Проходження електричного струму через гази називають. Електричний струм у різних середовищах

Електричний струм у металах

Метали є добрими провідниками електрики. Це обумовлено їх внутрішньою будовою. У всіх металів зовнішні валентні електрони слабо пов'язані з ядром, і при об'єднанні атомів у кристалічну решітку ці електрони стають загальними, що належать усьому шматку металу.

Носії заряду в металах є електрони .

Електрони в металах при поміщенні в електричне поле рухаються з постійною середньою швидкістю, пропорційної напруженості поля.

Залежність опору провідника від температури

При підвищенні температури у електронів провідності збільшується швидкість теплового рухущо призводить до збільшення частоти зіткнень з іонами кристалічних ґраті тим самим до зростання опору.

Надпровідність - явище різкого зменшення до нуля опору провідника при охолодженні критичної температури(залежної від роду речовини).

Надпровідність – це квантовий ефект. Пояснюється він тим, що за низьких температурахмакроскопічне число електронів поводяться як об'єкт. Вони можуть обмінюватися з кристалічними гратами порціями енергії, меншими їх енергії зв'язку, тому розсіювання теплової енергії немає, як і відсутність опору.

Таке об'єднання електронів можливе при утворенні ними бозонних (куперівських) пар – корелюваного стану електронів із протилежними спинами та імпульсами.

Ефект Мейснера – витіснення магнітного поляіз надпровідника. Усередині провідника у надпровідному стані циркулюють незатухаючі струми, що створюють магнітне поле, протилежне зовнішньому. Сильне магнітне поле руйнує надпровідність.

Електричний струм у рідинах

електролітами прийнято називати провідні середовища, в яких перебіг електричного струму супроводжується перенесенням речовини

Досягши катода, іони міді нейтралізуються надлишковими електронами катода і перетворюються на нейтральні атоми, що осідають на катоді. Іони хлору, досягнувши анода, віддають по одному електрону. Хлор виділяється на аноді у вигляді бульбашок.

Закон електролізу був експериментально встановлений англійським фізиком М. Фарадеєм у 1833 році ( закон Фарадея)

m- маса вилученої в результаті електролізу чистої речовини

k- електрохімічний еквівалент речовини

Тут N A- постійна Авогадро, M = m 0 N A- молярна масаречовини,
F = eN A =96485 Кл/моль- постійна Фарадея

Постійна Фарадея чисельно дорівнює заряду, який необхідно пропустити через електроліт для виділення на електроді одного моля одновалентної речовини

Закон Фарадея для електролізу

Електричний струм у газах

За звичайних умов усі гази є діелектриками, тобто проводять електричного струму. Цією властивістю пояснюється, наприклад, широке використанняповітря як ізолюючу речовину. Принцип дії вимикачів і рубильників якраз і заснований на тому, що розмикаючи їх металеві контакти, ми створюємо між ними прошарок повітря, що не проводить струм.

Однак за певних умов гази можуть ставати провідниками. Наприклад, полум'я, внесене у простір між двома металевими дисками (див. малюнок), призводить до того, що гальванометр відзначає появу струму. Звідси випливає: полум'я, тобто газ, нагрітий до високої температури, є провідником електричного струму.

Нагрівання - не єдиний спосібперетворення газу на провідник. Замість полум'я можна використовувати ультрафіолетове або рентгенівське випромінювання, а також потік альфа-часток чи електронів. Досвідами встановлено, що дія будь-якої з цих причин призводить до іонізації молекул газу.

Проходження струму через гази називають газовим розрядом. Щойно ми розглянули приклад так званого несамостійного розряду. Він так називається тому, що для його підтримки потрібно якийсь іонізатор - полум'я, випромінювання або потік заряджених частинок. Досліди показують, що якщо іонізатор усунути, то іони та електрони незабаром возз'єднуються (кажуть: рекомбінують), утворюючи знову електронейтральні молекули. В результаті газ перестає проводити струм, тобто стає діелектриком.

