Проходження електричного струму через гази називають. Електричний струм у газах: визначення, особливості та цікаві факти

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 ядер та електронних хмар, тобто є сукупністю електричних зарядів, деяким чином розподілених у просторі. Молекула газу може бути внаслідок особливостей своєї будови чи поляризуватися під впливом зовнішнього електричного поля. Переважна більшість молекул, що становлять газ, звичайних умовахелектрично нейтральні, оскільки заряди у 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 силпочнуть 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. У цьому випадку потенційна енергія поля 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 струму 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. Усі вільні заряди задіяні, 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 розряд у різних умовахі при різних характеристикахджерела 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 у десяті частки міліметрів ртутного стовпа 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 світіння певного кольору. Позитивний стовп бере участь у формуванні розряду, що тліє, тільки в якості ділянки 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 незрозумілою природа сил, що викликають зі збільшенням струму розширення лежить на 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 наї Велика 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 тиску дуга 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 елементиелектроустаткування, 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 розряд може переходити до дугового. Боротьбу з ним ведуть у різний спосібнаприклад, шляхом збільшення радіуса кривизни провідників.

Електричний струм у газах та плазма

Цілком або частково іонізований газ називається плазмою і вважається четвертим агрегатним станом речовини. 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, за високих температур внаслідок зіткнення атомів газу на 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 розчинилугів, 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 суто іонною провідністю, у газовому розряді при поєднанні електронного та іонного типів провідності 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 носії вже 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 й у різних типах газових розрядів емісія, як бачили, грає значної ролі.

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 нормальних умовах газ - це діелектрик, тобто. складається з нейтральних атомів і молекул і містить вільних носіїв эл.тока. Газ-провідник – це іонізований газ. Іонізований газ має електронно-іонну провідність.

Повітря є діелектриком в лініях електропередач, повітряних конденсаторах, контактних вимикачах.

Повітря є провідником у разі виникнення блискавки, електричної іскри, у разі зварювальної дуги.

Іонізація газу – це розпад нейтральних атомів або молекул на позитивні іони та електрони шляхом відриву електронів від атомів. Іонізація відбувається при нагріванні газу або дії випромінювань (УФ, рентген, радіоактивне) і пояснюється розпадом атомів та молекул при зіткненнях на високих швидкостях.

Газовий розряд – це ел.ток в іонізованих газах. Носіями зарядів є позитивні іони та електрони. p align="justify"> Газовий розряд спостерігається в газорозрядних трубках (лампах) при впливі електричного або магнітного поля.

Мал. 1

Рекомбінація заряджених частинок

Газ перестає бути провідником, якщо іонізація припиняється, це відбувається через рекомбінацію (возз'єднання протилежно заряджених частинок).

Мал. 2

Існує самостійний та несамостійний газовий розряд.

Несамостійний електричний розряд. Досвід показує, що дві різноіменно заряджені пластини, розділені шаром повітря, не розряджаються.

Зазвичай речовина в газоподібному станіє ізолятором, оскільки атоми чи молекули, у тому числі воно складається, містять однакове число негативних і позитивних електричних зарядів й у цілому нейтральні.

Внесемо у простір між пластинами полум'я сірника чи спиртування рис 3.

Мал. 3

При цьому електрометр почне швидко розряджатися. Отже, повітря під дією полум'я стало провідником. При винесенні полум'я із простору між пластинами розряд електрометра припиняється. Такий результат можна отримати, опромінюючи пластини світлом електричної дуги. Ці досліди доводять, що може стати провідником електричного струму.

Явище проходження електричного струму через газ, що спостерігається лише за умови якогось зовнішнього впливу, називається несамостійним електричним розрядом.

Термічна іонізація. Нагрівання газу робить його провідником електричного струму, оскільки частина атомів чи молекул газу перетворюється на заряджені іони.

Для відриву електрона від атома необхідно здійснити роботу проти сил кулонівського тяжіння між позитивно зарядженим ядром та негативним електроном. Процес відриву електрона від атома називається іонізацією атома. Мінімальна енергія, яку необхідно витратити для відриву електрона від атома чи молекули, називається енергією зв'язку.

Електрон може бути відірваний від атома при зіткненні двох атомів, якщо їхня кінетична енергія перевищує енергію зв'язку електрона. Кінетична енергія теплового рухуатомів чи молекул прямо пропорційна абсолютної температуритому з підвищенням температури газу збільшується кількість зіткнень атомів або молекул, що супроводжуються іонізацією.

Процес виникнення вільних електронів та позитивних іонівв результаті зіткнень атомів і молекул газу за високої температури називається термічною іонізацією.

Плазма. Газ, у якому значна частина атомів чи молекул іонізована, називається плазмою. Ступінь термічної іонізації плазми залежить від температури. Наприклад, при температурі 10 000 К іонізовано менше 10 % загальної кількості атомів водню, при температурі вище 20 000 К водень практично повністю іонізовано.

Електрони та іони плазми можуть рухатися під дією електричного поля. Таким чином, при низьких температурахгаз є ізолятором, при високих температурах перетворюється на плазму і стає провідником електричного струму.

Фотоіонізація. Енергія, необхідна відриву електрона від атома чи молекули, може бути передана світлом. Іонізація атомів чи молекул під впливом світла називається фотоіонізацією.

Самостійний електричний розряд. При збільшенні напруженості електричного поля до певного значення, що залежить від природи газу та його тиску, в газі виникає електричний струм і без впливу зовнішніх іонізаторів. Явище проходження через газ електричного струму, який залежить від дії зовнішніх іонізаторів, називається самостійним електричним розрядом.

У повітрі при атмосферному тиску самостійний електричний розряд виникає при напруженості електричного поля, що дорівнює приблизно

Основний механізм іонізації газу за самостійного електричного розряду - іонізація атомів і молекул внаслідок ударів електрона.

Іонізація електронним ударом. Іонізація електронним ударом стає можливою тоді, коли електрон при вільному пробігу набуде кінетичної енергії, що перевищує енергію зв'язку W електрона з атомом.

Кінетична енергія W до електрона, що набувається під дією електричного поля напруженістю, дорівнює роботі сил електричного поля:

W до = Fl = eEl,

де l - Довжина вільного пробігу.

