Підручник Фізика 8 клас - Т.М. Засєкіна - Оріон 2017 рік

Розділ 2 ЕЛЕКТРИЧНІ ЯВИЩА. ЕЛЕКТРИЧНИЙ СТРУМ

§ 50 Електричний струм у газах

Ви дізнаєтесь

- Особливості електричного струму в газоподібних середовищах

Пригадайте

- Умови існування електричного струму

Газовий розряд. За звичайних умов гази майже повністю складаються з нейтральних атомів чи молекул, тому є діелектриками.

Переконатися в тому, що повітря є діелектриком, можна за допомогою такого досліду. Візьмемо дві металеві пластини. Одну з пластин приєднаємо до корпусу електрометра. Потім доторкнемося негативно зарядженою паличкою до пластини, приєднаної до електрометра. Обидві пластини набудуть електричного заряду, одна негативного (внаслідок дотику), інша (та, що заземлена) — позитивного (внаслідок впливу) (мал. 203, а).

За умови достатньо сухого повітря заряд на пластинах триматиметься доволі довго, а отже, електричний струм через повітряний простір між пластинами не проходить. Це свідчить про те, що в повітрі між зарядженими пластинами майже відсутні вільні носії електричного заряду.

Однак за деяких умов можна одержати електричний струм і в газах. Внесемо у простір між пластинами запалену спиртівку. Спостерігаємо швидкий розряд електрометра (мал. 203, б). Отже, повітря внаслідок значного підвищення температури набуло провідності й замкнуло коло, тобто в нагрітому газі протікає електричний струм. Процес проходження електричного струму через газ називають газовим розрядом.

Мал. 203. Дослід з електропровідності повітря: а — за нормальних умов повітря не проводить електричний струм; б — нагріте повітря проводить електричний струм

Газовий розряд — це процес проходження електричного струму через газ.

Механізм електропровідності газів. Давайте спробуємо проаналізувати розглянутий дослід. Звідки ж узялися заряджені частинки? Що являють собою вільні носії електричного заряду в газах?

Ви вже знаєте, що в газах молекули (атоми) не перебувають у певних положеннях, а вільно рухаються по всьому об’єму та стикаються між собою. Під час нагрівання молекули (атоми) значно збільшують свою швидкість і відповідно збільшується кінетична енергія теплового руху молекул (атомів) газу. Тепер у разі їхнього зіткнення молекули можуть «розбитися», тобто електрон може відірватися від молекули (атома) та стати вільним. Утративши електрон, молекула (атом) стає позитивним йоном.

Під час теплового руху електрон, зіткнувшись із нейтральною молекулою (атомом), може «прилипнути» до неї — таким чином утвориться негативний йон. Такий процес називають йонізацією газу.

Йонізація — це процес утворення позитивних і негативних йонів та вільних електронів з молекул (атомів).

Газ, що має йони та вільні електрони, називають йонізованим. Зовнішню умову, що приводить до йонізації газу, називають йонізатором.

Отже, в йонізованому газі вільними носіями електричного заряду є: електрони, позитивні та негативні йони.

Йонізувати газ можна в такий спосіб: нагріти його або опромінити електромагнітним випромінюванням, наприклад, рентгенівським або ультрафіолетовим.

У газах одночасно з процесом йонізації відбувається й зворотний процес — рекомбінація. Він полягає в тому, що позитивні та негативні йони (або позитивні йони й електрони) під час зіткнень з’єднуються між собою: утворюються нейтральні атоми або молекули. Із часом кількість йонів у газі зменшуватиметься, і зрештою практично всі йони нейтралізуються, а газ знову стане діелектриком.

Отже, механізм провідності газів схожий на механізм провідності розчинів і розплавів електролітів. У разі відсутності зовнішнього електричного поля заряджені частинки й нейтральні молекули рухаються хаотично. Якщо йони та вільні електрони потрапляють у зовнішнє електричне поле, то вони починають рухатися спрямовано і створюють електричний струм у газах — газовий розряд.

У випадку газового розряду позитивні йони рухаються до катода, а негативні йони та електрони — до анода. На електродах відбувається нейтралізація заряджених частинок, так само, як при проходженні електричного струму через розчини та розплави електролітів. Однак, на відміну від розчинів електролітів, у газах відсутнє виділення речовин на електродах.

Йони газу, наблизившись до електродів, віддають їм свої заряди, перетворюються на нейтральні молекули та потрапляють знову в газ.

Давайте поміркуємо над тим, як же залежить провідність газів від температури. З підвищенням температури зростає швидкість руху молекул, а отже, дедалі більше молекул, стикаючись, «розбиваються» на йони та електрони, тобто кількість вільних носіїв електричного заряду збільшується. Що більшою буде кількість вільних носіїв заряду, то краще речовина проводитиме електричний струм. Отже, очевидним є висновок: зі збільшенням температури газів їхня провідність збільшується, а опір відповідно зменшується.

