§ 51. Електричний струм у газах

Порівняно з металами концентрація вільних заряджених частинок у газах настільки мала, що їх існуванням нехтують. Тому гази відносять до діелектриків. У 1 см³ металів знаходиться біля IO²³ вільних електронів, у 1 см³ газів заряджених частинок (йонів, вільних електронів) — близько IO⁹. Ця обставина істотно впливає на виникнення струму в газах. За звичайних умов та наявності електричного поля струм крізь газ не йтиме. Щоб струм у газі з’явився, необхідно збільшити в ньому концентрацію вільних заряджених частинок.

Виконаємо наступний дослід. З’єднаємо металеві пластини зі стрижнем і корпусом електрометра (мал. 113 а). Зарядимо пластини. Стрілка електрометра відхилиться, реєструючи наявність електричного заряду на пластинах. Стрілка електрометра не буде опускатися протягом деякого часу, що доводить відсутність зарядів у просторі між пластинами.

Внесемо в простір між пластинами полум’я свічки або спиртівки (мал. 113 б) — стрілка електрометра прийде в рух. В газі з’явився струм. Пластини розрядилися внаслідок проходження струму.

Під дією високої температури електрони атомів, з яких складаються молекули газу, одержують додаткову енергію і відриваються від атомів. При

цьому утворюються вільний електрон і позитивний йон. Частина вільних електронів, приєднуючись до нейтральних атомів, утворять негативні йони. Описаний вище процес називається йонізацією. Полум’я ж у цьому досліді є іІонізатором. Отже, процес утворення йонів називають йонізацією, а збудників йонізації — йонізаторами.

Під дією полум’я в просторі між пластинами виникають позитивні та негативні йони й вільні електрони. Під дією електричного поля, що існує між пластинами, негативні йони і вільні електрони рухаються до позитивної пластини, позитивні йони — до негативної пластини. У результаті пластини розряджаються. Проходження електричного струму крізь газ називають газовим розрядом. Розглянутий газовий розряд називають несамостійним, тому що він відбувається під дією зовнішнього йонізатора і припиняється за його відсутності.

Ионізатором може бути не тільки полум’я, але і ультрафіолетове, рентгенівське випромінювання.

Електричний струм у газі, спричинений спрямованим рухом позитивно і негативно заряджених йонів та електронів, називають газовим розрядом. Процес утворення йонів називають йонізацією, а збудників йонізації — йонізаторами. Газовий розряд, який відбувається під дією зовнішнього йонізатора і припиняється за його відсутності, називають несамостійним.

^ 1. Які частинки є носіями струму в газі? 2. Як можна йонізувати газ? 3. Що таке газовий розряд? 4. Який розряд називається несамостійним?

? 1. Охарактеризуйте процес йонізації газу завдяки його нагріванню. 2. Що спільне у процесах газового розряду і електролізу? 3. Чим відрізняються газовий розряд і електроліз?

і Самостійний розряд у газі

Проведемо дослід. До пластин (мал. 114) приєднаємо провідники, кінці яких будемо наближати один до одного, але не до зіткнення. Ми побачимо, що пластини розрядилися. При цьому побачимо іскру між провідниками і, можливо, почуємо тріск). У чому причина виникнення розряду? Як утворилися носії струму в просторі між пластинами?

Як ви знаєте, у газі завжди є деяка кількість вільних йонів та електронів. Під дією електричного поля вони розганяються, і можуть набувати енергії, достатньої щоб при бомбардуванні нейтральних молекул чи атомів, які зустрічають на своєму шляху, їх іонізувати.

При зіткненні заряджених частинок з нейтральними атомами чи молекулами, з яких складається газ або катод, виникають додаткові йони та вільні електрони. Вони і призводять до розряду в газі. Такий розряд називають самостійним. Особливістю такого розряду є те, що самостійний газовий розряд відбувається за відсутності постійно діючого зовнішнього іонізатора.

Самостійні газові розряди можуть відрізнятися між собою механізмом виникнення і протікання залежно

від характеристик газу (склад газу, температура, тиск), величини напруги, підведеної до електродів, а також форми, розмірів і розташування електродів. Серед самостійних розрядів вам знайомий іскровий розряд (мал. 116), різновидом якого є блискавка (мал. 117) — потужний іскровий розряд.

Розглянемо деякі чинники, що впливають на характеристики самостійного газового розряду.

При іскровому розряді необхідно створити досить сильне поле, щоб електрони і йони за час свого руху до зіткнення встигали набути енергію необхідну для йонізації нейтральних атомів. Наприклад, умовою виникнення самостійного розряду за нормального атмосферного тиску є створення напруги ЗО 000 В на кожен сантиметр довжини силової лінії електричного поля. Якщо відстань між електродами вимикача дуже мала, іскра виникає при напругах у декілька вольт або навіть менше одного вольта (мал.115).

Блискавка виникає між хмарами або між хмарою і землею при напругах порядку IO⁸ В (мал. 116).

При напрузі, недостатній для виникнення самостійного розряду, можна частково відкачати газ із посудини, зменшивши його тиск. В трубках із зниженим тиском всередині виникає тліючий розряд.

Різновидом розряду в газах є електрична дуга. Більш детально із характеристиками різних газових розрядів познайомимося пізніше.

