§ 35. Електричний струм у газах

Провідність газів

Несамостійний і самостійний газовий розряд

ПРОВІДНІСТЬ ГАЗІВ. За звичайних умов гази майже повністю складаються з нейтральних атомів чи молекул, тому є діелектриками. На властивості повітря бути ізолятором ґрунтується робота звичайного вимикача електричного струму, який є у вашому житловому приміщенні. Під час вимикання світла між двома контактами утворюється повітряний проміжок, унаслідок чого розмикається електричне коло.

Чи може повітря проводити електрику? Звернемося до досліду. Приєднаємо одну пластину плоского конденсатора до електрометра, а іншу заземлимо. Потім доторкнемося позитивно зарядженою паличкою до однієї з пластин — стрілка електрометра відхилиться на певний кут (рис. 36.1, а). За умови достатньо сухого

повітря заряд на пластинах триматиметься доволі довго, а отже, електричний струм через повітряний простір між пластинами не проходить.

Внесемо у простір між пластинами запалений сірник. Стрілка електрометра почне швидко повертатися в початкове положення, що свідчить про розрядження пластин конденсатора (рис. 35.1, б). Отже нагріте повітря стало провідником і через нього пройшов електричний струм.

Процес проходження електричного струму через газ називають газовим розрядом._

Проаналізуємо результати досліду. Ви вже знаєте, що всі речовини складаються з молекул (атомів), які перебувають у безперервному хаотичному русі. З підвищенням температури газу збільшується кінетична енергія його молекул. Під час зіткнення молекул або атомів газу вони можуть втратити один або декілька електронів та перетворитися на позитивний іон. Утворюються два вільні носії заряду: електрон та позитивно заряджений іон (рис. 35.2, а).

Вільні електрони, зіткнувшись із молекулою чи атомом, можуть захоплюватися ними — утворюються негативні йони (рис. 35.2, б).

Процес утворення позитивних і негативних йонів та вільних електронів з молекул (атомів) називають іонізацією.

Йонізувати газ можна, нагрівши його або опромінивши електромагнітним випромінюванням, наприклад, рентгенівським чи ультрафіолетовим.

Позитивні та негативні йони (або позитивні йони й електрони) при зіткненні можуть з’єднуватися між собою, утворюючи ней-

тральні атоми або молекули (рис. 35.3). Отже, у газах одночасно з процесом йонізації відбувається зворотний процес — рекомбінація.

Провідність газів від температури. З підвищенням температури зростає швидкість руху молекул, а отже, дедалі більше молекул, стикаючись, «розбиваються» на йони й електрони, тобто кількість вільних носіїв електричного заряду збільшується. Чим більшою буде ця кількість, тим краще речовина проводитиме електричний струм. Отже, очевидним є висновок: із підвищенням температури газів їх провідність збільшується, а опір відповідно зменшується.

НЕСАМОСТІЙНИЙ І САМОСТІЙНИЙ ГАЗОВИЙ РОЗРЯД. Утворення йонів у газах суттєво відрізняється від цього процесу в електролітах, де молекули розпадаються на йони в процесі електролітичної дисоціації. Зокрема, у разі припинення дії іонізатора гази знову стають діелектриками. Вільні електрони або досягають електродів та нейтралізуються, або рекомбінують, утворюючи нейтральні атоми чи молекули.

Тобто за умови усунення джерела йонізації газу (прибрати пальник, вимкнути джерело рентгенівського випромінювання тощо) газовий розряд припиняється внаслідок рекомбінації молекул.

Газовий розряд, який відбувається тільки за наявності зовнішнього йонізатора, називають несамостійним газовим розрядом._

Щоб в електричному колі, зображеному на малюнку (рис. 35.4), існував електричний струм, потрібно мати йонізатор (пальник, опромінювач).

Збільшення напруги на електродах зумовить збільшення кулонівських сил, що діють на електрони і, як наслідок, — збільшення їх швидкості та електричної енергії. Маючи велику кінетичну енергію, електрон, стикнувшись із молекулою (атомом), «розбиває» її (рис. 35.5) на йон та електрон,

який, прискорений електричним полем, руйнує інші молекули (атоми). Кількість заряджених частинок швидко зростає. Цей процес називають ударною йонізацією газу. Оскільки за цих умов для підтримання газового розряду зовнішній йонізатор вже не потрібний, такий розряд називають самостійним.

Самостійний газовий розряд — розряд, який може існувати без зовнішнього йонізатора.

Залежно від стану газу (температури та тиску), напруги, форми й розмірів електродів самостійні газові розряди можуть відрізнятися один від одного як за зовнішніми ознаками, так і за характером фізичних процесів, які їх зумовлюють. Всі види газових розрядів супроводжуються своєрідними явищами (різноманітні свічення, характерний звук тощо).