Несамостійний і самостійний газові розряди. Ми з’ясували, що газовий розряд може існувати за двох умов: існування електричного поля та наявності зовнішнього йонізатора. Дослід показує, що якщо усунути причину, яка б викликала йонізацію газу (прибрати пальник, вимкнути джерело рентгенівського випромінювання тощо), то газовий розряд припиняється. Причиною припинення газового розряду є зменшення кількості вільних носіїв електричного заряду внаслідок рекомбінації молекул газу та відновлення молекул після стикання йонів з електродами. У цьому разі говорять про несамостійний газовий розряд.

Несамостійний газовий розряд — це процес проходження електричного струму, що відбувається тільки за наявності зовнішнього йонізатора.

За певних умов газ може проводити електричний струм і після припинення дії йонізатора — настає самостійний газовий розряд.

Самостійний газовий розряд — це електричний розряд у газі, що зберігається після припинення дії зовнішнього йонізатора.

З’ясуємо, за яких умов можливий самостійний газовий розряд. Розглянемо пару заряджених частинок (позитивний йон і електрон), що утворилася завдяки дії зовнішнього йонізатора й рухається в сильному електричному полі.

Вільний електрон починає рухатися до позитивного електрода — анода, а позитивний йон — до катода. На своєму шляху електрон зустрічає йони та нейтральні атоми. У проміжках між двома послідовними зіткненнями енергія електрона збільшується за рахунок роботи сил електричного поля. Маючи малу масу, електрон майже повністю віддає свою енергію під час зіткнень. Так, зустрічаючись із нейтральним атомом, він «вибиває» з нього електрон. У результаті далі вже рухаються два електрони, які прискорюються електричним полем та йонізують зустрічні атоми, і т. д. Унаслідок цього кількість заряджених частинок швидко зростає, виникає електронна лавина (мал. 204).

Мал. 204. Модель електронної лавини

Що стосується йонів, то вони, рухаючись в електричному полі, також збільшують свою енергію. Але повністю віддати її нейтральному атому (молекулі), тим самим йонізуючи його, йон не може, оскільки має масу, сумірну з масою атома. Під час зіткнення відбувається лише передавання частини кінетичної енергії (як між більярдними кулями).

Проте електронна лавина — це не єдина причина виникнення вільних носіїв електричного заряду в газах. Виявляється, що під час газового розряду відбувається емісія (виліт) електронів з поверхні катода. Прискорені електричним полем позитивні йони, які утворилися внаслідок йонізації ударом, стикаються з поверхнею катода та вибивають з нього електрони. Крім того, під час самостійного газового розряду речовина електродів сильно нагрівається. Унаслідок цього швидкість руху електронів збільшується настільки, що вони починають самостійно вилітати з поверхні негативного електрода й рухатися через газ.

Отже, самостійний газовий розряд можливий за умови сильного електричного поля. У випадку розрідженого газу самостійний розряд можливий і за слабкого електричного поля, оскільки час між зіткненнями буде більшим, і електрон встигне набрати достатньої енергії для удару.

Залежно від властивостей і стану газу, матеріалу й розміщення електродів, а також від прикладеної до електродів напруги виникають різні види самостійного розряду.

Тліючий

Cпостерігається за низьких тисків (десяті й соті частки міліметра ртутного стовпа) і напруги між електродами в кілька сотень вольтів. Використовується в оформленні рекламних вивісок

Коронний

Спостерігається за атмосферного тиску в дуже неоднорідних електричних полях, наприклад, поблизу проводів ліній високої напруги

Іскровий

Виникає за високої напруги між електродами в повітрі й має вигляд пучка яскравих зиґзаґоподібних смужок, що відгалужуються від тонкого каналу. Використовується для оброблення деталей з тугоплавких металів. Прикладом велетенського іскрового розряду є блискавка

Дуговий

Якщо одержати іскровий розряд, а потім поступово зменшувати електричний опір кола, зменшуючи відстань між електродами, розряд перейде з переривчастого в безперервний дуговий. Використовується у прожекторах, проекційних апаратах і кіноапаратах, а також для зварювання металів

Підбиваємо підсумки

- Процес проходження електричного струму через газ називають газовим розрядом.

- Електричний струм у газі являє собою спрямований рух позитивних йонів до катода, а негативних йонів і електронів — до анода.

- Зі збільшенням температури газів їх провідність збільшується, а опір відповідно зменшується.

- Розрізняють такі види самостійного газового розряду: тліючий, іскровий, коронний та дуговий.

Я знаю, вмію й розумію

1. Чому за звичайних умов гази є діелектриками? Чому під час нагрівання чи опромінення газу рентгенівськими або ультрафіолетовими променями газ стає провідником?

2. Що називають газовим розрядом?

3. Який механізм проходження електричного струму в газах? Які заряджені частинки є носіями струму в газах?

4. Який газовий розряд називається несамостійним; самостійним?

ПОЯСНІТЬ

1. До зарядженого електроскопа піднесли запалений сірник. Що відбуватиметься зі стрілкою електроскопа?

2. Чим відрізняється йонізація газів від дисоціації електролітів?





Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити