Як називається проходження електричного струму через газ. Електричний струм у газах: визначення, особливості та цікаві факти

Утворюється спрямованим рухом вільних електронів і що ніяких змін речовини, з якого провідник зроблено, не відбувається.

Такі провідники, у яких проходження електричного струму не супроводжується хімічними змінами їхньої речовини, називаються провідниками першого роду. До них відносяться всі метали, вугілля та ряд інших речовин.

Але є у природі й такі провідники електричного струму, у яких під час проходження струму відбуваються хімічні явища. Ці провідники називаються провідниками другого роду. До них відносяться головним чином різні розчини у воді кислот, солей та лугів.

Якщо в скляну посудину налити води і додати до неї кілька крапель сірчаної кислоти (або будь-якої іншої кислоти або лугу), а потім взяти дві металеві пластини і приєднати до них провідники, опустивши ці пластини в посудину, а до інших кінців провідників підключити джерело струму через вимикач і амперметр, то відбудеться виділення газу з розчину, причому воно продовжуватиметься безперервно, поки замкнутий ланцюг т.к. підкислена вода справді є провідником. Крім того, пластини почнуть покриватися бульбашками газу. Потім ці бульбашки відриватимуться від пластин і виходитимуть назовні.

При проходженні розчином електричного струму відбуваються хімічні зміни, внаслідок яких виділяється газ.

Провідники другого роду називаються електролітами, а явище, що відбувається в електроліті при проходженні через нього електричного струму, -.

Металеві пластини, опущені електроліт, називаються електродами; одна з них, поєднана з позитивним полюсом джерела струму, називається анодом, а інша, поєднана з негативним полюсом, - катодом.

Чим зумовлюється проходження електричного струму в рідкому провіднику? Виявляється, у таких розчинах (електролітах) молекули кислоти (луги, солі) під дією розчинника (в даному випадку води) розпадаються на дві складові, причому одна частка молекули має позитивний електричний заряд, а інша негативний.

Частинки молекули, що мають електричний заряд, називаються іонами . При розчиненні у воді кислоти, солі або лугу у розчині виникає велика кількістьяк позитивних, і негативних іонів.

Тепер має стати зрозумілим, чому через розчин пройшов електричний струм, адже між електродами, з'єднаними з джерелом струму, створено, інакше кажучи, один із них виявився зарядженим позитивно, а інший негативно. Під впливом цієї різниці потенціалів позитивні іони почали перемішатися до негативного електроду - катоду, а негативні іони- До анода.

Таким чином, хаотичний рух іонів став упорядкованим зустрічним рухом негативних іонів в один бік та позитивних в інший. Цей процес перенесення зарядів і становить протягом електричного струму через електроліт і відбувається до тих пір, поки є різниця потенціалів на електродах. Зі зникненням різниці потенціалів припиняється струм через електроліт, порушується впорядкований рух іонів, і знову настає хаотичний рух.

Як приклад розглянемо явище електролізу при пропусканні електричного струму через розчин мідного купоросу CuSO4 з опущеними мідними електродами.

Явище електролізу при проходженні струму через розчин мідного купоросу: С - посудина з електролітом, Б - джерело струму, В - вимикач

Тут також буде зустрічний рух іонів до електродів. Позитивним іоном буде іон міді (Сі), а негативним – іон кислотного залишку (SO4). Іони міді при зіткненні з катодом будуть розряджатися (приєднуючи себе недостатні електрони), т. е. перетворюватися на нейтральні молекули чистої міді, і як тонкого (молекулярного) шару відкладатися на катоді.

Негативні іони, досягнувши анода, також розряджаються (віддають зайві електрони). Але при цьому вони вступають у хімічну реакціюз міддю анода, внаслідок чого до кислотного залишку SO4 приєднується молекула міді Сu і утворюється молекула мідного купоросу СuS О4, що повертається електроліту.

Оскільки цей хімічний процес протікає довгий часто на катоді відкладається мідь, що виділяється з електроліту. При цьому електроліт замість молекул міді, що пішли на катод, отримує нові молекули міді за рахунок розчинення другого електрода - анода.

Той самий процес відбувається, якщо замість мідних взяті цинкові електроди, а електроліт служить розчин цинкового купоросу Zn SO4. Цинк також переноситиметься з анода на катод.

Таким чином, різниця між електричним струмом у металах та рідких провідникахполягає в тому, що в металах переносниками зарядів є тільки вільні електрони, тобто негативні заряди, тоді як в електролітах переноситься різноіменно зарядженими частинками речовини - іонами, що рухаються в протилежних напрямках. Тому кажуть, що електроліти мають іонну провідність.

Явище електролізубуло відкрито в 1837 р. Б. С. Якобі, який проводив численні досліди з дослідження та вдосконалення хімічних джерелструму. Якобі встановив, що один із електродів, поміщених у розчин мідного купоросу, при проходженні через нього електричного струму покривається міддю.

Це явище, назване гальванопластикою, знаходить зараз надзвичайно велике практичне застосування. Однією з прикладів тому може бути покриття металевих предметів тонким шаром інших металів, т. е. нікелювання, золочення, сріблення тощо.

Гази (у тому числі і повітря) звичайних умовахне проводять електричний струм. Наприклад, голі, будучи підвішені паралельно один одному, виявляються ізольованими один від одного шаром повітря.

Однак під впливом високої температури, великої різниці потенціалів та інших причин гази, подібно до рідких провідників, іонізуються , тобто в них з'являються у великій кількості частинки молекул газу, які, будучи переносниками електрики, сприяють проходженню через газ електричного струму.

Але водночас іонізація газу відрізняється від іонізації рідкого провідника. Якщо рідини відбувається розпад молекули на дві заряджені частини, то газах під впливом іонізації від кожної молекули завжди відокремлюються електрони і залишається іон як позитивно зарядженої частини молекули.

Варто лише припинити іонізацію газу, як він перестане бути провідним, тоді як рідина завжди залишається провідником електричного струму. Отже, провідність газу - явище тимчасове, що залежить від впливу зовнішніх причин.

Однак є й інший дуговим розрядомабо просто електричною дугою. Явище електричної дуги було відкрито на початку 19 століття першим російським електротехніком В. В. Петровим.

В. В. Петров, проробляючи численні досліди, виявив, що між двома деревними вугіллям, з'єднаними з джерелом струму, виникає безперервний електричний розряд через повітря, що супроводжується яскравим світлом. У своїх працях В. В. Петров писав, що при цьому "темний спокій досить яскраво висвітлений може бути". Так вперше було отримано електричне світло, практично застосував ще один російський учений-електротехнік Павло Миколайович Яблочков.

"Свічка Яблочкова", робота якої заснована на використанні електричної дуги, здійснила на той час справжній переворот у електротехніці.

Дуговий розряд застосовується як джерело світла і в наші дні, наприклад, у прожекторах і проекційних апаратах. Висока температура дугового розряду дозволяє використовувати його для . В даний час дугові печі, що живляться струмом дуже великої сили, Застосовуються в ряді областей промисловості: для виплавки сталі, чавуну, феросплавів, бронзи і т.д. А в 1882 році Н. Н. Бенардосом дуговий розрядвперше був використаний для різання та зварювання металу.