Самостійна та несамостійна провідність газів

Для того, щоб зробити газ провідним, потрібно тим чи іншим способом внести в нього або створити в ньому вільні носії заряду - заряджені частинки. При цьому можливі два випадки: або ці заряджені частинки створюються дією якогось зовнішнього фактора або вводяться в газ ззовні - несамостійна провідність, або вони створюються в газі дією самого електричного поля, що існує між електродами - самостійна провідність.

Що стосується несамостійної провідності, при невеликих значеннях U графік має вигляд прямий, тобто. закон Ома наближено зберігає чинність; зі зростанням U крива загинається з деякої напруги і перетворюється на горизонтальну пряму.

Це означає, що починаючи з деякої напруги, струм зберігає постійне значеннянезважаючи на збільшення напруги. Це постійне значення сили струму, що не залежить від напруги, називають струмом насичення.

Несамостійний газовий розряд - Розряд, що існує лише під дією зовнішніх іонізаторів.

При збільшенні напруги виникає ударна іонізація – явище вибивання електронів із нейтральних молекул – кількість носіїв заряду збільшується лавиноподібно. Виникає самостійний розряд.

Самостійний газовий розряд - Розряд, що існує після видалення зовнішніх іонізаторів.

Процеси, що впливають на провідність газів

Термічна іонізація- при зіткненні нейтральних атоміввідбувається вибивання електронів та перетворення атомів на позитивні іони
Іонізація випромінюванням(фотоіонізація) - розпад атома на електрон та позитивний іон під дією світла
Іонізація електронним ударом- Вибивання прискореним електроном з атома електрона з утворенням позитивного іона
Вторинна електронна емісіяз катода - вибивання позитивними іонами електронів із катода
Термоелектронна емісія- випромінювання нагрітим металом електронів

Тліючий розряд: При тиску газу в кілька десятих міліметрів ртутного стовпа розряд має типовий вигляд, схематично зображений на рис. Це струм в іонізованому газі, а точніше сказати у низькотемпературній плазмі. Тліючий розряд утворюється при проходженні струму через розряджений газ. Як тільки напруга перевищує певне значення, газ у колбі іонізує і відбувається свічення. Це вже по суті електричний струм не так у газі, як у плазмі. Колір свічення газу (плазми) залежить від речовини газу.

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. Відбувається за звичайних умов, за звичайного атмосферному тиску, Так само як і тліючий розряд відбувається внаслідок іонізації газу, але при високій напрузі, На відміну від дугового розряду, де в першу чергу важлива висока щільність струму.

Коронний розряд: відбувається в сильному електричному полі з високою напруженістю, достатньою щоб викликати іонізацію газу (або рідини). Електричне поле при цьому буває не однорідним, десь напруженість значно більша. Утворюється градієнт (відмінність) потенціалів поля і там, де потенціал більше, іонізація газу йде сильніше, інтенсивніше, потім потік іонів доходить до іншої частини поля, тим самим утворюючи потік електрики. Через війну утворюється коронний газовий розряд химерних форм, залежно від геометрії провідників — джерела напруженості поля.

Дуговий розряд: є електричним пробою газу, яким надалі стає постійним плазмовим розрядом — дугою, утворюється електрична дуга. Дуговий розряд характеризується нижчою напругою, ніж тліючий розряд. Підтримується переважно рахунок термоелектронної емісії, коли з електродів вивільняються електрони. Стара назва такої дуги є «вольтовою дугою». Відмінною особливістю такої дуги є висока щільність струму та низька напруга, яка обмежена джерелом струму. Для того щоб створити таку дугу, електроди зближуються, відбувається пробій, а потім вони розсуваються.

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 розчиниу 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, у 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 випадкуводи) 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 кількість як позитивних, так 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 реакцію з міддю анода, внаслідок чого до кислотного залишку SO4 приєднується молекула міді Сu і утворюється молекула мідного купоросу СuS О4, що повертається електроліту.

Тому що цей хімічний процеспротікає 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 провідникаху тому, що у металах переносниками зарядів є лише 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 джерел струму. 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 й повітря) у звичайних умовах не проводять електричного струму. 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 в велику кількістьчастинки молекул газу, які є 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 розрядчерез 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 температурадугового 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 розряд вперше 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.