Звідси наближена умова початку іонізації електронним ударом має вигляд

Енергія зв'язку електронів у атомах і молекулах зазвичай виявляється у электронволътах (эВ). 1 еВ дорівнює роботі, яку здійснює електричне поле при переміщенні електрона (або іншої частинки, що володіє елементарним зарядом) між точками поля, напруга між якими дорівнює 1 В:

Енергія іонізації атома водню, наприклад, дорівнює 13,6 еВ.

Механізм самостійного розряду. Розвиток самостійного електричного розряду в газі протікає в такий спосіб. Вільний електрон під дією електричного поля набуває прискорення. Якщо напруженість електричного поля досить велика, електрон при вільному пробігу настільки збільшує кінетичну енергію, що при зіткненні з молекулою іонізує її.

Перший електрон, що викликав іонізацію молекули, і другий електрон, звільнений в результаті іонізації, під дією електричного поля набувають прискорення в напрямку від катода до анода. Кожен з них при наступних зіткненнях звільняє ще по одному електрону і загальне числовільних електронів стає рівним чотирьом. Потім так само воно збільшується до 8, 16, 32, 64 і т. д. Число вільних електронів, що рухаються від катода до анода, наростає лавиноподібно до тих пір, поки вони не досягнуть анода рис. 4.

Мал. 4

Позитивні іони, що у газі, рухаються під впливом електричного поля від анода до катоду. При ударах позитивних іонів про катод і під дією світла, що випромінюється у процесі розряду, з катода можуть звільнятися нові електрони. Ці електрони, у свою чергу, розганяються електричним полем і створюють нові електронно-іонні лавини, тому процес може тривати безперервно.

Концентрація іонів у плазмі з розвитком самостійного розряду збільшується, а електричний опір розрядного проміжку зменшується. Сила струму в ланцюзі самостійного розряду зазвичай визначається лише внутрішнім опором джерела струму та електричним опором інших елементів кола.

Іскровий розряд. Блискавка. Якщо джерело струму не здатне підтримувати самостійний електричний розряд протягом тривалого часу, то самостійний розряд, що відбувається, називається іскровим розрядом. Іскровий розряд припиняється через короткий проміжок часу після початку розряду внаслідок значного зменшення напруги. Приклади іскрового розряду - іскри, що виникають при розчісуванні волосся, розділенні аркушів паперу, розряді конденсатора.

Самостійний електричний розряд є і блискавками, що спостерігаються під час грози. Сила струму в каналі блискавки досягає 10 000-20 000 А, тривалість імпульсу струму становить кілька десятків мікросекунд. Самостійний електричний розряд між грозовим хмарою і Землею після кількох ударів блискавки сам припиняється, оскільки більшість надлишкових електричних зарядів у грозовому хмарі нейтралізується електричним струмом, що протікає плазмовим каналом блискавки (рис. 5).

Мал. 6

При збільшенні сили струму в каналі блискавки відбувається нагрівання плазми до температури понад 10 000 К. Зміни тиску в плазмовому каналі блискавки зі збільшенням сили струму та припинення розряду викликають звукові явища, які називаються громом.

Тліючий розряд. При зниженні тиску газу в розрядному проміжку розрядний канал стає ширшим, а потім плазмою, що світиться, виявляється рівномірно заповнена вся розрядна трубка. Цей вид самостійного електричного розряду в газах називається розрядом, що тліє (рис. 7).

Мал. 7

Електричні дуги. Якщо сила струму в самостійному газовому розряді дуже велика, то удари позитивних іонів та електронів можуть спричинити розігрівання катода та анода. З поверхні катода за високої температури відбувається емісія електронів, що забезпечує підтримку самостійного розряду в газі. Тривалий самостійний електричний розряд у газах, що підтримується за рахунок термоелектронної емісії з катода, називається дуговим розрядом (рис. 8).

Мал. 8

Коронний розряд. У сильно неоднорідних електричних полях, що утворюються, наприклад, між вістрям і площиною або між дротом і площиною (лінія електропередачі) виникає самостійний розряд особливого виду, званий коронним розрядом. При коронному розряді іонізація електронним ударом відбувається лише поблизу одного з електродів, в області високої напруженістю електричного поля.

Застосування електричних розрядів. Удари електронів, що розганяються електричним полем, призводять не тільки до іонізації атомів і молекул газу, але й до збудження атомів і молекул, що супроводжується випромінюванням світла. Світлове випромінюванняплазми самостійного електричного розряду широко використовується в народному господарствіта у побуті. Це лампи денного світла та газорозрядні лампи вуличного, освітлення, електрична дуга в кінопроекційному апараті та ртутно-кварцові лампи, що застосовуються у лікарнях та поліклініках. Висока температура плазми дугового розряду дозволяє застосовувати його для різання та зварювання металевих конструкцій, для плавки металів. За допомогою іскрового розряду ведеться обробка деталей із найтвердіших матеріалів.

Електричний розряд у газах буває і небажаним явищем, з яким у техніці потрібно боротися. Так, наприклад, коронний електричний розряд із проводів високовольтних ліній електропередач призводить до марних втрат електроенергії. Зростання цих втрат зі збільшенням напруги ставить межу на шляху подальшого збільшення напруги в лінії електропередач, тоді як зменшення втрат енергії на нагрівання проводів таке підвищення дуже бажано.

Проходження електричного струму через газ

Електричний струм у газах має в порівнянні зі струмом у металевих провідниках особливостями:

1) носіями електричних зарядів у газі є елементарні заряджені частинки – електрони та іони. Електричний струм у газах є спрямованим рухом, як електронів, так і іонів під дією прикладеного градієнта потенціалу;

2) атоми і молекули в газі знаходяться на значній відстані один від одного, що у багато разів перевищує розміри молекули, внаслідок чого сили взаємодії між ними незначні та вільні заряди практично відсутні. Щоб газ став провідником, його необхідно іонізувати, т. е. створити у ньому іони і вільні електрони.

Теоретично газового розряду процес початкової іонізації газового проміжку під дією прикладеної напруги називають пробоєм газового проміжку . Проходження електричного струму через газ називають розрядом .

Напруга пробою при даній відстані між електродами залежить від роду газу та його тиску. При змінному напрузі явище пробою ускладнюється побічними процесами. Наприклад, зі зростанням частоти напруга пробою знижується.