У газосвітніх трубках, лампах денного світла, стабілізаторах напруги для отримання електронних та іонних пучків використовується так званий тліючий газовий розряд.

Іскровий розряд застосовується для вимірювання великих різниць потенціалів за допомогою кульового розрядника, електродами якого служать дві металеві кулі з полірованою поверхнею. Кулі розсувають, і на них подається різниця потенціалів, що вимірюється. Потім кулі зближують доти, доки між ними не проскочить іскра. Знаючи діаметр куль, відстань між ними, тиск, температуру та вологість повітря, знаходять різницю потенціалів між кулями за спеціальними таблицями. Цим методом можна вимірювати з точністю до кількох відсотків різниці потенціалів близько десятків тисяч вольт.

Презентація на тему: “ Електричний струму різних середовищах ”

Виконала Житіна Каріна

Учениця 8-го класу.

Електричний струм може протікати в п'яти різних середовищах:

Металах

Вакуум

Напівпровідники

Рідинах

Електричний струм у металах:

Електричний струм у металах – це впорядкований рух електронів під впливом електричного поля. Досліди показують, що при протіканні струму металевим провідником не відбувається перенесення речовини, отже, іони металу не беруть участі в переносі електричного заряду.

Досліди Толмена і Стюарта є доказом того, що метали мають електронну провідність.

Котушка з більшим числомвитків тонкого дроту приводилася у швидке обертання навколо своєї осі. Кінці котушки за допомогою гнучких проводів були приєднані до чутливого балістичному гальванометру Г. Розкручена котушка різко гальмувалась, і в ланцюзі виникав короткочасний струм, зумовлений інерцією електронів.

Висновок: 1. носіями заряду в металах є електрони;

2. процес утворення носіїв заряду – узагальнення валентних електронів;

3.сила струму прямо пропорційна напрузі і обернено пропорційна опору провідника - виконується закон Ома;

4. технічне застосування електричного струму у металах: обмотки двигунів, трансформаторів, генераторів, проводка всередині будівель, мережі електропередачі, силові кабелі.

Електричний струм у вакуумі

- Вакуум- сильно розріджений газ, у якому Середня довжинавільного пробігу частинки більше розміру судини, тобто молекула пролітає від однієї стінки судини до іншої без зіткнення з іншими молекулами. В результаті у вакуумі немає вільних носіїв заряду і електричний струм не виникає. Для створення носіїв заряду вакуумі використовують явище термоелектронної емісії.

ТЕРМОЕЛЕКТРОННА ЕМІСІЯ – це явище «випаровування» електронів із поверхні нагрітого металу.

У вакуум вносять металеву спіраль, покриту оксидом металу, нагрівають її електричним струмом (ланцюг розжарення) і з поверхні спіралі випаровуються електрони, рухом яких можна керувати за допомогою електричного поля.

На слайді показано включення двоелектродної лампи

Така лампа називається вакуумний діод.

Ця електронна лампа має назву вакуумний ТРІОД.

Вона має третій електрод-сітку, знак потенціалу на якій управляє потоком електронів.

Висновки:1. носії заряду – електрони;

2. процес освіти носіїв заряду – термоелектронна емісія;

3. Закон Ома не виконується;

4.технічне застосування – вакуумні лампи (діод, тріод), електронно – променева трубка.

Електричний струм у напівпровідниках

При нагріванні або освітленні деякі електрони набувають можливість вільно переміщатися всередині кристала, тому при додатку електричного поля виникає спрямоване переміщення електронів.

Напівпровідники є чимось середнім між провідниками та ізоляторами.

- Напівпровідники - тверді речовини, провідність яких залежить від зовнішніх умов(в основному від нагрівання та від освітлення).

Зі зниженням температури опір металів падає. У напівпровідників, навпаки, зі зниженням температури опір зростає і поблизу абсолютного нулявони практично стають ізоляторами.

Залежність питомого опоруρ чистого напівпровідника від абсолютної температури T .

Власна провідність напівпровідників

Атоми германію мають чотири слабо пов'язані електрони на зовнішній оболонці. Їх називають валентними електронами . У кристалічні гратикожен атом оточений чотирма найближчими сусідами. Зв'язок між атомами в кристалі германію є ковалентної , Т. е. здійснюється парами валентних електронів. Кожен валентний електрон належить двом атомам. Валентні електрони в кристалі германію набагато сильніше пов'язані з атомами, ніж у металах; тому концентрація електронів провідності при кімнатній температурі напівпровідниках набагато порядків менше, ніж в металів. Поблизу абсолютного нуля температури кристалі германію все електрони зайняті у освіті зв'язків. Такий кристал електричного струму не проводить.

Утворення електронно-діркової пари

При підвищенні температури або збільшенні освітленості деяка частина валентних електронів може отримати енергію, достатню для розриву ковалентних зв'язків. Тоді кристалі виникнуть вільні електрони (електрони провідності). Одночасно у місцях розриву зв'язків утворюються вакансії, які зайняті електронами. Ці вакансії отримали назву « дірок ».

Домішна провідність напівпровідників

Провідність напівпровідників за наявності домішок називається домішковою провідністю. Розрізняють два типи домішкової провідності - електроннуі дірочнупровідності.

Електроннаі дірочнапровідності.

Якщо домішка має більшу валентність, ніж чистий напівпровідник, то з'являються вільні електрони. Провідність – електронна,домішка донорна,напівпровідник n – типу.

Якщо домішка має меншу валентність, ніж чистий напівпровідник, то з'являються розриви зв'язків - дірки. Провідність – дірочна,домішка акцепторна,напівпровідник p – типу.

Висновки:1. носії заряду – електрони та дірки;

2. процес освіти носіїв заряду – нагрівання, висвітлення чи використання домішок;

3. Закон Ома не виконується;

4.технічне застосування – електроніка.

Електричний струм у рідинах

- електролітами прийнято називати провідні середовища, у яких перебіг електричного струму супроводжується перенесенням речовини. Носіями вільних зарядів в електролітах є позитивно та негативно заряджені іони. Електролітами є водні розчини неорганічних кислот, солей та лугів.

Опір електролітів падає зі зростанням температури, оскільки зі зростанням температури зростає кількість іонів.

- Графік залежності опору електроліту від температури.

Явище електролізу

Це виділення на електродах речовин, що входять до електролітів;
Позитивно заряджені іони (аніони) під впливом електричного поля прагнуть негативного катоду, а негативно заряджені іони (катіони) - до позитивного аноду.
На аноді негативні іони віддають зайві електрони ( окислювальна реакція)
На катоді позитивні іони отримують електрони (відновна).

Закони електролізу Фарадея.

Закони електролізу визначають масу речовини, що виділяється при електролізі на катоді або аноді за весь час проходження електричного струму через електроліт.

K - електрохімічний еквівалент речовини,
чисельно рівний масіречовини, що виділився на електроді під час проходження через електроліт заряду 1 Кл.

Висновок:1. носії заряду - позитивні та негативні іони;

- 2. процес утворення носіїв заряду – електролітична дисоціація;

- 3 .електроліти підпорядковуються закону Ома;

- 4. Застосування електролізу :
отримання кольорових металів(очищення від домішок – рафінування); гальваностегія- одержання покриттів на металі (нікелювання, хромування, золочення, сріблення тощо);
гальванопластика- отримання покриттів, що відшаровуються (рельєфних копій).

Електричний струм у газах

Зарядимо конденсатор та підключимо його обкладки до електрометра. Заряд на пластинах конденсатора тримається як завгодно довго, не спостерігається переходу заряду з однієї пластини конденсатора на іншу. Отже, повітря між пластинами конденсатора не проводить струм.

За звичайних умов відсутня провідність електричного струму будь-якими газами. Нагріємо тепер повітря в проміжку між пластинами конденсатора, внісши до нього запалений пальник. Електрометр вкаже появу струму, отже за високої температури частина нейтральних молекул газу розпадається на позитивні і негативні іони. Таке явище називається іонізацієюгазу.

Проходження електричного струму через газ називається розрядом.

Розряд, що існує при дії зовнішнього іонізатора, - несамостійний .

Якщо дія зовнішнього іонізатора продовжується, то через визначений часу газі встановлюється внутрішня іонізація (іонізація електронним ударом) і розряд стає самостійним .

Види самостійного розряду:

ІСКРОВИЙ

КОРОННИЙ

Іскровий розряд

При досить великій напруженості поля (близько 3 МВ/м) між електродами з'являється електрична іскра, що має вигляд яскраво звивистого звивистого каналу, що з'єднує обидва електроди. Газ поблизу іскри нагрівається до високої температури і раптово розширюється, чому виникають звукові хвилі, і ми чуємо характерний тріск.

Блискавка. Красиве та небезпечне явище природи – блискавка – є іскровим розрядом в атмосфері.

Вже в середині 18 століття висловлювалося припущення, що грозові хмари несуть у собі великі електричні заряди і що блискавка є гігантська іскра, нічим, крім розмірів, не відрізняється від іскри між кулями електричної машини. На це вказував, наприклад, російський фізик та хімік Михайло Васильович Ломоносов (1711-1765), поряд з іншими науковими питаннямищо займався атмосферною електрикою.

Електрична дуга (дуговий розряд)

У 1802 російський фізик В.В. Петров (1761-1834) встановив, що якщо приєднати до полюсів великої електричної батареї два шматочки деревного вугілля і, привівши вугілля в зіткнення, злегка їх розсунути, то між кінцями вугілля утворюється яскраве полум'я, а самі кінці вугілля розжаряться до білого.

У природі немає абсолютних діелектриків. Упорядкований рух частинок - носіїв електричного заряду, тобто струм, можна викликати у будь-якому середовищі, проте для цього необхідні особливі умови. Ми розглянемо тут, як протікають електричні явищау газах і як газ можна з дуже гарного діелектрика перетворити на дуже хороший провідник. Нас цікавитиме, за яких умов виникає, а також якими особливостями характеризується електричний струм у газах.

Електричні властивості газів

Діелектрик - це речовина (середовище), в якому концентрація частинок - вільних носіїв електричного заряду - не досягає скільки-небудь значущої величини, внаслідок чого провідність дуже мала. Усі гази – хороші діелектрики. Їхні ізолюючі властивості використовуються повсюдно. Наприклад, у будь-якому вимикачі розмикання ланцюга відбувається, коли контакти наводяться в таке положення, щоб між ними утворився повітряний зазор. Провід в лініях електропередач також ізолюється один від одного повітряним шаром.

Структурною одиницею будь-якого газу є молекула. Вона складається з атомних ядерта електронних хмар, тобто являє собою сукупність електричних зарядівдеяким чином розподілені в просторі. Молекула газу може бути внаслідок особливостей своєї будови чи поляризуватися під впливом зовнішнього електричного поля. Переважна більшість молекул, що становлять газ, у звичайних умовах електрично нейтральні, оскільки заряди в них компенсують один одного.

Якщо прикласти до газу електричне поле, молекули приймуть дипольну орієнтацію, займаючи просторове становище, що компенсує вплив поля. Присутні в газі заряджені частинки під дією кулонівських сил почнуть рух: позитивні іони – у напрямку катода, негативні іони та електрони – до анода. Однак якщо поле має недостатній потенціал, єдиний спрямований потік зарядів не виникає, і можна говорити швидше про окремі струми, настільки слабкі, що їх слід знехтувати. Газ поводиться як діелектрик.

Таким чином, для виникнення електричного струму в газах необхідна велика концентрація вільних носіїв заряду та наявність поля.

Іонізація

Процес лавиноподібного збільшення числа вільних зарядів у газі називають іонізацією. Відповідно, газ, у якому є значна кількість заряджених частинок, називається іонізованим. Саме у таких газах створюється електричний струм.

Процес іонізації пов'язані з порушенням нейтральності молекул. Внаслідок відриву електрона виникають позитивні іони, приєднання електрона до молекули призводить до утворення негативного іона. Крім того, в іонізованому газі багато вільних електронів. Позитивні іони та особливо електрони - головні носії заряду при електричному струмі в газах.

Іонізація відбувається, коли частинці повідомляється кілька енергії. Так, зовнішній електрон у складі молекули, отримавши цю енергію, може залишити молекулу. Взаємні зіткнення заряджених частинок з нейтральними призводять до вибивання нових електронів, і процес набуває лавиноподібного характеру. Кінетична енергія частинок також зростає, що значно сприяє іонізації.

Звідки береться енергія, що витрачається на збудження у газах електричного струму? Іонізація газів має кілька джерел енергії, відповідно до яких прийнято називати і її типи.

1. Іонізація електричним полем. В цьому випадку потенціальна енергіяполя перетворюється на кінетичну енергію частинок.
2. Термоіонізація. Підвищення температури веде до утворення великої кількості вільних зарядів.
3. Фотоіонізація. Суть даного процесуу тому, що енергію електронам повідомляють кванти електромагнітного випромінювання- фотони, якщо вони мають досить високу частоту (ультрафіолетові, рентгенівські, гамма-кванти).
4. Ударна іонізація є результатом перетворення кінетичної енергії частинок, що стикаються, в енергію відриву електрона. Поряд з термоіонізацією, вона є основним фактором збудження в газах електричного струму.

Кожен газ характеризується певною граничною величиною - енергією іонізації, необхідної для того, щоб електрон міг відірватися від молекули, подолавши потенційний бар'єр. Ця величина для першого електрона становить від кількох вольт до двох десятків вольт; для відриву наступного електрона від молекули потрібно більше енергії тощо.

Слід враховувати, що з іонізацією в газі протікає зворотний процес - рекомбінація, тобто відновлення нейтральних молекул під дією кулонівських сил тяжіння.