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

Зазвичай речовина в газоподібному станіє ізолятором, оскільки атоми або молекули, з яких воно 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 тяжінняміж 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 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.

Газ, в якому значна частинаатомів або 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 деякого певного значення, що залежить від природи газу та його тиску, у 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 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. 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 своєю чергою розганяються електричним полемі 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 опоромджерела струму та електричним опоромінших елементів ланцюга.

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 розрядідуже велика, то удари позитивних іонів та електронів можуть викликати 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 розрядіІонізація електронним ударом відбувається лише поблизу одного з електродів, в області із високою 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 лінійелектропередач 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 у газах завжди буде кілька зарядів, оскільки газ іонізується як із неминучих теплових зіткненнях молекул, 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 зазнають жодних внутрішніх змін, 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 потенційну енергіювзаємодії складових частинцих 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. Нарешті, при непружних зіткненняхможливо 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 – стала 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, здати єдиний державний іспитна потрібні бали, вступити до вузу 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 годинник іноземних моввона 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 підхіддо кожного навіть на групових заняттях – те, що хотілося б відзначити насамперед. 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 низьких тисках (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 середовищах трохи 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 швидкістьупорядкованого 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 масаметалу, 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 перерізу провідника.

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 провідності провідника. 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 електричному 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.

При нормальних умовахгази 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 частиназаряджених частинок досягає електродів, а отже зростає сила струму.

При певному значенні напруги U 1 всі іони мають достатні швидкості та, 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 температурі вони можуть залишити метал, т. до. утримуються у ньому силами кулоновского тяжіння з боку позитивних іонів. Для подолання цих сил електрону необхідно витратити певну енергію, що називається роботою виходу. Енергію, велику чи рівну роботі виходу, електрони можуть одержати під час розігріву металу до високих температур.

При нагріванні металу кількість електронів з кінетичною енергією, більшої роботи виходу, збільшується, тому з металу вилітає Велика кількістьелектронів. Випускання електронів із металів при його нагріванні називають термоелектронною емісією. Для здійснення термоелектронної емісії як оного з електродів використовують тонку дротяну нитку 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'язок порушується, 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 валентних електронаатома 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 переходудо 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 діода ґрунтується на властивості односторонньої провідності p-n переходу. 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.

На думку про корпускулярну будову електрики наводили також результати, отримані щодо електричних явищу газах. Проходження електрики через гази та пов'язані з цим процесом явища спостерігали в лабораторних умовще в середині XVIIIстоліття. Однак систематично ці явища почали вивчати значно пізніше, середині XIXстоліття.

У 1838 Фарадей, розглядаючи проходження електрики через розріджений газ, встановив, що світіння, що супроводжує такий розряд, має певну структуру. Теорію цього явища Фарадей не розробив, але зазначив, що результати таких спостережень у майбутньому. вплинуть на теорію вчення про електрику значно більший вплив, ніж ми можемо собі уявити в даний час».

Починаючи з 50-х років, після того як Генріх Гейслер(1814-1879) став виготовляти газорозрядні трубки (що його ім'я), вивчення розрядів у газах пішло інтенсивніше. У 1858–1859 роках. Юліус Плюккер(1801-1861), досліджуючи електричний розряд у таких трубках, відкрив існування «катодних променів». Він зауважив, що якщо катод зроблений у вигляді вістря, то свічення має форму шнура, що відходить від катода. Цей шнур відхилявся магнітним полем. Плюккер дійшов висновку, що це потік заряджених частинок, що летять від катода до анода. Він також помітив, що скло біля катода починало світитися.

Дослідження низки фізиків підтвердили встановлені Плюккером факти та доповнили їх новими. Про природу цих частинок єдиної думки не існувало. Так наприклад, Вільям Крукс(1832-1919) прийшов до думки, що катодні промені є потоком особливих негативно заряджених частинок і є деяким четвертим станом матерії. Інші вважали, що катодні промені – це потік звичайних частинок (атомів чи молекул), що несуть електричний заряд.