Фізичні процеси, які у момент пробою, можна описати так. В даному обсязі газу внаслідок зовнішніх природних іонізуючих факторів завжди присутні в невеликій кількості окремі вільні заряджені частинки, які при появі електричного поля починають рухатися вздовж силових ліній. Швидкість руху заряджених частинок у газі залежить від їхнього заряду та маси, а також напруженості поля. Якщо частка зустріне по дорозі тому чи молекулу газу, то станеться зіткнення. Залежно від кінетичної енергії, якою володіє частка моменту зіткнення, і властивостей зустрінутого атома його результатом будуть зміни швидкості атома (пружне зіткнення) або його збудження або навіть іонізація (непружне зіткнення). При збудженні відбувається зростання внутрішньої енергії, атома з допомогою кінетичної енергії частки. Цей надлишок енергії звільняється через невеликий проміжок часу як фотона. При іонізації відбувається звільнення електрона у складі електронів зовнішньої орбіти атома чи молекули. Звільнений електрон під дією поля почне рухатися і своєю чергою може іонізувати зустрінуті їм атоми чи молекули. Процес звільнення заряджених частинок за достатньої напруженості прикладеного поля розвивається лавиноподібно. Зовнішній ланцюг, за допомогою якого було прикладено напругу, що викликало пробою, виявиться замкненим, і в ньому встановиться електричний струм, значення якого визначається насамперед параметрами цього зовнішнього ланцюга.

Досвід показує, що дві різноіменно заряджені пластини, розділені шаром повітря, не розряджаються.

Зазвичай речовина в газоподібному стані є ізолятором, оскільки атоми або молекули, з яких вона складається, містять однакову кількість негативних

та позитивних електричних зарядів та в цілому нейтральні.

Внесемо у простір між пластинами полум'я сірника чи спиртування (рис. 164). При цьому електрометр почне швидко розряджатися. Отже, повітря під дією полум'я стало провідником. При винесенні полум'я із простору між пластинами розряд електрометра припиняється. Такий результат можна отримати, опромінюючи пластини світлом електричної дуги. Ці досліди доводять, що може стати провідником електричного струму.

Явище проходження електричного струму через газ, що спостерігається лише за умови якогось зовнішнього впливу, називається несамостійним електричним розрядом.

Термічна іонізація.

Нагрівання газу робить його провідником електричного струму, оскільки частина атомів чи молекул газу перетворюється на заряджені іони.

Для відриву електрона від атома необхідно здійснити роботу проти сил кулонівського тяжіння між позитивно зарядженим ядром та негативним електроном. Процес відриву електрона від атома називається іонізацією атома. Мінімальна енергія, яку необхідно витратити для відриву електрона від атома чи молекули, називається енергією зв'язку.

Електрон може бути відірваний від атома при зіткненні двох атомів, якщо їхня кінетична енергія перевищує енергію зв'язку електрона. Кінетична енергія теплового руху атомів або молекул прямо пропорційна абсолютній температурі, тому з підвищенням температури газу збільшується кількість зіткнень атомів або молекул, що супроводжуються іонізацією.

Процес виникнення вільних електронів та позитивних іонів внаслідок зіткнень атомів та молекул газу за високої температури називається термічною іонізацією.

Газ, у якому значна частина атомів чи молекул іонізована, називається плазмою.

Ступінь термічної іонізації плазми залежить від температури. Наприклад, при температурі 10 000 К іонізовано менше 10% загальної кількості атомів водню, при температурі вище 20 000 К водень практично повністю іонізовано.

Електрони та іони плазми можуть рухатися під дією електричного поля. Таким чином, за низьких температур газ є ізолятором, при високих температурах перетворюється на плазму і стає провідником електричного струму.

Фотоіонізація.

Енергія, необхідна відриву електрона від атома чи молекули, може бути передана світлом. Іонізація

атомів або молекул під дією світла називається фотоіонізацією.

Самостійний електричний розряд.

При збільшенні напруженості електричного поля до певного значення, що залежить від природи газу та його тиску, в газі виникає електричний струм і без впливу зовнішніх іонізаторів. Явище проходження через газ електричного струму, який залежить від дії зовнішніх іонізаторів, називається самостійним електричним розрядом.

У повітрі при атмосферному тиску самостійний електричний розряд виникає при напруженості електричного поля, що дорівнює приблизно

Основний механізм іонізації газу при самостійному електричному розряді – іонізація атомів та молекул внаслідок ударів електрона.

Іонізація електронним ударом.

Іонізація електронним ударом стає можливою тоді, коли електрон при вільному пробігу набуде кінетичної енергії, що перевищує енергію зв'язку електрона з атомом.

Кінетична енергія електрона, що купується під дією електричного поля напруженістю Е, дорівнює роботі сил електричного поля:

де - Довжина вільного пробігу.

Звідси наближена умова початку іонізації електронним ударом має вигляд

Енергія зв'язку електронів у атомах і молекулах зазвичай виявляється у електронвольтах (эВ). 1 еВ дорівнює роботі, яку здійснює електричне поле при переміщенні електрона (або іншої частинки, що володіє елементарним зарядом) між точками поля, напруга між якими дорівнює 1 В:

Енергія іонізації атома водню, наприклад, дорівнює 13,6 еВ.

Механізм самостійного розряду.

Розвиток самостійного електричного розряду в газі протікає в такий спосіб. Вільний електрон під дією електричного поля набуває прискорення. Якщо напруженість електричного поля досить велика, електрон при вільному пробігу настільки збільшує кінетичну енергію, що при зіткненні з молекулою іонізує її.

Перший електрон, що викликав іонізацію молекули, і другий електрон, звільнений в результаті іонізації, під дією електричного поля набувають прискорення в напрямку від катода до анода. Кожен з них при наступних зіткненнях звільняє ще по одному електрону і загальна кількість вільних електронів стає

рівним чотирьом. Потім так само воно збільшується до 8, 16, 32, 64 і т. д. Число вільних електронів, що рухаються від катода до анода, наростає лавиноподібно до тих пір, поки вони не досягнуть анода (рис. 165).

Позитивні іони, що у газі, рухаються під впливом електричного поля від анода до катоду. При ударах позитивних іонів про катод і під дією світла, що випромінюється у процесі розряду, з катода можуть звільнятися нові електрони. Ці електрони, у свою чергу, розганяються електричним полем і створюють нові електронно-іонні лавини, тому процес може тривати безперервно.