Газовий розряд та його типи

Отже, електричний струм у газах обумовлений упорядкованим рухом заряджених частинок під дією доданого до них електричного поля. Наявність таких зарядів, у свою чергу, можлива завдяки різним факторам іонізації.

Так, термоіонізація вимагає значних температур, але відкрите полум'я у зв'язку з деякими хімічними процесамисприяє іонізації. Навіть при порівняно невисокій температурі в присутності полум'я фіксується поява в газах електричного струму, і досвід із провідністю газу дозволяє легко переконатися в цьому. Потрібно помістити полум'я пальника чи свічки між обкладками зарядженого конденсатора. Ланцюг, розімкнений раніше через повітряного зазору в конденсаторі, замкнеться. Включений у ланцюг гальванометр покаже наявність струму.

Електричний струм у газах називається газовим розрядом. Потрібно мати на увазі, що для підтримки стабільності розряду дія іонізатора повинна бути постійною, оскільки через постійну рекомбінацію газ втрачає електропровідні властивості. Одні носії електричного струму в газах – іони – нейтралізуються на електродах, інші – електрони, – потрапляючи на анод, прямують до «плюсу» джерела поля. Якщо іонізуючий фактор перестане діяти, газ негайно знову стане діелектриком і струм припиниться. Такий струм, який залежить від дії зовнішнього іонізатора, називається несамостійним розрядом.

Особливості проходження електричного струму через гази описуються особливою залежністю сили струму від напруги – вольт-амперною характеристикою.

Розглянемо розвиток газового розряду на графіку вольт-амперної залежності. При підвищенні напруги до деякого значення U 1 струм наростає пропорційно до нього, тобто виконується закон Ома. Зростає кінетична енергія, отже, і швидкість зарядів у газі, і цей процес випереджає рекомбінацію. При значеннях напруги від U1 до U2 таке співвідношення порушується; при досягненні U 2 всі носії зарядів досягають електродів, не встигаючи рекомбінувати. Усе вільні зарядизадіяні, та подальше підвищеннянапруги не призводить до збільшення сили струму. Такий характер руху зарядів називається струмом насичення. Таким чином, можна сказати, що електричний струм у газах обумовлений особливостями поведінки іонізованого газу в електричних полях різної напруженості.

Коли різниця потенціалів на електродах досягає певного значення U 3 напруга стає достатнім, щоб електричне поле викликало лавиноподібну іонізацію газу. Кінетичної енергії вільних електронів вже вистачає для ударної іонізації молекул. Швидкість їх у більшості газів становить близько 2000 км/с і від (вона розраховується за наближеною формулою v=600 U i , де U i - іонізаційний потенціал). У цей момент відбувається пробій газу та суттєве зростання струму за рахунок внутрішнього джерела іонізації. Тому такий розряд називається самостійним.

Наявність зовнішнього іонізатора у разі вже відіграє ролі підтримки у газах електричного струму. Самостійний розрядв різних умовахі за різних характеристик джерела електричного поля може мати ті чи інші особливості. Виділяють такі типи самостійного розряду, як тліючий, іскровий, дуговий та коронний. Ми розглянемо, як поводиться електричний струм у газах, коротко для кожного з цих типів.

Досить різниці потенціалів від 100 (і навіть менше) до 1000 вольт для збудження самостійного розряду. Тому тліючий розряд, що характеризується малим значенням сили струму (від 10 -5 до 1 А), виникає при тисках не більше кількох міліметрів ртутного стовпа.

У трубці з розрідженим газом і холодними електродами формується тліючий розряд виглядає як тонкий шнур, що світиться між електродами. Якщо продовжити відкачування газу з трубки, спостерігатиметься розмивання шнура, а при тисках в десяті частки міліметрів стовпа ртутного свічення заповнює трубку практично повністю. Світло відсутнє поблизу катода - у так званому темному катодному просторі. Решта називається позитивним стовпом. При цьому головні процеси, що забезпечують існування розряду, локалізуються саме в темному катодному просторі та прилеглій до нього області. Тут відбувається прискорення заряджених частинок газу, що вибивають із катода електрони.

При тліючий розряд причиною іонізації є електронна емісія з катода. Випущені катодом електрони виробляють ударну іонізацію молекул газу, позитивні іони, що виникають, викликають вторинну емісію з катода і так далі. Світіння позитивного стовпа пов'язано в основному з віддачею фотонів збудженими молекулами газу, і для різних газівхарактерне свічення певного кольору. Позитивний стовп бере участь у формуванні тліючого розряду тільки як ділянка електричного ланцюга. Якщо зближувати електроди, можна досягти зникнення позитивного стовпа, але при цьому розряд не припиниться. Однак з подальшим скороченнямвідстані між електродами тліючий розряд не зможе існувати.

Необхідно відзначити, що для даного типуелектричного струму в газах фізика деяких процесів ще повністю не прояснена. Наприклад, поки залишається неясною природа сил, що викликають зі збільшенням струму розширення поверхні катода області, що бере участь у розряді.

Іскровий розряд

Іскровою пробою має імпульсний характер. Він виникає при тисках, близьких до нормального атмосферного, у випадках, коли потужності джерела електричного поля недостатньо підтримки стаціонарного розряду. Напруженість поля у своїй велика і може досягати 3 МВ/м. Явище характеризується різким зростанням розрядного електричного струму газі, одночасно напруга надзвичайно швидко падає, і розряд припиняється. Далі знову зростає різниця потенціалів і весь процес повторюється.

При цьому тип розряду формуються короткочасні іскрові канали, зростання яких може починатися з будь-якої точки між електродами. Це пов'язано з тим, що ударна іонізація відбувається випадковим чином у місцях, де в Наразіконцентрується найбільша кількістьіонів. Поблизу іскрового каналу газ швидко нагрівається та відчуває теплове розширення, що викликає акустичні хвилі Тому іскровий розряд супроводжується тріском, а також виділенням теплоти та яскравим свіченням. Процеси лавинної іонізації породжують в іскровому каналі високі тиски та температури до 10 тисяч градусів та вище.

Найяскравішим прикладом природного іскрового розряду є блискавка. Діаметр головного іскрового каналу блискавки може становити від кількох сантиметрів до 4 м, а довжина каналу досягатиме 10 км. Величина сили струму сягає 500 тис. ампер, а різниця потенціалів між грозовим хмарою і поверхнею Землі сягає мільярда вольт.

Найбільш довга блискавка завдовжки 321 км спостерігалася у 2007 році в Оклахомі, США. Рекордсменом за тривалістю стала блискавка, зафіксована у 2012 році у Французьких Альпах – вона тривала понад 7,7 секунди. При ударі блискавки повітря може розігрітися до 30 тисяч градусів, що у 6 разів перевищує температуру видимої поверхні Сонця.

У тих випадках, коли потужність джерела електричного поля досить велика, іскровий розряд розвивається у дуговому.