Газовий розряд, який відбувається під дією електричного поля за відсутності постійно діючого зовнішнього йонізатора, називають самостійним.

Застосування струму в газах у побуті, промисловості, техніці. Іскровий розряд відбувається в газах за нормальних та великих тисків. При збільшенні напруги між двома вміщеними в атмосферне повітря електродами до певної величини, між ними проскакує електрична іскра. Вона має вигляд тонкого розгалуженого шнура, який яскраво світиться. Іскру можна отримати за допомогою електрофорної машини.

Іскровий розряд з величезною швидкістю пронизує проміжок між електродами, гасне і знову виникає. Око не встигає реагувати на окремі іскрові розряди, тому бачить одну суцільну іскру. Розряд звичайно супроводжується тріском і яскравим світінням. При іскровому розряді у повітрі утворюється деяка кількість озону.

Прикладом потужного іскрового розряду є блискавка (мал. 117). Це електричний розряд між негативно зарядженою хмарою і позитивно зарядженою поверхнею землі або між двома хмарами, які мають різні за знаком заряди. Сила струму в блискавці сягає кількох сотень і тисяч ампер. Тривалість розряду блискавки біля 10“⁵ с.

Тліючий розряд відбувається у розріджених газах. При цьому газ не розжарюється, але світиться. Проведемо дослід. Електроди скляної трубки AiK приєднаємо до джерела високої напруги (мал. 117). При атмосферному тиску струм в колі відсутній,

трубка не світиться. За допомогою насоса почнемо відкачувати газ із трубки. З часом трубка починає світитись. У розрідженому газі йони та електрони рідше зіштовхуються з нейтральними молекулами чи атомами. За час між зіткненнями вони встигають під дією електричного поля набути енергії, достатньої для іонізації нейтральних атомів, молекул. Між електродами спочатку виникає свічення у вигляді шнура. Із подальшим зменшенням тиску весь простір у трубці починає світитися. Розряд, що виникає в газі при зниженому тиску, називається тліючим розрядом.

Тліючий розряд у різних газосвітних трубках знаходить широке використання. У лампах денного світла тліючий розряд відбувається в парі ртуті. Лампи денного світла у три-чотири рази споживають менше електричної енергії ніж лампи розжарення.

Газосвітні трубки застосовуються з декоративною метою (мал. 118). Для отримання свічення різного кольору трубки наповнюють різними газами та їх сумішами (неоном, аргоном, криптоном тощо).

Електрична дуга є різновидом самостійного газового розряду. Для створення електричної дуги застосовують два вугільних стрижні, кінці яких розміщують поблизу один від одного. Кінці стрижнів спочатку розташовують так, щоб отримати іскровий розряд. Зменшуючи відстань між електродами

отримують безперервний розряд у вигляді сліпучого сяйва. Дуговий розряд можна отримати і в інший спосіб. Для цього електроди спочатку зближають так, щоб вони дотикалися, а потім розсовують.

Розглядаючи сяйво дугового розряду крізь темне скло, можна побачити, що кінці вуглин світяться яскравіше, ніж так звана «дуга» у вигляді яскравої зігнутої смужки. На анодній вуглині утворюється невелика заглибина — кратер. Найвищу температуру має кратер аноду (до 4000?^аС), температура катода нижча —

близько 3500?‘С. Сила струму в електричній дузі досягає десятків і сотень ампер. Завдяки високій температурі відбувається згоряння вуглин.

Електрична дуга була відкрита у 1802 р. російським фізиком В.?В.?Петровим.

Застосування електричної дуги дуже різноманітні. Як джерело світла і тепла електрична дуга може застосовуватися у прожекторах, маяках, дугових електропечах для виплавляння металів, при різанні та зварюванні металів (мал. 119).

Самостійний розряд широко використовується в побуті (лампи денного світла, реклама), в техніці (електрична дуга, обробка металів), зустрічається в природі.

Самостійні розряди і техніка

Іскровий розряд призводить до утворення на аноді заглибини, а на катоді наросту. Пояснюється це тим, що при проскакуванні іскри між

катодом і анодом виникає «електронна лавина». Це призводить до сильного нагрівання частини анода, на яку попадає іскра. Метал анода у цьому місці плавиться і навіть перетворення його на пару. Розплавлений метал потрапляє на катод, де твердне. Явище пошкодження металу в результаті іскрового розряду називають електричною ерозією. Ерозія анода і катода відбувається в контактах вимикачів та інших електричних приладів. У цих випадках явище електричної ерозії шкідливе.

Електричну ерозію використовують для обробки металів. Наприклад, іскровий розряд робить отвори в металі не гірше сталевого свердла. Цікавим і корисним є те, що твердість металу при цьому не має значення.

Тліючий розряд використовують для катодного розпилення металів. Внаслідок бомбардування позитивними йонами катод сильно нагрівається і переходить у газоподібний стан, осідаючи у вигляді металевого нальоту на стінках трубки. При цьому предмети, розміщені поблизу катода, вкриваються рівномірним шаром металу. За допомогою катодного розпиленням виготовляють високоякісні дзеркала.

Це матеріал з підручника Фізика 8 клас Гуз