму.
Слабойонізована плазма присутня у зовнішніх шарах атмосфери.
Сильно йонізована плазма присутня у блискавці. У космосі плазма є найбільш поширеним станом речовини.
При надвисоких температурах порядку мільйонів градусів атоми газу повністю йонізуються (розпадаються на електрони і ядра). Властивості такої плазми і способи її одержання набули останнім часом великого значення в зв’язку з проблемою здійснення керованих термоядерних реакцій.
Рис. 160. Плазма
Фізичні знання в техніці
Застосування струму в газах у побуті, в промисловості, в техніці
Явища і процеси, пов’язані з проходженням струму в газах, знайшли широке застосування в побуті, в промисловості, техніці. Розгляньмо деякі з них.
► Коронний розряд може приносити користь людині. Так, його використовують в електрофільтрах для очищення димів і газів від твердих домішок. Створено промислові електрофільтри, за допомоги яких можна за годину очистити сотні тисяч кубометрів промислових газів від диму, пилу та шкідливих туманів.
► Тліючий розряд: лампи денного освітлення. На внутрішню поверхню трубки лампи наносять шар спеціальної речовини (люмінофор), яку добирають так, щоб вона, поглинувши фіолетове й ультрафіолетове проміння, випромінювала світло, спектральний склад якого був би близьким до сонячного. Лампи денного світла значно (у 3-4 рази) економніші за лампи розжарення.
► Іскровий розряд використовують в електроіскровому методі різання, свердління та інших видах точної обробки металу.
► Електрична дуга. Електрозварювання. Електрична дуга є основою електричного зварювання. Електрозварник, торкаючись кінцем електроду до зварюваної деталі та, домагаючись виникнення розряду, відводить електрод на невелику відстань, яка в процесі зварювання має бути приблизно сталою. Між електродом і деталлю виникає електрична дуга (рис. 161).
Дуговий розряд супроводжується яскравим свіченням і сильним розігріванням електродів. Температура каналу дуги сягає 5000°С.
Фізичні дослідження в Україні.
Інститут електрозварювання ім. Є. О. Патона
Національної академії наук України
Інститут електрозварювання створений академіком Євгеном Оскаровичем Патоном у складі Всеукраїнської Академії наук у 1934 р. Це найбільший в Україні і світі науково-технічний центр в галузі зварювання та спецелектрометалургії. У його складі дослідницько-конструкторське бюро, три дослідних заводи і експериментальне виробництво. Основні напрямки наукової діяльності: комплексні дослідження природи зварювання і пайки металевих і неметалевих матеріалів, створення на їхній основі технологічних процесів, матеріалів та обладнання; дослідження міцності та несучих властивостей зварних конструкцій і технології їх механізованого виробництва; розробка спец. Електро-металургійних засобів отримання високоякісних сталей і сплавів, литих виробів і тонких покриттів з особливими властивостями.
Рис. 161. Утворення електричної дуги
Одним із найбільш значних досягнень інституту на початку 1950-х рр. стало створення нової технології зварювання плавленням металу великої товщини - електрошлакової, що докорінно змінило виробництво, важких станин, котлів, гідроагрегатів та інших унікальних зварювально-прокатних, зварювально-литих конструкцій.
Експериментально-теоретичні дослідження і наукові розробки в області міцності зварних з'єднань і конструкцій представляють традиційний розділ в тематиці інституту.
Роботи інституту не обмежуються дослідженнями в області зварювання металевих матеріалів. Інститут займається проблемами зварювання полімерних матеріалів, а також виробів із них. В останні роки з'явився ще один напрямок - зварювання м'яких тканин живих організмів. В результаті зроблено вагомий внесок у теоретичне обгрунтування процесів зварювання живої тканини, а також розробку відповідного зварювального обладнання та створення і відпрацювання досконалих хірургічних інструментів стосовно конкретних органів людини, які підлягають зварюванню. Робота виконана колективом інституту у тісній співпраці з хірургами відкриває нові можливості в медицині технологіях.
Подумайте і дайте відповідь
1. Який розряд називають несамостійним?
2. Який розряд називають самостійним?
3. Як пояснити механізм ударної іонізації?
4. Що таке іскровий розряд?
5. Що таке тліючий розряд?
6. Що таке електрична дуга?
7. Який стан газу називають плазмою?