Цей вид самостійного розряду характеризується великою щільністюструму і малим (менше, ніж при розряді, що тліє) напругою. Дистанція пробою невелика завдяки близькому розташуванню електродів. Розряд ініціюється випромінюванням електрона з поверхні катода (для атомів металів потенціал іонізації невеликий порівняно з молекулами газів). Під час пробою між електродами створюються умови, за яких газ проводить електричний струм, і виникає іскровий розряд, що замикає ланцюг. Якщо потужність джерела напруги досить велика, іскрові розряди переходять у стійку електричну дугу.

Іонізація при дуговому розряді досягає майже 100%, сила струму дуже велика і може становити від 10 до 100 ампер. При атмосферному тискудуга здатна нагріватися до 5-6 тисяч градусів, а катод – до 3 тисяч градусів, що призводить до інтенсивної термоелектронної емісії з його поверхні. Бомбардування анода електронами призводить до часткового руйнування: утворюється поглиблення - кратер з температурою близько 4000 °C. Збільшення тиску спричиняє ще більше зростання температур.

При розведенні електродів дуговий розряд залишається стійким до певної відстані, що дозволяє боротися з ним на тих ділянках електрообладнання, де він шкідливий через корозію, що викликається ним, і вигоряння контактів. Це такі пристрої, як високовольтні та автоматичні вимикачі, контактори та інші. Одним із методів боротьби з дугою, що виникає при розмиканні контактів, є використання дугогасних камер, заснованих на принципі подовження дуги. Застосовуються і багато інших методів: шунтування контактів, використання матеріалів з високим потенціаломіонізації тощо.

Розвиток коронного розряду відбувається при нормальному атмосферному тиску різко неоднорідних поляху електродів, що володіють великою кривизноюповерхні. Це можуть бути шпилі, щогли, дроти, різні елементи електроустаткування, що мають складну форму, і навіть волосся людини. Такий електрод називається коронувальним. Іонізаційні процеси і, відповідно, свічення газу мають місце лише поблизу нього.

Корона може формуватися як на катоді (негативна корона) при бомбардуванні його іонами, так і на аноді (позитивна) в результаті фотоіонізації. Негативна корона, в якій іонізаційний процес як наслідок термоемісії спрямований від електрода, характеризується рівним свіченням. У позитивній короні можуть спостерігатися стримери - лінії лінії ламаної конфігурації, що світяться, можуть перетворитися на іскрові канали.

Прикладом коронного розряду в природних умовє виникають на вістрях високих щоглів, верхівках дерев тощо. Вони утворюються при великій напруженості електричного поля в атмосфері, часто перед грозою або під час хуртовини. Крім того, їх фіксували на обшивці літаків, що потрапили у хмару вулканічного попелу.

Коронний розряд на дротах ЛЕП веде до значних втрат електроенергії. При великій напрузі коронний розрядможе переходити до дугової. Боротьбу з ним ведуть у різний спосібнаприклад, шляхом збільшення радіуса кривизни провідників.

Електричний струм у газах та плазма

Повністю або частково іонізований газ називається плазмою і вважається четвертим агрегатним станомречовини. Загалом плазма електрично нейтральна, оскільки сумарний заряд складових її частинок дорівнює нулю. Це відрізняє її від інших систем заряджених частинок, таких як електронні пучки.

У природних умовах плазма утворюється, як правило, при високих температурах внаслідок зіткнення атомів газу великих швидкостях. Переважна частина баріонної матерії у Всесвіті перебуває у стані плазми. Це зірки, частина міжзоряної речовини, міжгалактичний газ. Земна іоносфера також є розрідженою слабо іонізованою плазмою.

Ступінь іонізації є важливою характеристикоюплазми - від неї залежать провідні властивості. Ступінь іонізації визначається як відношення кількості іонізованих атомів до загальної кількостіатомів в одиниці об'єму. Чим сильніше іонізована плазма, тим вища її електропровідність. Крім того, їй властива висока рухливість.

Ми бачимо, таким чином, що гази, що проводять електричний струм, у межах каналу розряду являють собою не що інше, як плазму. Так, тліючий та коронний розряди – це приклади холодної плазми; іскровий канал блискавки або електрична дуга – приклади гарячої, практично повністю іонізованої плазми.

Електричний струм у металах, рідинах та газах - відмінності та подібність

Розглянемо особливості, якими характеризується газовий розряд проти властивостями струму інших середовищах.

У металах струм - це спрямований рух вільних електронів, що не тягне за собою хімічних змін. Провідники такого типу називають провідниками першого роду; до них відносяться, крім металів та сплавів, вугілля, деякі солі та оксиди. Їх вирізняє електронна провідність.

Провідники другого роду – це електроліти, тобто рідкі водні розчини лугів, кислот та солей. Проходження струму пов'язане з хімічною зміною електроліту – електролізом. Іони речовини, розчиненої у воді, під дією різниці потенціалів переміщуються в протилежні сторони: позитивні катіони- До катода, негативні аніони - до анода. Процес супроводжується виділенням газу чи відкладенням шару металу на катоді. Провідникам другого роду властива іонна провідність.

Що стосується провідності газів, то вона, по-перше, тимчасова, по-друге, має ознаки подібності та відмінності з кожним із них. Так, електричний струм і в електролітах, і в газах - це спрямований до протилежних електродів дрейф заряджених часток часток. Однак у той час як електроліти характеризуються чисто іонною провідністю, в газовому розряді при поєднанні електронного і іонного типівпровідності провідна роль належить електронам. Ще одна відмінність електричного струму в рідинах і газах полягає в природі іонізації. В електроліті молекули розчиненої сполуки дисоціюють у воді, а в газі молекули не руйнуються, а лише втрачають електрони. Тому газовий розряд, як і струм у металах, не пов'язаний із хімічними змінами.

Неоднакова також і струму в рідинах та газах. Провідність електролітів загалом підпорядковується закону Ома, а за газовому розряді не дотримується. Вольт-амперна характеристика газів має набагато більше важкий характер, пов'язаний із властивостями плазми

Слід згадати і про загальні та відмінних рисахелектричного струму в газах та у вакуумі. Вакуум – це майже ідеальний діелектрик. "Майже" - тому що у вакуумі, незважаючи на відсутність (точніше, надзвичайно малу концентрацію) вільних носіїв заряду, теж можливий струм. Але в газі потенційні носіївже присутні, їх необхідно іонізувати. У вакуум носії заряду вносяться з речовини. Як правило, це відбувається в процесі електронної емісії, наприклад, при нагріванні катода (термоелектронна емісія). Але і в різних типахгазових розрядів емісія, як ми бачили, грає важливу роль.

Застосування газових розрядів у техніці

Про шкідливій діїтих чи інших розрядів коротенько вже йшлося вище. Тепер звернемо увагу на користь, яку вони приносять у промисловості та побуті.

Тліючий розряд застосовують в електротехніці (стабілізатори напруги), технології нанесення покриттів (метод катодного розпилення, заснований на явищі корозії катода). В електроніці його використовують для отримання іонних та електронних пучків. Широко відомою сферою застосування тліючого розряду є люмінесцентні та так звані економічні лампи та декоративні неонові та аргонові газорозрядні трубки. Крім того, тліючий розряд застосовують і в спектроскопії.