Молекулярній гіпотезі Крукса про природу катодних променів протистояла хвильова гіпотеза, яку підтримують німецькі вчені Відеман, Гольдштейн і Ленард. Герц, який перебував ще під впливом теорії Гельмгольця, що допускала існування не тільки поперечних, а й поздовжніх електромагнітних хвиль, також вважав катодні промені поздовжніми хвилями в ефірі. Однак Герц не вдалося домогтися відхилення катодних променів при проходженні ними електростатичного поля. В 1892 він показав, що катодні промені можуть проникати крізь тонкі пластинки алюмінію.

Використовуючи це відкриття, Філіп Ленард(1862-1947) вивів ці промені із трубки, замінивши ділянку скляної трубки перед катодом металевою фольгою, досить міцною, щоб витримати атмосферний тиск.

Однак хвильова гіпотеза несумісна з тим фактом, що катодні промені відхиляються магнітом, тому що на світлові хвилі магнітне поле не діє. Як молекулярна гіпотезаКрукса, і хвильова гіпотеза Гольдштейна виявилися незадовільними. Щоб вийти з цієї скрути, потрібні були додаткові експериментальні дані.

Зародження електроніки

Вони були отримані молодим фізиком Жаном Перреном(1870-1942), що працював тоді з Ліппманом у лабораторії Еколь нормаль у Парижі. Перрен помістив усередині розрядної трубки перед катодом закритий металевий циліндр з невеликим отвором проти катода на відстані 10 см від нього і з'єднав циліндр із електроскопом. Працюючи трубки пучок катодних променів проникав у циліндр, причому циліндр завжди виявлявся зарядженим негативно. Для перевірки достатньо було відхилити магнітом катодні промені так, щоб вони не проникали в циліндр, і одразу електроскоп, приєднаний до циліндра, виявлявся незарядженим.

Звідси можна було дійти невтішного висновку: катодні промені - це негативні електричні заряди, отже їх матеріальна природавидається значно ймовірнішою, ніж хвильова.

То справді був 1895 рік. Цього року народилася електроніка.

До 80-х років було остаточно з'ясовано, що гази є абсолютними ізоляторами і, хоч і слабко, проводять електричний струм; провідність їх можна збільшити, піддавши, наприклад, нагрівання. Було висловлено думку, що, подібно до провідності електролітів, провідність газів пояснюється наявністю заряджених частинок іонів.

Таку думку докладно розвинув 1882 року Вільгельм Гізе. Відповідно до його теорії, в газах завжди є деяка кількість заряджених частинок, що утворюються в результаті розподілу молекул на позитивні та негативні частинки-іони, які, так само як і в рідинах, проводять електрику. Однак у звичайних умовах таких іонів у газах дуже мало. За більш високих температур їх кількість збільшується і провідність підвищується.

До цієї теорії приєднався і англійський фізик Артур Шустер(1851-1934), який вважав, що частинки газів – іони – завжди несуть певний електричний заряд. Продовжуючи свої дослідження, Шустер спробував перевірити цю теорію на досвіді та одночасно визначити відносини заряду до маси таких іонів. Для цього він вирішив використати явище відхилення катодних променів у магнітному полі. Знаючи напруженість магнітного поля, різницю потенціалів і, вимірявши відхилення катодних променів у магнітному полі, можна обчислити відношення заряду до маси для катодних частинок. Такий експеримент і зробив Шустер, який отримав, що e/m = 10 ^ (11) Кл / кг.

Цей результат здався Шустеру сумнівним. Він вважав, що відношення e/m в катодних променях має бути по порядку величини дорівнює відношенню e/m для іона водню, підрахованого з даних електролізу, тобто порядку 10 ^ (8) Кл / кг. «... Я міг звідси укласти, - пише Шустер, - що або кількість електрики, що переноситься при розряді в газах, значно більше переноситься іонами при електролізі, або що маса його «носія» набагато менша». Однак Шустер такого висновку свого часу не зробив. Його дослідження було опубліковано у 1890 році, але не звернули на себе уваги.

