9 клас фізика. Опрацювати п. 28, 29, 39 відповісти на запитання 1-7

сторінка 118

Електричний струм у газах

1. Електричний розряд у газах.

 2. Іонізація газів.

 3.  Механізм електропровідності газів.

 4. Несамостійний газовий розряд.

 5. Самостійний газовий розряд.

 6. Різні типи самостійного розряду та їх технічне

 застосування.

Всі гази в природному стані не проводять електричного струму. Ізолюючі властивості газів пояснюються тим, що в них немає вільних електричних зарядів: атоми і молекули газів в природному стані є нейтральними.

В газах під впливом високої температури з'являються заряджені частинки. Вони виникають внаслідок відщеплення від атомів газу одного або декількох електронів, у результаті чого замість нейтрального атома виникають позитивний іон і електрони. Частина утворилися електронів може бути при цьому захоплена іншими нейтральними атомами, і тоді з'являться ще негативні іони. Розпад молекул газу на електрони і позитивні іони називається іонізацією газів. Нагрівання газу до високої температури не є єдиним способом іонізації молекул або атомів газу. Іонізація газу може відбуватися під впливом різних зовнішніх взаємодій: сильного нагріву газу, рентгенівських променів,  -променів, що виникають при радіоактивному розпаді, космічних променів, бомбардування молекул газу швидко рухомими електронами або іонами. Чинники, що викликають іонізацію газу називаються іонізаторами. Кількісною характеристикою процесу іонізації служить інтенсивність іонізації, яка вимірюється числом пар протилежних за знаком заряджених часток, що виникають в одиниці об'єму газу за одиницю часу.

 Іонізація атома вимагає витрати певної енергії - енергії іонізації. Для іонізації атома (або молекули) необхідно зробити роботу проти сил взаємодії між вириті електроном і іншими частками атома (або молекули). Ця робота називається роботою іонізації A i. Величина роботи іонізації залежить від хімічної природи газу й енергетичного стану вириваємо електрона в атомі або молекулі.

 Після припинення дії іонізатора кількість іонів у газі з часом зменшується і врешті-решт іони зникають зовсім. Зникнення іонів пояснюється тим, що іони і електрони беруть участь в тепловому русі і тому соударяются один з одним. При зіткненні позитивного іона і електрона вони можуть возз'єднатися у нейтральний атом. Точно також при зіткненні позитивного і негативного іонів негативний іон може віддати свій надлишковий електрон позитивного іону і обидва іона перетворяться на нейтральні атоми. Цей процес взаємної нейтралізації іонів називається рекомбінацією іонів. При рекомбінації позитивного іона і електрона або двох іонів звільняється певна енергія, що дорівнює енергії, витраченої на іонізацію. Частково вона випромінюється у вигляді світла, і тому рекомбінація іонів супроводжується свіченням (свічення рекомбінації).

 У явищах електричного розряду в газах велику роль грає іонізація атомів електронними ударами. Цей процес полягає в тому, що електрон, що рухається, що володіє достатньою кінетичною енергією, при зіткненні з нейтральним атомом вибиває з нього один або кілька атомних електронів, у результаті чого нейтральний атом перетворюється в позитивний іон, а в газі з'являються нові електрони.

3) Механізм електропровідності газів.

 Механізм провідності газів схожий на механізм провідності розчинів і розплавів електролітів. При відсутності зовнішнього поля заряджені частинки, як і нейтральні молекули рухаються хаотично. Якщо іони і вільні електрони виявляються в зовнішньому електричному полі, то вони приходять в спрямоване рух і створюють електричний струм у газах.

 Таким чином, електричний струм у газі Це спрямований рух позитивних іонів до катода, а негативних іонів і електронів до аноду. Повний струм в газі складається з двох потоків заряджених частинок: потоку, що йде до анода, і потоку, спрямованого до катода.

 На електродах відбувається нейтралізація заряджених частинок, як і при проходженні електричного струму через розчини і розплави електролітів. Однак у газах відсутня виділення речовин на електродах, як це має місце в розчинах електролітів. Газові іони, підійшовши до електродів, віддають їм свої заряди, перетворюються на нейтральні молекули й дифундують назад в газ.