Концентрація іонів у плазмі з розвитком самостійного розряду збільшується, а електричний опір розрядного проміжку зменшується. Сила струму в ланцюзі самостійного розряду зазвичай визначається лише внутрішнім опором джерела струму та електричним опором інших елементів кола.

Іскровий розряд. Блискавка.

Якщо джерело струму не здатне підтримувати самостійний електричний розряд протягом тривалого часу, то самостійний розряд, що відбувається, називається іскровим розрядом. Іскровий розряд припиняється через короткий проміжок часу після початку розряду внаслідок значного зменшення напруги. Приклади іскрового розряду - іскри, що виникають при розчісуванні волосся, розділенні аркушів паперу, розряді конденсатора.

Самостійний електричний розряд є і блискавками, що спостерігаються під час грози. Сила струму в каналі блискавки досягає тривалість імпульсу струму становить кілька десятків мікросекунд. Самостійний електричний розряд між грозовим хмарою і Землею після кількох ударів блискавки сам собою припиняється, оскільки більша частина надлишкових електричних зарядів у хмарі нейтралізується електричним струмом, що протікає по плазмовому каналу блискавки (рис. 166).

Збільшення сили струму в каналі блискавки відбувається нагрівання плазми до температури понад Зміни тиску в плазмовому каналі блискавки зі збільшенням сили струму і припинення розряду викликають звукові явища, звані громом.

Тліючий розряд.

При зниженні тиску газу в розрядному проміжку розрядний канал стає ширшим, а потім плазмою, що світиться, виявляється рівномірно заповнена вся розрядна трубка. Цей вид самостійного електричного розряду в газах називається тліючим розрядом (рис. 167).

Електричні дуги.

Якщо сила струму в самостійному газовому розряді дуже велика, то удари позитивних іонів та електронів можуть спричинити розігрівання катода та анода. З поверхні катода за високої температури відбувається емісія електронів, що забезпечує підтримку самостійного розряду в газі. Тривалий самостійний електричний розряд у газах, що підтримується за рахунок термоелектронної емісії з катода, називається дуговим розрядом (рис. 168).

Коронний розряд.

У сильно неоднорідних електричних полях, що утворюються, наприклад, між вістрям і площиною або між дротом і площиною (лінія електропередачі) виникає самостійний розряд особливого виду, званий коронним розрядом. При коронному розряді іонізація електронним ударом відбувається лише поблизу одного з електродів, в області високої напруженістю електричного поля.

Застосування електричних розрядів.

Удари електронів, що розганяються електричним полем, призводять не тільки до іонізації атомів і молекул газу, а й до

збудження атомів і молекул, що супроводжується випромінюванням світла. Світлове випромінювання плазми самостійного електричного розряду широко використовується у народному господарстві та у побуті. Це лампи денного світла та газорозрядні лампи вуличного освітлення, електрична дуга в кінопроекційному апараті та ртутно-кварцові лампи, що застосовуються у лікарнях та поліклініках.

Висока температура плазми дугового розряду дозволяє застосовувати його для різання та зварювання металевих конструкцій, для плавки металів. За допомогою іскрового розряду ведеться обробка деталей із найтвердіших матеріалів.

Електричний розряд у газах буває і небажаним явищем, з яким у техніці потрібно боротися. Так, наприклад, коронний електричний розряд із проводів високовольтних ліній електропередач призводить до марних втрат електроенергії. Зростання цих втрат зі збільшенням напруги ставить межу на шляху подальшого збільшення напруги в лінії електропередач, тоді як зменшення втрат енергії на нагрівання проводів таке підвищення дуже бажано.

Припустимо, що газ, що вивчається, укладений в посудину С з двома електродами, до яких прикладається різниця потенціалів Електричне поле між електродами можна змінювати, переміщуючи двигун потенціометра замикаючого батарею (рис. III.42). Якщо в газі немає вільних зарядів (позитивних або негативних іонів або електронів), то в ланцюзі гальванометра струму не буде. Зауважимо, що в газах завжди перебуватиме деяка кількість зарядів, оскільки газ іонізується як при неминучих теплових зіткненнях молекул, так і під дією різних випромінювань, зокрема,

від радіоактивних речовин. Однак одночасно з процесом іонізації, тобто поділу нейтральних молекул на заряджені іони, в газі відбувається і зворотний процес молізації або рекомбінації, тобто з'єднання іонів у нейтральні молекули. У рівноважному стані газів обидва ці. процесу врівноважуються: число щосекундно іонізованих молекул дорівнює числу нейтральних молекул, що знову утворилися з іонів за той же час.

Якщо на зовнішній газ іонізуючого впливуне виявляється, то природна концентрація іонів у ньому буде дуже малою, і струм через газ практично не виявляється. Викликати помітний електричний струм у газі (так званий газовий розряд) можна, якщо: 1) за допомогою сторонньої дії (іонізатора) безперервно розбивати нейтральні молекули газу на іони і тим самим збільшувати концентрацію вільних зарядів у газі. Це можна зробити, піддаючи газ інтенсивному опроміненню потоком швидких частинок (електронів та ін), ультрафіолетовими, рентгенівськими променями, променями радіоактивних речовин, а також підвищуючи температуру газу, щоб збільшити інтенсивність іонізації при теплових зіткненнях. У цьому випадку разом із припиненням дії зовнішнього іонізатора припиняється струм через гази; така провідність газу називається несамостійною; 2) прикласти настільки велику різницю потенціалів, щоб іони, що є в газі, розганяючись в електричному полі, набували енергії, достатні для іонізації нейтральних молекул при зіткненнях з ними. В цьому випадку кожен іон при одному зіткненні викликає появу двох або кількох іонів; ці іони своєю чергою розганяються на полі і розбивають нейтральні молекули на іони. Таким чином, число іонів у газі швидко зростає, і газ набуває помітної провідності; така провідність називається самостійною.

Слід розрізняти два види зіткнень між частинками, зокрема між іонами, електронами та нейтральними молекулами. При одних зіткненнях частинки не відчувають жодних внутрішніх змін, а лише обмінюються кінетичними енергіями руху. Такі зіткнення називаються пружними; сума кінетичних енергій частинок до та після удару залишається постійною.