Нарешті, було висловлено і гіпотеза у тому, що струм провідності здійснюється у результаті руху дискретних зарядів. Ця ідея належала Фехнеру, та був розвинена Вебером.

Спочатку Вебер не обговорював питання зв'язку «атомів електрики» з атомами речовин, але потім йому довелося приписати електричним частинкам масу. Це було зроблено під час дискусії з Гельмгольцем про ставлення його теорії до закону збереження енергії. У 1871 р. він писав, що з « кожним вагомим іоном пов'язаний електричний атом».

Застосовуючи зазначену гіпотезу, Вебер намагався пояснити ряд явищ, пов'язаних з електричним струмом, у тому числі виділення струмом тепла у провідниках, термоелектрика, явище Пельтьє та ін. При цьому йому вдалося передбачити низку положень, встановлених пізніше в електронній теорії.

Заряджені частинки речовини, які називають Лоренцем іонами, викликають у навколишньому середовищі, тобто в ефірі, особливий стан, який визначається значеннями напруженості електричного. Ета магнітного Нполів. Заряджена частка повинна зазнавати дії сили, яка залежить від значень Еі Ну точці її знаходження, а також від швидкості її руху. Ця сила одержала назву сила Лоренца.

Безпосередньо застосовувати рівняння Лоренца для опису електромагнітних процесів у макроскопічних масштабах у разі середовища не можна. Величини Еі Нзмінюють свої значення вже з відривом атомних розмірів і до того ж надзвичайно швидко, отже доступні виміру значення електричних і магнітних полів є середні значення цих величин. Тому щоб мати можливість застосовувати рівняння Лоренца для макроскопічних полів, їх потрібно усереднити. Для випадку нерухомих середовищ виходять звичайні рівняння Максвелла. У випадку, коли середовище має магнітні властивості, усереднення рівнянь Лоренца складніше, але й тоді для нерухомих середовищ приходимо до рівнянь Максвелла. Для випадку, коли середовище рухається як ціле, усереднення рівнянь Лоренца призводить до нових рівнянь, їх Лоренц вважає рівняннями для середовищ, що рухаються.

Слід зазначити, що розробка Лоренцем електронної теорії значною мірою була зумовлена ​​спробою створити електродинаміку середовищ, що рухаються. Цим і обумовлена ​​назва його головної праці. Досвід теорії електричних та оптичних явищу тілах, що рухаються».

Першим серйозним успіхом нової теорії було пояснення відкритого 1896 року Пітером Зеєманом(1865-1943) явища розщеплення спектральних ліній у магнітному полі. Початкова установка Зеємана не була забезпечена досить точною апаратурою, і Зеєман помітив, що спектральні лінії розширюються, якщо джерело світла поміщене в магнітне поле. Дізнавшись результати першого досвіду Зеемана, Лоренц пояснив їх, з теорії електронів. При цьому він передбачив, що спектральні лінії в досвіді Зеємана повинні не просто розширюватися, але поділятися на дві або на три в залежності від напрямку, в якому відбувається спостереження щодо напряму магнітного поля. Лоренц також визначив, що ці лінії мають бути певним чином поляризовані. Наступні експериментальні дослідження підтвердили висновки Лоренца і таким чином з'явилися підтвердженням електронної теорії.

Незабаром після створення електронної теорії було розвинуто електронну теорію металів. Німецький фізик Пауль Друде(1863-1906) вважав, що електрони, що знаходяться в металі, є вільними і поводяться подібно до атомів ідеального газу. Ця гіпотеза дала йому можливість застосувати методи кінетичної теоріїгазів до електронів усередині металу, побудувати електронну теорію металів, яка була надалі розроблена Лоренцем у 1904-1907 роках.

Нові результати були отримані також при застосуванні електронної теорії для пояснення магнітних властивостейтел. Розвиток уявлень про електрони поставило на чергу завдання розглянути явище парамагнетизму та діамагнетизму з погляду цієї теорії.

Вперше електронну теорію діамагнетизму почав розробляти англійський вчений Джозеф Лармор(1957-1942), який одночасно з Лоренцем брав участь у побудові загальної теоріїелектронів. Лармор пояснив явища діамагнетизму, розглядаючи рух електронів у речовині, враховуючи у своїй дію зовнішнього магнітного поля (прецесія Лармора).