 Ще одна відмінність в електропровідності іонізованних газів і розчинів (розплавів) електролітів полягає в тому, що негативний заряд при проходженні струму через гази переноситься в основному не негативними іонами, а електронами, хоча провідність за рахунок негативних іонів також може відігравати певну роль.

 Таким чином у газах поєднується електронна провідність, подібна провідності металів, з іонною провідністю, подібної провідності водних розчинів і розплавів електролітів.

 Несамостійний газовий розряд.

 Процес проходження електричного струму через газ називається газовим розрядом. Якщо електропровідність газу створюється зовнішніми іонізаторами, то електричний струм, що виникає в ньому, називається несамостійним газовим розрядом. З припиненням дії зовнішніх іонізаторів несамостійний розряд припиняється. Несамостійний газовий розряд не супроводжується світінням газу.

  Самостійний газовий розряд.

 Електричний розряд у газі, що зберігається після припинення дії зовнішнього іонізатора, називається самостійним газовим розрядом. Для його здійснення необхідно, щоб в результаті самого розряду в газі безперервно утворювалися вільні заряди. Основним джерелом їх виникнення є ударна іонізація молекул газу.

Але одна іонізація електронним ударом не може забезпечити підтримання самостійного заряду. Дійсно, адже всі виникаючі таким чином електрони рухаються у напрямку до анода і після досягнення анода «вибувають з гри». Для підтримки розряду необхідна емісія електронів з катода («емісія» означає «випускання»). Емісія електрона може бути обумовлена ​​декількома причинами.

 Позитивні іони, що утворилися при зіткненні електронів з нейтральними атомами, при своєму русі до катода набувають під дією поля велику кінетичну енергію. При ударах таких швидких іонів про катод з поверхні катода вибиваються електрони.

 Крім того, катод може випускати електрони при нагріванні до великої температури. Цей процес називається термоелектронної емісією. Його можна розглядати як випаровування електронів з металу. У багатьох твердих речовинах термоелектронна емісія відбувається при температурах, при яких випаровування самого речовини ще мало. Такі речовини і використовуються для виготовлення катодів.

 При самостійному розряді нагрів катода може відбуватися за рахунок бомбардування його позитивними іонами. Якщо енергія іонів не дуже велика, то вибивання електронів з катода не відбувається і електрони випромінюються внаслідок термоелектронної емісії.

 Різні типи самостійного розряду та їх технічне

застосування.

 У залежності від властивостей і стану газу, характеру і розташування електродів, а також від прикладеної до електродів напруги виникають різні види самостійного розряду. Розглянемо кілька з них.

A. Тліючий розряд.

Тліючий розряд спостерігається в газах при низьких тисках порядку декількох десятків міліметрів ртутного стовпа і менше. Якщо розглянути трубку з тліючим розрядом, то можна побачити, що основними частинами тліючого розряду є катодне темний простір, різко віддалене від нього негативне, або тліюче світіння, яке поступово переходить в область фарадеєва темного простору. Ці три області утворюють катодну частина розряду, за якою слід основна світна частина розряду, яка визначає його оптичні властивості і звана позитивним стовпом.

 Тліючий розряд використовується в газосвітних трубках, лампах денного світла, стабілізаторах напруги, для отримання електронних і іонних пучків. Якщо в катоді зробити щілину, то крізь неї у простір за катодом проходять вузькі іонні пучки, часто звані каналових променями. Широко використовується явище катодного розпилення, тобто руйнування поверхні катода під дією вдаряються об нього позитивних іонів. Ультрамікроскопічні осколки матеріалу катода летять на всі боки по прямих лініях і покривають тонким шаром поверхню тіл (особливо діелектриків), поміщених в трубку. Таким способом виготовляють дзеркала для низки приладів, наносять тонкий шар металу на селенові фотоелементи.

B. Коронний розряд.

Коронний розряд виникає при нормальному тиску в газі, що знаходиться в сильно неоднорідному електричному полі (наприклад, близько вістрям або проводів ліній високої напруги). При коронному розряді іонізація газу і його світіння відбуваються лише поблизу коронуючих електродів.