При інших - непружних - зіткненнях атоми та молекули зазнають змін у своїй будові; відбувається перехід кінетичної енергії соударяющихся частинок в потенційну енергію взаємодії складових частин цих атомів і молекул - ядер і електронів, що обертаються навколо них. Такий процес називається збудженням атомів чи молекул; при зворотному переході в нормальний станпоглинена енергія повертається як енергії випромінювання. Зрештою, при непружних зіткненнях можливо також

зміна складу атомів та молекул; зокрема нейтральна молекула може бути розбита на два іони або від атома може бути відірваний електрон і т. д. Іонізація газів при зіткненнях є результатом непружних зіткнень.

Для провідності газів за певних умов (зокрема при малих тисках газу посудині) помітне значення має вибивання електронів із поверхні катода під час падіння нею позитивних іонів. Кожен такий іон може звільнити з катода кілька електронів в залежності від енергії, придбаної ним в електричному полі, а також від роботи виходу електрона з речовини катода. Звільнені з катода електрони, підхоплені електричним полем, можуть по дорозі до анода викликати іонізацію газу; крім того, цей упорядкований потік електронів становить деяку (іноді значну) частку всього струму, що протікає через газ:

Якщо сила струму, що проходить через гази, мала і не може бути безпосередньо виявлена ​​гальванометром, то вдаються до непрямих методів. Зокрема, як показано на рис. III.42, ланцюг послідовно з газовим проміжком включається резистор з опором порядку десятків і сотень мільйонів ом. На кінцях цього резистора утворюється різниця потенціалів, яку вимірюють, наприклад, ламповим вольтметром, що не замикає кінці цього резистора. Тоді, знаючи і вимірявши, можна розрахувати силу струму через газ Наприклад, якщо , то

Електричний струм у газах та рідинах

Електричний струм у газах

Носії заряду електрони, позитивні іони, негативні іони.

Носії заряду виникають у газі внаслідок іонізації: внаслідок опромінення газу або зіткнень частинок нагрітого газу один з одним.

Іонізація електронним ударом.

E – напрямок поля;

l - Довжина вільного пробігу між двома послідовними зіткненнями електрона з атомами газу.

A_=eEl\geq W – умова іонізації

W – енергія іонізації, тобто. енергія, необхідна для того, щоб вирвати з атома електрон

Число електронів збільшується в геометричній прогресії, в результаті виникає електронна лавина, а отже розряд у газі.

Електричний струм у рідині

Рідини так само, як і тверді тіламожуть бути діелектриками, провідниками та напівпровідниками. До діелектриків належить дистильована вода, до провідників - розчини електролітів: кислот, лугів, солей і розплави металів. Рідкими напівпровідниками є розплавлений селен, розплави сульфідів.

p align="justify"> При розчиненні електролітів під впливом електричного поля полярних молекул води відбувається розпад молекул електролітів на іони. Наприклад, CuSO_ \rightarrow Cu ^ + SO ^ _ .

Поряд із дисоціацією йде зворотний процес – рекомбінація, тобто. об'єднання іонів протилежних знаків у нейтральні молекули.

Носіями електрики у розчинах електролітів є іони. Така провідність називається іонної .

Якщо у ванну з розчином електроліту помістити електроди та пустити струм, то негативні іони будуть рухатися до позитивного електрода, а позитивні – до негативного.

На аноді (позитивному електроді) негативно заряджені іони віддають зайві електрони (окислювальна реакція), а на катоді (негативному електроді) позитивні іони отримують електрони, що відсутні (відновна реакція).

Визначення.Процес виділення на електродах речовин, пов'язаний з окислювально-відновними реакціями, називається електролізом.

Закони Фарадея

I. Маса речовини, що виділяється на електроді, прямо пропорційна заряду, що протік через електроліт:

k – електрохімічний еквівалент речовини.

q=I\Delta t тоді

\frac - Хімічний еквівалент речовини;

\mu - молярна маса;

Електрохімічні еквіваленти речовин пропорційні хімічним.

F – постійна Фарадея;

Об'єднаний закон електролізу

Підставимо k вираз для m (I закон Фарадея), отримуємо:

Фізичний зміст електрохімічного еквівалента.

Електрохімічний еквівалент дорівнює відношеннюмаси іона для його заряду:

Займатися у Наталії Львівни я почав із середини січня, одразу після новорічних канікул. До початку занять були пробні іспити з фізики, а також підготовка до іспиту в школі, але результат був 60-70 балів, при цьому я отримував відмінні оцінки з предмета. Заняття з Наталією Львівною проходили плідно та цікаво, із цим репетитором я зміг розширити свої знання з фізики, а також закріпити шкільну програму. Пройшовши весняні інтенсивності, я вийшов на іспит упевненим у своєму результаті. Отримавши 85 балів, я зміг вступити до бажаного ВУЗу з 1 хвилею. Хочу ще раз віддячити репетитору, який допоміг мені наблизитися до своїх цілей, скласти єдиний державний іспит на потрібні бали, вступити до вишу та розпочати навчання майбутньої професії.

Наталя Львівна чудовий репетитор з фізики, який чудово підготує вас до ЄДІ.

Прийшла до неї не з нульовими знаннями, але добрими їх назвати не можна. Хоча я почала займатися з січня, ми встигли пройти всі теми на додаткових заняттях.

Кожна тема була розібрана і було вирішено всі типи завдань, які могли зустрітися на іспиті.

І справді, на ЄДІ я не зіткнулася з труднощами у вирішенні завдань та написала іспит на 94 бали.

Дуже раджу цього викладача!

Моя дочка Поліна навчалася у школі з «гуманітарним ухилом». Основними предметами першого класу нею були іноземні мови. Але, коли постало питання вибору професії, дочка захотіла вступати до технічний ВНЗ. Очевидно, що шкільна програма— не гумова, і не дивно, що при 8 навчальний годинникіноземних мов вона мала лише один урок фізики на тиждень. Довелося терміново шукати рішення. Нам пощастило – ми знайшли чудового репетитора.
Наталя Львівна повністю змогла підготувати Поліну до іспиту. Для нашої гуманітарної школи 85 балів з фізики – це чудовий результат. Ми дуже вдячні — Наталія Львівна – чудовий педагог та чуйна людина. Індивідуальний підхід до кожного навіть на групових заняттях- Це те, що хотілося б відзначити в першу чергу. Ми сподіваємося на вступ до ВНЗ мрії.