1905 року Поль Ланжевен(1872-1946) розвинув більш докладну та сувору електронну теорію діамагнетизму та парамагнетизму. Електронна теоріяферомагнетизму була розроблена в 1907 П'єром Вейсом(1865-1940).

Кінець ХІХ століття історія фізики відзначений низкою принципових відкриттів, які викликали наукову революціюу поглядах фізиків. Найважливішими були відкриття електрона і встановлення залежності його маси від швидкості, та був відкриття радіоактивності. Слід зазначити відкриття фотоефекту та її законів, і навіть відкриття рентгенівських променів. Останні два відкриття крім власного значеннядля розвитку уявлень про фізичних явищзіграли істотну рольяк у відкритті електрона та електромагнітної маси, і у відкритті радіоактивності.

У 1895 році Вільгельм Конрад Рентген(1845-1923) відкрив промені, що отримали назву рентгенівських. Відкриття надзвичайно зацікавило вчених та викликало широку дискусію про їхню природу. Швидко було з'ясовано ряд властивостей цих незвичайних променів: здатність проходити через світлонепроникні тіла, іонізувати гази та ін., але природа самих променів залишалася неясною.

Рентген висловив гіпотезу про те, що промені є поздовжніми електромагнітними хвилями. Існувала гіпотеза про корпускулярній природіцих променів. З іншого боку, вже дуже скоро після відкриття Рентгена було висловлено припущення, що ці промені є електромагнітними хвилями, що мають вигляд хаотично наступних друзівза одним електромагнітних імпульсів.

Проте всі спроби виявити хвильові властивості променів Рентгена, наприклад спостерігати їхню дифракцію, тривалий час були безуспішними, поки німецькому фізику Максу Феліксу Теодору Лауе(1979-1960) не прийшла ідея використати замість дифракційної решіткикристал і спробувати виявити дифракцію рентгенівських променів від кристалічних ґрат (досвід вперше було зроблено лише 1925 року).

Відкриття рентгенівських променів сприяло дослідженням електропровідності газів та вивченню катодних променів.

Джозеф Джон Томсон(1856-1940) та Ернест Резерфорд(1871-1937) встановили, що під дією опромінення рентгенівськими променями газ сильно підвищує свою електропровідність, зберігаючи деякий час цю властивість і після припинення опромінення. Однак якщо газ, підданий опроміненню рентгенівськими променями, пропустити через вату, він негайно втрачає набуту властивість. Цей факт підтверджував припущення, що провідниками електрики у газах є заряджені частинки, що утворюються внаслідок дії рентгенівських променів. Що це за частинки, який їхній заряд і маса – ці питання постали перед Томсоном. Для дослідження цих питань Томсон вирішив вивчити властивості катодних променів, які, як він вважав, також є потоком заряджених частинок, і провів цілу серіюекспериментальних досліджень щодо вимірювання відношення заряду до маси для катодних частинок. Ці дослідження привели його до відкриття електрона.

Відкриття електрона

Зацікавившись відкриттям Рентгена, англійські вчені Джозеф Джон Томсон(1856-1940) та Ернест Резерфорд(1871-1937) встановили, що під дією опромінення рентгенівськими променями газ сильно підвищує свою електропровідність, зберігаючи деякий час цю властивість і після припинення опромінення. Однак якщо газ, підданий опроміненню рентгенівськими променями, пропустити через вату, він негайно втрачає набуту властивість. Цей факт підтверджував припущення, що провідниками електрики у газах є заряджені частинки, що утворюються внаслідок дії рентгенівських променів. Що це за частинки, який їхній заряд і маса – ці питання постали перед Томсоном.

Для дослідження цих питань Томсон вирішив вивчити властивості катодних променів, які, як він вважав, також є потоком заряджених частинок, і провів цілу серію експериментальних досліджень щодо вимірювання відношення заряду до маси для катодних частинок. Ці дослідження привели його до відкриття електрона.