Іскровий розряд знаходить застосування в запобіжниках, в електроерозійних методах точної обробки металів (іскрове різання, свердління тощо). Але найбільш відомий він завдяки використанню у свічках запалювання двигунів. внутрішнього згорянняі в побутової техніки(Газові плити).

Дуговий розряд, будучи вперше використаний в освітлювальній техніці ще в 1876 (свічка Яблочкова - «російське світло»), досі служить як джерело світла - наприклад, в проекційних апаратах і потужних прожекторах. У електротехніці дуга використовується у ртутних випрямлячах. Крім того, вона застосовується в електрозварюванні, у різанні металу, у промислових електропечах для виплавки сталі та сплавів.

Коронний розряд знаходить застосування в електрофільтрах для іонного очищення газів, у лічильниках елементарних частинок, у блискавковідводах, у системах кондиціювання повітря. Також коронний розряд працює в копіювальних апаратах та лазерних принтерах, де за допомогою його проводиться заряд та розрядка світлочутливого барабана та перенесення порошку з барабана на папір.

Таким чином, газові розряди всіх типів знаходять широке застосування. Електричний струм у газах успішно та ефективно використовується у багатьох галузях техніки.

У звичайних умовах гази не проводять електричний струм, оскільки їх молекули електрично нейтральні. Наприклад, сухе повітря – це хороший ізолятор, у чому ми могли переконатися за допомогою найпростіших дослідів з електростатики. Однак повітря та інші гази стають провідниками електричного струму, якщо в них у той чи інший спосіб створити іони.

Мал. 100. Повітря стає провідником електричного струму, якщо його іонізувати

Найпростіший досвід, що ілюструє провідність повітря при його іонізації полум'ям, показаний на рис. 100: заряд на пластинах, що зберігається протягом тривалого часу, швидко зникає при внесенні запаленого сірника в простір між пластинами.

Газовий розряд.Процес проходження електричного струму через газ зазвичай називають газовим розрядом (або електричним розрядому газі). Газові розряди поділяються на два види: самостійні та несамостійні.

Несамостійний розряд.Розряд у газі називають несамостійним, якщо для його підтримки необхідне зовнішнє джерело

іонізації. Іони в газі можуть виникати під дією високих температур, рентгенівського та ультрафіолетового випромінювання, радіоактивності, космічних променів і т. д. У всіх цих випадках відбувається звільнення одного або декількох електронів з електронної оболонкиатома чи молекули. В результаті в газі з'являються позитивні іони та вільні електрони. Електрони, що звільнилися, можуть приєднуватися до нейтральних атомів або молекул, перетворюючи їх на негативні іони.

Іонізація та рекомбінація.Поряд із процесами іонізації в газі відбуваються і зворотні процеси рекомбінації: з'єднуючись між собою, позитивні та негативні іони або позитивні іони та електрони утворюють нейтральні молекули або атоми.

Зміну з часом концентрації іонів, зумовлене постійним джерелом іонізації та процесами рекомбінації, можна описати в такий спосіб. Припустимо, що джерело іонізації створює в одиниці обсягу газу за одиницю часу позитивних іоніві така сама кількість електронів. Якщо в газі немає електричного струму і можна знехтувати відходом іонів з об'єму, що розглядається, через дифузію, то єдиним механізмом зменшення концентрації іонів буде рекомбінація.

Рекомбінація відбувається під час зустрічі позитивного іона з електроном. Число таких зустрічей пропорційно як числу іонів, так і вільних електронів, тобто пропорційно . Тому спад числа іонів в одиниці обсягу в одиницю часу може бути записана у вигляді , де а - постійна величина, називається коефіцієнтом рекомбінації

При справедливості введених припущень рівняння балансу іонів у газі запишеться як

Ми не вирішуватимемо це диференціальне рівнянняв загальному вигляді, а розглянемо деякі цікаві окремі випадки.

Насамперед зазначимо, що процеси іонізації та рекомбінації через деякий час повинні компенсувати один одного і в газі встановиться постійна концентрація видно, що при

Стаціонарна концентрація іонів тим більша, чим потужніше джерело іонізації і чим менший коефіцієнтрекомбінації а.

Після вимкнення іонізатора зменшення концентрації іонів описується рівнянням (1), в якому потрібно покласти прийняти як початкове значення концентрації іонів

Переписавши це рівняння у вигляді після інтегрування отримуємо

Графік цієї функції показано на рис. 101. Він є гіперболою, асимптотами якої є вісь часу і вертикальна пряма. фізичний сенсмає лише ділянку гіперболи, що відповідає значенням Відзначимо повільний характер зменшення концентрації з часом у порівнянні з часто зустрічаються у фізиці процесами експоненційного згасання, які реалізуються, коли швидкість зменшення будь-якої величини пропорційна першому ступені миттєвого значення цієї величини.

Мал. 101. Зменшення концентрації іонів у газі після вимкнення джерела іонізації

Несамостійна провідність.Процес спадання концентрації іонів після припинення дії іонізатора значно прискорюється, якщо газ знаходиться у зовнішньому електричному полі. Витягуючи електрони та іони на електроди, електричне поле може дуже швидко звернути в нуль електропровідність газу без іонізатора.

Для з'ясування закономірностей несамостійного розряду розглянемо простоти випадок, коли струм в іонізованому зовнішнім джерелом газі тече між двома плоскими електродами, паралельними друг другу. У цьому випадку іони та електрони знаходяться в однорідному електричному полі напруженості Е, рівною відношеннюдоданого до електродів напруги до відстані між ними.

Рухливість електронів та іонів.При постійній прикладеній напрузі в ланцюзі встановлюється деяка постійна сила струму 1. Це означає, що електрони та іони в іонізованому газі рухаються з постійними швидкостями. Щоб пояснити цей факт, потрібно вважати, що крім постійної прискорюючої сили електричного поля на іони і електрони, що рухаються, діють сили опору, що ростуть зі збільшенням швидкості. Ці сили описують усереднений ефект зіткнень електронів та іонів із нейтральними атомами та молекулами газу. Завдяки силам опору

встановлюються в середньому постійні швидкості електронів та іонів, пропорційні напруженості Е електричного поля:

Коефіцієнти пропорційності називаються рухливістю електрона та іона. Рухливості іонів та електронів мають різні значенняі залежить від сорту газу, його щільності, температури тощо.

Щільність електричного струму тобто заряд, що переноситься електронами та іонами за одиницю часу через одиничний майданчик, виражається через концентрацію електронів та іонів їх заряди і швидкості руху, що встановився

Квазінейтральність.У звичайних умовах іонізований газ в цілому електронейтральний, або, як кажуть, квазінейтральний, бо в малих обсягах, що містять порівняно невелику кількість електронів та іонів, умова електронейтральності може і порушуватися. Це означає, що виконується співвідношення

Щільність струму за несамостійного розряду.Щоб отримати закон зміни з часом концентрації носіїв струму при несамостійному розряді в газі, потрібно поряд з процесами іонізації зовнішнім джерелом та рекомбінації врахувати також догляд електронів та іонів на електроди. Число частинок, що йдуть в одиницю часу на електрод площі з обсягу дорівнює Швидкість зменшення концентрації таких частинок ми отримаємо, розділивши це число на обсяг газу між електродами. Тому рівняння балансу замість (1) за наявності струму запишеться як

Для встановлення режиму, коли з (8) отримуємо

Рівняння (9) дозволяє знайти залежність щільності струму, що встановився, при несамостійному розряді від прикладеної напруги (або від напруженості поля Е).