ЕЛЕКТРИЧНИЙ СТРУМ У ГАЗАХ

У нормальних умовах газ — це діелектрик, тобто. він складається з нейтральних атомів та молекул і не містить вільних носіїв ел.струму.
Газ-провідник – це іонізований газ. Іонізований газ має електронно-іонну провідність.

Повітря є діелектриком в лініях електропередач, повітряних конденсаторах, контактних вимикачах.

Повітря є провідником у разі виникнення блискавки, електричної іскри, у разі виникнення зварювальної дуги.

це розпад нейтральних атомів або молекул на позитивні іони та електрони шляхом відриву електронів від атомів. Іонізація відбувається при нагріванні газу або дії випромінювань (УФ, рентген, радіоактивне) і пояснюється розпадом атомів та молекул при зіткненнях на високих швидкостях.

- Це ел.ток в іонізованих газах.
Носіями зарядів є позитивні іони та електрони. p align="justify"> Газовий розряд спостерігається в газорозрядних трубках (лампах) при впливі електричного або магнітного поля.

Рекомбінація заряджених частинок

— газ перестає бути провідником, якщо припиняється іонізація, це відбувається внаслідок рекомбінації (возз'єднання протилежно заряджених частинок).

Існує самостійний та несамостійний газовий розряд.

Несамостійний газовий розряд

— якщо дію іонізатора припинити, припиниться і розряд.

Коли розряд досягає насичення – графік стає горизонтальним. Тут електропровідність газу викликана лише дією іонізатора.

Самостійний газовий розряд

- у цьому випадку газовий розряд продовжується і після припинення дії зовнішнього іонізатора за рахунок іонів та електронів, що виникли в результаті ударної іонізації (= іонізації ел. удару); виникає зі збільшенням різниці потенціалів між електродами (виникає електронна лавина).
Несамостійний газовий розряд може переходити до самостійного газового розряду при Ua = U запалювання.

Електричний пробій газу

- Процес переходу несамостійного газового розряду в самостійний.

Самостійний газовий розряд буває 4-х типів:

1. тліючий - при низький тиск(До декількох мм рт.ст.) -спостерігається в газосвітніх трубках і газових лазерах.
2. іскровий – при нормальному тиску та високій напруженості електричного поля (блискавка – сила струму до сотень тисяч ампер).
3. коронний - при нормальному тиску в неоднорідному електричному полі (на вістря).
4. дуговий - велика щільність струму, мала напруга між електродами (температура газу каналі дуги -5000-6000 градусів Цельсія); спостерігається у прожекторах, проекційній кіноапаратурі.

Ці розряди спостерігаються:

тліючий - у лампах денного світла;
іскровий - у блискавках;
коронний - в електрофільтрах, при витіканні енергії;
дуговий - при зварюванні, в ртутних лампах.

- це четвертий агрегатний стан речовини з високим ступенеміонізації за рахунок зіткнення молекул на великої швидкостіза високої температури; зустрічається в природі: іоносфера – слабо іонізована плазма, Сонце – повністю іонізована плазма; штучна плазма – у газорозрядних лампах.

Низькотемпературна - при температурах менше 100 000К;
високотемпературна – при температурах більше 100 000К.

Основні властивості плазми:

- Висока електропровідність
— сильна взаємодія із зовнішніми електричними та магнітними полями.

При температурі

будь-яка речовина знаходиться у стані плазми.

Цікаво, що 99% речовини у Всесвіті – плазма.

Інші сторінки на тему «Електрика» за 10-11 клас:

class-fizika.narod.ru

Закони електричного струму в газах

Офіційний сайт АНО ДО Центру «Логос», м.Глазов

ГОТУЄМОСЯ ДО УРОКУ

Електричний струм у різних середовищахтрохи про фізику:

Електричним струмом називають будь-який упорядкований рух електричних зарядів. Електричний струм може проходити через різні речовиниза певних умов. Однією з умов виникнення електричного струму є наявність вільних зарядів, здатних рухатися під впливом електричного поля.

Тому в цьому розділі ми спробуємо встановити, які частинки переносять електричний заряд у різних середовищах.

Електричний струм у металах.

Метали складаються з позитивно заряджених іонів, що знаходяться у вузлах кристалічної решітки та сукупності вільних електронів. Поза електричним полем вільні електрони рухаються хаотично, подібно до молекул ідеального газу, а тому розглядаються в класичній електронній теорії як електронний газ .

Під впливом зовнішнього електричного поля змінюється характер руху вільних електронів усередині металу. Електрони, продовжуючи хаотичні рухи, водночас зміщуються у бік дії сил електричного поля.

Отже, електричний струм у металах- Це впорядкований рух електронів.

Сила струму в металевому провідникувизначається за формулою:

де I- сила струму у провіднику, e- модуль заряду електрона, n 0 - Концентрація електронів провідності, - Середня швидкість упорядкованого руху електронів, S

Щільність струму провідності чисельно дорівнює заряду, що проходить за 1с через одиницю площі поверхні перпендикулярної напрямку струму.

де j- Щільність струму.

Більшість металів практично кожен атом іонізований. Оскільки концентрація електронів провідності одновалентного металу дорівнює

де N a- Постійна Авогадро, A -атомна маса металу, ρ - Щільність металу,

то отримуємо що концентрація визначається в межах 1028 - 1029 м -3 .

Закон Ома для однорідної ділянки ланцюга:

де U- напруга на ділянці, R- Опір ділянки.

Для однорідної ділянки ланцюга:

де ρ У- Питомий опір провідника, l -довжина провідника, S- площа поперечного перерізупровідника.

Питомий опір провідника залежить від температури, і ця залежність виражається співвідношенням:

де ρ оу - Питомий опір металевого провідника при температурі Т = 273К, α — термічний коефіцієнт опору, ∆Т = Т - Т о -зміна температури.

Вольт-амперна характеристика металів.

Сила струму в провідниках згідно із законом Ома прямо пропорційна напрузі. Така залежність має місце для провідників із строго заданим опором ( для резисторів).

Тангенс кута нахилу графіка дорівнює провідностіпровідника. Провідністюназивається величина, зворотна опору

Але оскільки опір металів залежить від температури, то вольт-амперна характеристика металів не є лінійною.