У 1897 році Томсон опублікував перші результати щодо визначення ставлення заряду до маси катодних променів. Для вимірювання відношення заряду до маси катодних частинок він застосував два методи. Перший полягав у вимірі заряду і кінетичної енергії, що переносяться катодними променями за той самий проміжок часу. Для вимірювання електричного заряду пучок катодних променів прямував до фарадеєвого циліндра (порожнистий металевий циліндр, що має невеликий отвір в одній з основ і з'єднаний з електрометром). Кінетична енергія пучка катодних променів визначалася з вимірювання температури всередині циліндра фарадеєва за допомогою поміщеного туди термоелемента, який нагрівався при попаданні в нього цих променів. Вимірюючи далі відхилення цього пучка променів у магнітному полі, що має напрямок, перпендикулярне до променя, Томсон і визначив відношення заряду до маси.

Інший метод, який використовував Томсон для визначення відносин e/m, був заснований на одночасному дії електричного та магнітного полів на пучок катодних променів. Томсон впливав такий пучок електричним і магнітним полями, спрямованими взаємно перпендикулярно і перпендикулярно пучку. Підбираючи величину електричного поля так, щоб його дія компенсувалася дією магнітного поля, і вимірюючи потім відхилення цього пучка за наявності тільки одного магнітного поля тієї ж напруженості, Томсон визначив відношення заряду до маси.

Томсон отримав, що середнє значення для e/m одно 1,76 · 10 ^ 11 Кл / кг. З дослідів Томсона випливало, що катодні промені, безперечно, є потоком заряджених частинок, заряд і маса яких залишаються одними і тими ж під час використання різних газіві різних матеріалівкатода. Якщо прийняти, що заряд катодних частинок дорівнює зарядуводневого іона, визначеного з електролізу, то маса цих частинок набагато менше маси найменшого атома – атома водню. Таким чином, напрошувався висновок про існування заряджених частинок, що мають значно меншу масу, ніж маса атома, і входять як складові в атоми всіх елементів. Такі частинки Томсон запропонував назвати «корпусами». Ці корпускули, як стверджував він, входять до складу всіх атомів елементів.

Незалежно від Томсона значення величини e/m для катодних променів визначив Вальтер Кауфман(1871-1947). Вимірюючи відхилення пучка катодних променів у магнітному полі і, знаючи різницю потенціалів між катодом та анодом, Кауфман обчислив величину e/m, порядок якої вийшов таким самим, як і у Томсона. Однак Кауфман у першій своїй роботі не зробив висновків, які зробив Томсон. Він писав, що факт сталості e/m для різних металів та газів та значне відхилення цієї величини від відношення заряду до маси іонів, обчислених з явища електролізу, дуже важко пояснити. Незабаром Томсон визначив відношення заряду до маси для заряджених частинок, одержуваних при освітленні ультрафіолетовими променями поверхні металу, тобто використовував явище фотоефекту.

Явище фотоефекту вперше спостерігало Герц, який помітив, що електрична іскра проскакує через іскровий проміжок при меншій різниці потенціалів, якщо він висвітлюється ультрафіолетовим світлом. Наступні досліди показали також, що заряджений провідник помітно втрачає свій заряд, якщо він освітлюється ультрафіолетовими променями.

В 1888 явище фотоефекту досліджував Олександр Григорович Столєтов(1836-1896). Він встановив, що фотоефект може мати місце і за малих потенціалів, і розробив класичний методспостереження цього явища.

Установка Столетова являла собою металеву пластинку, яка висвітлювалася через сітку променями від електричної дуги А. Платівка і сітка були включені в ланцюг, що містить гальванічну батарею В і гальванометр. Якщо на сітку подавалася позитивна напруга, а на платівку – негативна, то при освітленні останнього ланцюга протікав струм. Використовуючи розглянутий метод дослідження, Столетов встановив низку важливих закономірностей. Так, він показав, що фотострум має місце тільки в тому випадку, якщо на пластинку, що висвітлюється, подається негативний потенціал; що величина струму пропорційна світловому потоку, що падає на пластину; що існує струм насичення; що для отримання фотоструму потрібно висвітлити прилад ультрафіолетовими променями, і т.д.