Два граничні випадки видно безпосередньо.

Закон Ома.При низькій напрузі, коли в рівнянні (9) можна знехтувати другим доданком у правій частині, після чого отримуємо формули (7) при цьому маємо

Щільність струму пропорційна напруженості доданого електричного поля. Отже, для несамостійного газового розряду у слабких електричних полях виконується закон Ома.

Струм насичення.При низькій концентрації електронів та іонів у рівнянні (9) можна знехтувати першим (квадратичним по складових у правій частині. У цьому наближенні вектор щільності струму спрямований уздовж напруженості електричного поля, а його модуль

не залежить від прикладеної напруги. Цей результат є справедливим для сильних електричних полів. В цьому випадку говорять про струм насичення.

Обидва розглянуті граничні випадки можна досліджувати і не звертаючись до рівняння (9). Однак таким шляхом не можна простежити, як зі збільшенням напруги відбувається перехід від закону Ома до нелінійної залежності струму від напруги.

У першому випадку, коли струм дуже малий, основний механізм видалення електронів та іонів з області розряду - це рекомбінація. Тому для стаціонарної концентрації можна скористатися виразом (2), що з обліку (7) негайно дає формулу (10). У другому граничному випадку, навпаки, нехтується рекомбінацією. У сильному електричному полі електрони та іони не встигають скільки-небудь помітно рекомбінувати за час прольоту від одного електрода до іншого, якщо їх концентрація досить мала. Тоді всі утворювані зовнішнім джерелом електрони та іони досягають електродів і повна щільність струму дорівнює.

Експериментальне вивчення газового розрядуВисновки теорії несамостійного газового розряду підтверджуються експериментами. Для дослідження розряду в газі зручно використовувати скляну трубку із двома металевими електродами. Електрична схематакої установки показано на рис. 102. Рухливості

електронів та іонів сильно залежать від тиску газу (назад пропорційно тиску), тому досліди зручно проводити при зниженому тиску.

На рис. 103 представлена ​​залежність сили струму I в трубці від прикладеного до електродів трубки напруги Іонізацію в трубці можна створити, наприклад, рентгенівськими або ультрафіолетовими променями або за допомогою слабкого радіоактивного препарату. Істотно тільки, щоб зовнішнє джерело іонів залишалося незмінним Лінійна ділянка ОА вольт-амперної характеристики відповідає області застосування закону Ома.

Мал. 102. Схема установки вивчення газового розряду

Мал. 103. Експериментальна вольт-амперна характеристика газового розряду

На ділянці сила струму нелінійно залежить від напруги. Починаючи з точки В струм досягає насичення і залишається постійним на деякій ділянці Все це відповідає теоретичним прогнозам.

Самостійний розряд.Однак у точці З знову починається зростання струму, спочатку повільне, а потім дуже різке. Це означає, що у газі з'явився новий, внутрішнє джерелоіонів. Якщо тепер прибрати зовнішнє джерело, то розряд у газі не припиняється, тобто з несамостійного розряд переходить у самостійний. При самостійному розряді утворення нових електронів та іонів відбувається в результаті внутрішніх процесіву самому газі.

Іонізація електронним ударом.Наростання струму при переході від несамостійного розряду до самостійного відбувається лавиноподібно і називається електричним пробоєм газу. Напруга, у якому відбувається пробою, називається напругою запалювання. Воно залежить від роду газу та від тиску газу на відстань між електродами.

Процеси в газі, відповідальні за лавиноподібне наростання сили струму при збільшенні прикладеної напруги, пов'язані з іонізацією нейтральних атомів або молекул газу вільними електронами, розігнаними електричним полем досить

великих енергій. Кінетична енергія електрона перед черговим зіткненням з нейтральним атомом або молекулою пропорційна напруженості електричного поля Е та довжині вільного пробігу електрона X:

Якщо ця енергія достатня у тому, щоб іонізувати нейтральний атом чи молекулу, т. е. перевершує роботу іонізації

то при зіткненні електрона з атомом чи молекулою відбувається їхня іонізація. В результаті замість одного електрона виникають два. Вони в свою чергу розганяються електричним полем і іонізують атоми або молекули, що зустрічаються на їх шляху, і т. д. Процес розвивається лавиноподібно і називається електронною лавиною. Описаний механізм іонізації називається іонізацією електронним ударом.

Експериментальний доказ те, що іонізація нейтральних атомів газу відбувається переважно завдяки ударам електронів, а чи не позитивних іонів, було дано Дж. Таунсендом. Він брав іонізаційну камеруу вигляді циліндричного конденсатора, внутрішнім електродом якого була тонка металева нитка, натягнута по осі циліндра. У такій камері електричне поле, що прискорює, сильно неоднорідне, і основну роль в іонізації відіграють частинки, які потрапляють в область найбільш сильного поляпоблизу нитки. Досвід показує, що при тому самому напрузі між електродами струм розряду більше в тому випадку, коли позитивний потенціал подається на нитку, а не на зовнішній циліндр. Саме в цьому випадку всі вільні електрони, що створюють струм, обов'язково проходять через область найбільш сильного поля.

Емісія електронів із катода.Самостійний розряд може бути стаціонарним лише за умови постійної появи в газі нових вільних електронів, оскільки всі електрони, що виникають в лавині, досягають анода і вибувають з гри. Нові електрони вибиваються з катода позитивними іонами, які при русі до катода також прискорюються електричним полем і набувають достатньої для цього енергії.

Катод може випускати електрони у результаті бомбардування іонами, а й самостійно, при нагріванні до високої температури. Такий процес називається термоелектронною емісією, його можна розглядати як свого роду випаровування електронів із металу. Зазвичай воно відбувається за таких температур, коли випаровування самого матеріалу катода ще мало. У разі самостійного газового розряду катод зазвичай розігрівається не

ниткою напруження, як у електронних лампах, а через виділення теплоти під час бомбардування його позитивними іонами. Тому катод випромінює електрони навіть тоді, коли енергія іонів недостатня для вибивання електронів.

Самостійний розряд у газі виникає не тільки в результаті переходу від несамостійного при підвищенні напруги та видаленні зовнішнього джерела іонізації, але і при безпосередньому додатку напруги, що перевищує граничну напругу запалювання. Теорія показує, що для запалення розряду достатньо незначної кількості іонів, які завжди присутні в нейтральному газі хоча б через природне радіоактивне тло.

Залежно від властивостей та тиску газу, конфігурації електродів та прикладеної до електродів напруги можливі різні види самостійного розряду.