Електричний струм у розчинах та розплавах електролітів.

Явище розпаду молекул солей, лугів та кислот у воді на іони протилежних знаків називають електролітичною дисоціацією.Отримані внаслідок розпаду іони служать носіями заряду рідини, а сама рідина стають провідником.

Поза електричним полем іони рухаються хаотично. Під дією зовнішнього електричного поля іони, продовжуючи хаотичні рухи, водночас зміщуються у бік дії сил електричного поля: катіони до катоду, аніони — до анода.

Отже, електричний струм у розчинах (розплавах) електролітів- Це спрямоване переміщення іонів обох знаків у протилежних напрямках.

Проходження електричного струму через розчин електроліту завжди супроводжується виділенням на електродах речовин, що входять до його складу. Це явище називають електролізом .

Під час руху всередині електролітів іони взаємодіють із молекулами води та інші іонами, тобто. електроліти чинять деяку протидію руху, а, отже, мають опір. Електричний опір електролітів залежить від концентрації іонів, величини заряду іона, швидкості руху іонів обох знаків.

Опір електролітів також визначається за формулою:

де ρ У- Питомий опір електроліту, l -довжина рідкого провідника, S- Площа поперечного перерізу рідкого провідника.

При збільшенні температури електроліту зменшується його в'язкість, що призводить до збільшення швидкості руху іонів. Тобто. у разі підвищення температури опір електроліту зменшується.

1. Маса речовини, що виділяється на електроді, прямо пропорційна електричного заряду, що пройшов через електроліт.

де m- маса речовини, що виділяється на електроді, k- Електрохімічний еквівалент, q- Заряд, що пройшов через електроліт.

2. Електрохімічний еквівалент речовини прямо пропорційний його хімічному еквіваленту.

де М- молярна маса речовини, F-постійна Фарадея, z- Валентність іона.

постійна Фарадеячисельно дорівнює заряду, який має пройти через електроліт, щоб виділити з нього масу речовини, чисельно рівну хімічному еквіваленту.

Об'єднаний закон Фарадея.

Електричний струм у газах.

За нормальних умов гази складаються з нейтральних молекул, тому є діелектриками. Так як для отримання електричного струму необхідна наявність заряджених частинок, молекули газу слід іонізувати (відірвати електрони від молекул). Для іонізації молекул необхідно витратити енергію. енергію іонізаціїкількість якої залежить від роду речовини. Так, енергія іонізації мінімальна для атомів лужних металів, Максимальна - для інертних газів.

Іонізувати молекули можна при нагріванні газу, при опроміненні його різного родупроменями. Завдяки додатковій енергії зростає швидкість руху молекул, наростає інтенсивність їх теплового руху і при зіткненні окремі молекули втрачають електрони, перетворюючись на позитивно заряджені іони.

Електрони, відірвавшись від молекули, можуть приєднатися до нейтральних молекул, утворюючи при цьому негативно заряджені іони.

Отже, при іонізації з'являються три типи носіїв зарядів: позитивні іони, негативні іони та електрони.

Під дією зовнішнього електричного поля іони обох знаків та електрони рухаються у напрямі дії сил електричного поля: позитивні іони до катода, негативні іони та електрони – до анода. Тобто. електричний струм у газах- Це впорядкований рух іонів та електронів під дією електричного поля.

Вольт-амперна характеристика газів.

Залежність сили струму від напруги виражена кривою ОАВЗ.

На ділянці графіка ОА сила струму підпорядковується закону Ома. При малому напрузі сила струму мала, т.к. іони рухаючись з малими швидкостями рекомбінують, не досягаючи електродів. При збільшенні напруги між електродами швидкість спрямованого руху електронів та іонів зростає, тому більша частина заряджених частинок досягає електродів, отже, зростає сила струму.

При певному значеннінапруги U 1 всі іони мають достатні швидкості і, не рекомбінуючи, досягають електродів. Струм стає максимально можливим і не залежить від подальшого збільшення напруги до значення U 2 . Такий струм називають струмом насичення, і відповідає ділянку графіка АВ.

При напрузі U 2 кілька тисяч вольт швидкість електронів, що виникають при іонізації молекул, а отже, їх кінетична енергія значно збільшуються. І коли кінетична енергія досягає значення енергії іонізації, електрони, зіштовхуючись із нейтральними молекулами, іонізують їх. Додаткова іонізація призводить до лавиноподібного збільшення кількості заряджених частинок, а отже і значного збільшення сили струму без впливу зовнішнього іонізатора. Проходження електричного струму без впливу зовнішнього іонізатора називають самостійним розрядом. Така залежність виражена ділянкою графіка АС.

Електричний струм у вакуумі.

У вакуумі відсутні заряджені частинки, а отже, він є діелектриком. Тобто. необхідно створити певні умовиякі допоможуть отримати заряджені частинки.

Вільні електрони є у металах. При кімнатній температурівони не можуть залишити метал, тому що утримуються в ньому силами кулонівського тяжіння з боку позитивних іонів. Для подолання цих сил електрону необхідно витратити певну енергію, що називається роботою виходу. Енергію, велику чи рівну роботівиходу електрони можуть отримати при розігріві металу до високих температур.

При нагріванні металу кількість електронів з кінетичною енергією, більшої роботивиходу збільшується, тому з металу вилітає більша кількість електронів. Випускання електронів із металів при його нагріванні називають термоелектронною емісією. Для здійснення термоелектронної емісії як той з електродів використовують тонку дротяну нитку з тугоплавкого металу (нитка розжарення). Підключена до джерела струму нитка розжарюється і її поверхні вилітають електрони. Електрони, що вилетіли, потрапляють в електричне поле між двома електродами і починають рухатися спрямовано, створюючи електричний струм.

Явище термоелектронної емісії є основою принципу дії електронних ламп: вакуумного діода, вакуумного тріода.

Вакуумний діод Вакуумний тріод

Вольт-амперна характеристика вакуумного діода.

Залежність сили струму від напруги виражена кривою ОАВС D.

При випромінюванні електронів катод набуває позитивний заряді тому тримає біля себе електрони. За відсутності електричного поля між катодом і анодом, електрони, що вилетіли, утворюють у катода електронну хмару.