 Заряджена грозова хмара індукує на поверхні Землі під собою електричні заряди протилежного знака. Особливо великий заряд накопичується на вістрях. Тому перед грозою або під час грози нерідко на вістрях та гострих кутах високо піднятих предметів спалахують схожі на пензлики конуси світла. З давніх часів це світіння називають вогнями святого Ельма.

 Особливо часто свідками цього явища стають альпіністи. Іноді лажі не тільки металеві предмети, а й кінчики волосся на голові прикрашаються маленькими світяться китицями.

 З коронним розрядом доводиться рахуватися, маючи справу з високою напругою. При наявності виступаючих частин або дуже тонких проводів може початися коронний розряд. Це призводить до витоку електроенергії. Чим вище напруга високовольтної лінії, тим товщі повинні бути дроти.

C. іскровий розряд.

 Іскровий розряд має вигляд яскравих зигзагоподібних розгалужуються ниток-каналів, які пронизують розрядний проміжок і зникають, замінюючись новими. Дослідження показали, що канали іскрового розряду починають рости іноді від позитивного електрода, іноді від негативного, а іноді і від якої-небудь точки між електродами. Це пояснюється тим, що іонізація ударом у випадку іскрового розряду відбувається не з усього обсягу газу, а по окремих каналах, що проходять в тих місцях, в яких концентрація іонів випадково виявилася найбільшою. Іскровий розряд супроводжується виділенням великої кількості теплоти, яскравим світінням газу, тріском або громом. Всі ці явища викликаються електронними та іонними лавинами, які виникають в іскрових каналах і призводять до величезного збільшення тиску і підвищенню температури до 10000 ° С.

 Характерним прикладом іскрового розряду є блискавка. Головний канал блискавки має діаметр від 10 до 25 см., а довжина блискавки може досягати декількох кілометрів. Максимальна сила струму імпульсу блискавки досягає десятків і сотень тисяч ампер.

 При малій довжині розрядного проміжку іскровий розряд викликає специфічне руйнування анода, зване ерозією. Це явище було використано в електроіскровому методі різання, свердління та інших видах точної обробки металу.

 Іскровий проміжок застосовується в якості запобіжника від перенапруги в електричних лініях передач (наприклад, в телефонних лініях). Якщо поблизу лінії проходить сильний короткочасний струм, то в проводах цієї лінії індукуються напрузі і струми, які можуть зруйнувати електричну установку і небезпечні для життя людей. Щоб уникнути цього використовуються спеціальні запобіжники, що складаються з двох вигнутих електродів, один з яких приєднаний до лінії, а інший заземлений. Якщо потенціал лінії відносно землі сильно зростає, то між електродами виникає іскровий розряд, який разом з нагрітим їм повітрям піднімається вгору, подовжується і обривається.

 D. Дуговий розряд.

 Дугового розряд був відкритий В. В. Петровим у 1802 році. Цей розряд являє собою одну з форм газового розряду, здійснювану при великій щільності струму і порівняно невеликій напрузі між електродами (порядку декількох десятків вольт). Основною причиною дугового розряду є інтенсивне випускання термоелектронів розпеченим катодом. Ці електрони прискорюються електричним полем і виробляють ударну іонізацію молекул газу, завдяки чому електричний опір газового проміжку між електродами порівняно мало. Якщо зменшити опір зовнішнього ланцюга, збільшити силу струму дугового розряду, то провідність газового проміжку настільки сильно зросте, що напруга між електродами зменшується. Тому кажуть, що дуговий розряд має падаючу вольт-амперна характеристику. При атмосферному тиску температура катода досягає 3000 ° C. Електрони, бомбардуючи анод, створюють у ньому змову (кратер) і нагрівають його. Температура кратера близько 4000 ° С, а при великих тисках повітря досягає 6000-7000 ° С. Температура газу в каналі дугового розряду досягає 5000-6000 ° С, тому в ньому відбувається інтенсивна термоіонізація.