Для вимірювання відносин e/m у фотоелектронів Томсон використав найпростіший фотоелемент, що складається з металевої пластинки та металевої сітки, включених у ланцюг з батареєю та гальванометром. Платівка і сітка поміщалися в посудину, з якої викачувалося повітря. Стінка судини, через яку висвітлювалася металева пластинка, була виготовлена ​​з кварцу. Висвітлюючи платівку світлом, що містить ультрафіолетові промені, Томсон спостерігав, як завжди, появу фотоструму, що реєструється гальванометром. Якщо тепер помістити весь прилад у магнітне поле, напрямок якого перпендикулярно до напрямку фотоструму, то при певній величині напруженості поля фотострум припиниться. Це, очевидно, має місце тоді, коли під дією магнітного поля заряджені частинки повертаються, не встигнувши досягти сітки, і струм, отже, припиняється. Знаючи відстань між платівкою та сіткою, різницю потенціалів між ними, а також вимірявши критичну напруженість магнітного поля, при якому струм припиняється, Томсон визначив значення e /m . При цьому він отримав величину, що приблизно збігається з величиною e/mотриманої ним для катодних променів.

Найважливішим відкриттяму фізиці кінця ХІХ ст. було відкриття радіоактивності, яке, крім свого загального принципового значення, зіграло важливу рольу розвитку поглядів на електроні. Поштовхом до відкриття радіоактивності було вивчення рентгенівських променів.

У 1896 році Антуан Анрі Беккерель(1852-1908), намагаючись виявити рентгенівське проміння, що випускаються, на його думку, різноманітними речовинами після того, як вони висвітлювалися сонячним світлом, відкрив, що кристал уранової солі є безперервним джереломякогось випромінювання, яке може проходити через світлонепроникні екрани та викликати почорніння фотопластинки.

Марія Склодовська-Кюрі(1867-1934), зайнявшись дослідженням нового явища, дійшла висновку, що у уранових рудах присутні речовини, що володіють також властивістю випромінювання, названого нею радіоактивним. В результаті наполегливої ​​праці Марії та П'єру Кюрі(1859-1906) вдалося виділити з уранових руд новий елемент(1898), який мав радіоактивність набагато більшу, ніж уран. Цей елемент був названий радієм.

Дослідженням знову відкритих явищ зайнялося багато фізиків. Перед ними постали два запитання.
По-перше, це питання про природу радіоактивного випромінювання. Вже через короткий час після відкриття Беккереля стало зрозуміло, що радіоактивне випромінювання є неоднорідним і містить три компоненти, які отримали назву альфа, бетаі гамма-променів. При цьому виявилося, що альфа- І бета-Промені є потоками відповідно позитивно та негативно заряджених частинок. Природа гамма-випромінювання була з'ясована пізніше, хоча досить рано висловлювалося думка, що воно є електромагнітним випромінюванням.

Друге питання, що виник у зв'язку з дослідженням радіоактивного випромінювання, було більш важким і полягало у визначенні джерела енергії, яку несуть ці промені. Спочатку було висловлено припущення, що енергія випромінювання при радіоактивному розпаді береться з поза, з навколишнього радіоактивну речовину простору. Проте ця гіпотеза викликала багато заперечень. Гіпотеза про те, що джерело енергії радіоактивного випромінювання потрібно шукати всередині самої радіоактивної речовини, здавалася переконливішою. Але питання про те, що це за енергія, що знаходиться всередині атома, яка звільняється при його розпаді і виділяється разом з випромінюванням, було незрозумілим, як і взагалі питання про механізм самого радіоактивного розпаду, а перші теорії, що виникли на вирішення цього питання, не можна було вважати переконливими.

Подібна інформація.

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 виникнення 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 стані є ізолятором, оскільки атоми або молекули, з яких воно складається, містять однакову кількість негативних та позитивних електричних зарядів і загалом 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 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.

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, 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 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 має елементарний заряд) 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. 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 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.