У міру збільшення напруги між анодом і катодом більша кількість електронів спрямовується до анода, отже сила струму збільшується. Ця залежність виражена ділянкою графіка ОАВ. Ділянка АВ характеризує пряму залежність сили струму від напруги, тобто. в інтервалі напруги U 1 - U 2 виконується закон Ома.

Нелінійна залежність на ділянці ВС D пояснюється тим, що кількість електронів, що прямують до анода, стає більшою за кількість електронів, що вилітають з катода.

При достатньо великому значеннінапруги U 3 всі електрони, що вилітають з катода, досягають анода, і електричний струм досягає насичення.

Так само як джерело заряджених частинок можна використовувати радіоактивний препарат, що випускає α-частинки. Під дією сил електричного поля α-частинки будуть рухатися, тобто. виникне електричний струм.

Таким чином, електричний струм у вакуумі може бути створений упорядкованим рухом будь-яких заряджених частинок (електронів, іонів).

Електричний струм у напівпровідниках.

Напівпровідники - речовини, питомий опір яких зменшується зі збільшенням температури і залежить від наявності домішок та зміни освітленості. Питомий опір провідників при кімнатній температурі знаходиться в інтервалі від 10 -3 до 10 7 Ом · м. Типовими представниками напівпровідників є кристали германію та кремнію.

У цих кристалах атоми з'єднані між собою ковалентним зв'язком. При нагріванні ковалентний зв'язокпорушується, атоми іонізуються. Це зумовлює виникнення вільних електронів і «дірок» - вакантних позитивних місць з недостатнім електроном.

При цьому електрони сусідніх атомів можуть займати вакантні місця, утворюючи дірку в сусідньому атомі. Таким чином не тільки електрони, а й «дірки» можуть переміщатися кристалом. При поміщенні такого кристала в електричне поле електрони та дірки прийдуть у впорядкований рух – виникне електричний струм.

У чистому кристалі електричний струм створюється рівною кількістю електронів і дірок. Провідність, обумовлену рухом вільних електронів та рівної їм кількості «дірок» у напівпровідниковому кристалі без домішок, називають власною провідністю напівпровідника .

При підвищенні температури власна провідністьнапівпровідника зростає, т.к. збільшується кількість вільних електронів та «дірок».

Провідність провідників залежить від наявності домішок. Домішки бувають донорні та акцепторні. Донорна домішка- Домішка з більшою валентністю. Наприклад, для чотиривалентного кремнію донорною домішкою є пятивалентний миш'як. Чотири валентні електрони атома миш'яку беруть участь у створенні ковалентного зв'язку, а п'ятий стане електроном провідності.

При нагріванні порушується ковалентний зв'язок, виникають додаткові електрони провідності та «дірки». Тому в кристалі кількість вільних електронів переважає кількість «дірок». Провідність такого провідника є електронною, напівпровідник є напівпровідником n-типу. Електрони є основними носіямизаряду, «дірки» неосновними .

Акцепторна домішка- Домішка з меншою валентністю. Наприклад, для чотиривалентного кремнію акцепторною домішкою є тривалентний індій. Три валентні електрони атома індію беруть участь у створенні ковалентного зв'язку з трьома атомами кремнію, а на місці четвертого незавершеного ковалентного зв'язку утворюється «дірка».

При нагріванні порушується ковалентний зв'язок, виникають додаткові електрони провідності та «дірки». Тому в кристалі кількість «дірок» переважає кількість вільних електронів. Провідність такого провідника є дірочною, напівпровідник є. напівпровідником p-типу. «Дірки» є основними носіямизаряду, електрони неосновними .

При контакті напівпровідників p-типу і n-типу через кордон відбувається дифузія електронів з n-області в p-область і «дірок» з p-області в n-область. Це призводить до виникнення замикаючого шару, що перешкоджає подальшій дифузії. p-n перехід має односторонню провідність.

При підключенні p-n переходу до джерела струму так, щоб p-область була з'єднана з позитивним полюсом, а n-область з негативним полюсом, з'являється рух основних носіїв зарядів через контактний шар. Цей спосіб підключення називають включенням у прямому напрямку.

При підключенні p-n переходу до джерела струму так, щоб p-область була з'єднана з негативним полюсом, а n-область - з позитивним полюсом, товщина замикаючого шару збільшується, і рух основних носіїв зарядів через контактний шар припиняється, але може мати місце рух неосновних зарядівчерез контактний прошарок. Цей спосіб підключення називають включенням у зворотному напрямку.

Принцип дії напівпровідникового діодазаснований на властивості односторонньої провідності p-nпереходу. Основне застосування напівпровідникового діода – випрямляч струму.

Вольт-амперна характеристика напівпровідникового діода.

Залежність сили струму від напруги виражена кривою АОВ.

Гілка ВВ відповідає пропускному напрямку струму, коли струм створюється основними носіями зарядів, і зі збільшенням напруги сила струму зростає. Гілка АТ відповідає струму, створеному неосновними носіями зарядів, та значення сили струму невеликі.

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 розрядом у 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 променіві т. д. У всіх цих випадках відбувається звільнення одного або кількох електронів із електронної оболонки атома або 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 іонів і таку 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 зменшення числа іонів в одиниці об'єму в одиницю часу може бути записана у вигляді , де - постійна величина, звана коефіцієнтом рекомбінації.

При справедливості введених припущень рівняння балансу іонів у газі запишеться як

Ми не вирішуватимемо це диференціальне рівняння у 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 розрядуРозглянемо для простоти випадок, коли струм в іонізованому зовнішнім джерелом газі тече між двома плоскими електродами, паралельними один одному. 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 значення та залежать 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 у 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 низьких тисках (десяті та соті частки міліметра ртутного стовпа) у трубці спостерігається розряд, що тліє. 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 високої напруги, коли цей розряд виникає навколо проводів високовольтних ліній електропередачі і 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 видом самостійного газового розряду є електрична дуга. При дотику двох вугільних або металевих електродів у місці їх контакту виділяється велика кількістьтеплоти 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 кількох ампер, а великій дузі - кількох сотень ампер при напрузі порядку 50 У. Електрична дуга широко застосовується у техніці як потужне джерело світла, в електропечах й у 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 зіткнень з 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 світло, частота 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 ознаки різних видівсамостійного 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.