Тліючий розряд.При низький тиск(десяті та соті частки міліметра ртутного стовпа) у трубці спостерігається тліючий розряд. Для запалювання розряду, що тліє, достатньо напруги в кілька сотень або навіть десятків вольт. У тліючому розряді можна виділити чотири характерні області. Це темне катодне простір, що тліє (або негативне) світіння, фарадєєво темний простір і позитивний стовп, що світиться, що займає більшу частину простору між анодом і катодом.

Перші три області розташовані поблизу катода. Саме тут відбувається різке падіння потенціалу, пов'язане з великою концентрацією позитивних іонів на межі катодного темного простору і свічення, що тліє. Електрони, прискорені в області темного катодного простору, виробляють в області тліючого світіння інтенсивну ударну іонізацію. Тліюче свічення обумовлено рекомбінацією іонів і електронів в нейтральні атомичи молекули. Для позитивного стовпа розряду характерне незначне падіння потенціалу і свічення, викликане поверненням збуджених атомів чи молекул газу основний стан.

Коронний розряд.При порівняно високих тисках у газі (порядку атмосферного) поблизу загострених ділянок провідника, де електричне поле сильно неоднорідне, спостерігається розряд, область якого нагадує корону. Коронний розряд іноді виникає в природних умовах на верхівках дерев, корабельних щоглах і т. п. (Вогні святого Ельма). З коронним розрядом доводиться рахуватися в техніці високих напруг, коли цей розряд виникає навколо проводів високовольтних лінійелектропередачі та призводить до втрат електроенергії. Корисне практичне застосування коронний розряд знаходить електрофільтрах для очищення промислових газів від домішок твердих і рідких частинок.

При збільшенні напруги між електродами коронний розряд переходить у іскровий з повним пробоєм проміжку між

електродами. Він має вигляд пучка яскравих зигзагоподібних каналів, що розгалужуються, миттєво пронизують розрядний проміжок і примхливо змінюють один одного. Іскровий розряд супроводжується виділенням великої кількості теплоти, яскравим блакитно-білим світінням та сильним потріскуванням. Його можна спостерігати між кульками електрофорної машини. Приклад гігантського іскрового розряду – природна блискавка, де сила струму досягає 5-105 А, а різниця потенціалів – 109 В.

Оскільки іскровий розряд відбувається при атмосферному (і вищому) тиску, то напруга запалювання дуже велика: у сухому повітрі при відстані між електродами 1 см воно становить близько 30 кВ.

Електричні дуги.Специфічним практично важливим виглядомСамостійним газовим розрядом є електрична дуга. При зіткненні двох вугільних або металевих електродів у місці їхнього контакту виділяється велика кількість теплоти через великий опір контакту. В результаті починається термоелектронна емісія і при розсуві електродів між ними виникає дуга, що яскраво світиться, з сильно іонізованого добре провідного газу. Сила струму навіть не великий дузідосягає декількох ампер, а у великій дузі - декількох сотень ампер при напрузі близько 50 В. Електрична дуга широко застосовується в техніці як потужне джерелосвітла, в електропечах та для електрозварювання. слабке поле, що затримує, з напругою близько 0,5 В. Це поле перешкоджає попаданню на анод повільних електронів. Електрони випускаються катодом К, що підігрівається електричним струмом.

На рис. 105 показана отримана в цих дослідах залежність сили струму в анодному ланцюгу від прискорювальної напруги Ця залежність має немонотонний характер з максимумами при кратних напругах 4,9 В.

Дискретність рівнів енергії атома.Пояснити таку залежність струму від напруги можна лише наявністю у атомів дискретних ртуті. стаціонарних станів. Якби дискретних стаціонарних станів у атома не було, тобто його внутрішня енергія могла б набувати будь-яких значень, то непружні зіткнення, що супроводжуються збільшенням внутрішньої енергії атома, могли б відбуватися за будь-яких енергій електронів. Якщо ж дискретні стани є, то зіткнення електронів з атомами можуть бути тільки пружними, поки енергія електронів недостатня для переведення атома з основного стану в нижчий збуджений.

При пружних зіткненнях кінетична енергія електронів практично не змінюється, тому що маса електрона набагато менша за масу атома ртуті. У умовах кількість електронів, досягають анода, монотонно збільшується зі зростанням напруги. Коли прискорювальна напруга досягає значення 4,9, зіткнення електронів з атомами стають непружними. Внутрішня енергія атомів стрибком збільшується, а електрон внаслідок зіткнення втрачає майже всю свою кінетичну енергію.

Затримуюче поле також не пропускає повільні електрони до анода і сила струму різко зменшується. Вона не звертається в нуль лише тому, що частина електронів досягає сітки, не зазнавши непружних зіткнень. Другий і наступні максимуми сили струму виходять тому, що при напругах, кратних 4,9, електрони на шляху до сітки можуть випробувати кілька непружних зіткненьз атомами ртуті.

Отже, необхідну для непружного зіткнення енергію електрон набуває тільки після проходження різниці потенціалів 4,9 В. Це означає, що внутрішня енергія атомів ртуті не може змінитися на величину меншу еВ, що і доводить дискретність енергетичного спектра атома. Справедливість цього висновку підтверджується ще й тим, що при напрузі 4,9 розряд починає світитися: збуджені атоми при спонтанних

переходах в основний стан випромінюють видиме світлочастота якого збігається з обчисленою за формулою

У класичних дослідах Франка і Герца методом електронного удару було визначено як потенціали збудження, а й іонізаційні потенціали низки атомів.

Наведіть приклад досвіду з електростатики, з якого можна зробити висновок про те, що сухе повітря – це добрий ізолятор.

Де в техніці використовуються ізолюючі властивості повітря?

Що таке несамостійний газовий розряд? За яких умов він протікає?

Поясніть, чому швидкість зменшення концентрації, обумовлена ​​рекомбінацією, пропорційна квадрату концентрації електронів та іонів. Чому ці концентрації вважатимуться однаковими?

Чому для закону зменшення концентрації, що виражається формулою (3), не має сенсу вводити поняття характерного часу, широко використовуваного для експоненційно загасаючих процесів, хоча і в тому і в іншому випадку процеси продовжуються, взагалі кажучи, нескінченно довго?

Як на вашу думку, чому в визначеннях рухливостей у формулах (4) для електронів та іонів обрані протилежні знаки?

Яка сила струму при несамостійному газовому розряді залежить від прикладеної напруги? Чому із зростанням напруги відбувається перехід від закону Ома до струму насичення?

Електричний струм у газі здійснюється як електронами, і іонами. Однак на кожен із електродів приходять заряди лише одного знака. Як це узгоджується з тим, що у всіх ділянках послідовного ланцюга сила струму однакова?

Чому в іонізації газу в розряді через зіткнення найбільшу роль відіграють електрони, а не позитивні іони?

Опишіть характерні ознакирізних видів самостійного газового розряду

Чому результати дослідів Франка та Герца свідчать про дискретність рівнів енергії атомів?

Опишіть фізичні процеси, що відбуваються в газорозрядній трубці у дослідах Франка та Герца, при підвищенні напруги, що прискорює.