За низьких тисків (порядку 0,1 мм рт. ст.) і напруги лише в кілька сотень вольт, а іноді й менше в газах спостерігається тліючий розряд. Його можна побачити у вигляді світіння у скляній трубці, наповненій газом при низькому тиску (рис. 35.6). Колір світних шарів газового розряду залежить від самого газу. Світіння повітря має бузковий відтінок, неону — оранжево-червоний, аргону — зеленуватий тощо.

Тліючий розряд у розріджених газах широко застосовують як джерело світла в різних газосвітних трубках. У лампах денного світла тліючий розряд зазвичай відбувається в парі ртуті. Випромінювання ртутної пари поглинається шаром спеціальної речовини, нанесеної на внутрішню поверхню трубки, яка під дією

поглинутого випромінювання світиться видимим світлом. Перевагою таких ламп порівняно з лампами розжарювання є їхня економічність, а недоліком — мерехтливе свічення.

Самостійні електричні розряди можуть відбуватися в газах і за нормальних та великих тисків у разі збільшення напруги між двома вміщеними в атмосферне повітря електродами. За певної напруги між електродами проскакує електрична іскра, що має вигляд тонкого, яскраво світного, зігнутого та розгалуженого шнура (рис.

35.7) . При цьому іскровий розряд із величезною швидкістю пронизує проміжок між електродами, гасне і знову виникає, тому око бачить одну суцільну іскру. Іскровий розряд зазвичай супроводжується характерним тріском і блакитнуватим свіченням.

Характерним прикладом потужного іскрового розряду є блискавка — електричний розряд між негативно зарядженою хмарою і позитивно зарядженою поверхнею землі або між двома хмарами. Максимальна сила струму в блискавці досягає десятків і сотень ампер, її тривалість близько IO^-6 с, електрична напруга між хмарою і землею іноді перевищує 15 · IO⁷ В, а довжина блискавки може становити десятки кілометрів.

За атмосферного тиску в дуже неоднорідних електричних полях, наприклад, поблизу дротів ліній високої напруги, спостерігається розряд, світна ділянка якого часто нагадує корону (рис.

35.8) . Тому цей розряд називають коронним. Іноді його можна спостерігати перед грозою або під час неї на вістрях високо піднятих предметів (корабельних щоглах, вершинах дерев, шпилях

башт, антенах тощо) у вигляді свічення, схожого на китиці конусів.

Якщо одержати іскровий розряд, а потім поступово знижувати електричний опір кола, зменшуючи відстань між електродами, розряд перейде з переривчастого у безперервний — виникає новий вид газового розряду, який дістав назву дугового (рис. 35.9).

Температура електродів у місцях виникнення електричної дуги за атмосферного тиску становить близько 3500—4000 °С, а під тиском 20 атм перевищує 7000 °С, тобто вища за температуру зовнішньої поверхні Сонця (близько 6000 °С).

Електрична дуга є потужним джерелом світла, тому її використовують у проекційних та прожекторних ліхтарях. Дуговий розряд широко застосовується для зварювання й різання металів, а також у дугових електропечах сучасної металургійної промисловості.

Головне в цьому параграфі_

Процес проходження електричного струму через газ називають газовим розрядом.

Процес утворення позитивних і негативних йонів та вільних електронів з молекул (атомів) називають йонізацією.

Рекомбінація — процес утворення молекул у результаті зіткнення позитивних і негативних частинок.

Електричний струм у газі являє собою спрямований рух позитивних йонів до катода, а негативних йонів і електронів до анода.

Із підвищенням температури газів їх провідність збільшується, а опір відповідно зменшується.

Газовий розряд, який відбувається тільки за наявності зовнішнього йонізатора, називають несамостійним газовим розрядом.

Самостійний газовий розряд — розряд, який може існувати без зовнішнього іонізатора.

Залежно від стану газу (температури й тиску), напруги, форми й розмірів електродів розрізняють такі види самостійних газових розрядів: тліючий, іскровий, коронний, дуговий.

Запитання для самоперевірки_

1.    Що називають газовим розрядом?

2.    Яка природа струму в газах?

3.    Що називають рекомбінацією атомів?

4.    Які заряджені частинки є носіями струму в газах?

5.    За яких умов виникає самостійний електричний розряд у газах?

6.    Які умови виникнення та зовнішні ознаки тліючого розряду⁷?

7.    Які характерні ознаки іскрового електричного розряду⁷?

8.    За яких J⁷Mob виникає дутовий розряд? Назвіть його особливості.

Домашній експеримент

Якщо у вас вдома є «економ»-лампа, виконайте цікаві дослідження.

Дослід 1. Увімкніть лампу. Спостерігаючи за тим, як вона починає світитися, визначте, як це відбувається: відразу яскраво чи поступово. Вимкніть лампу⁷. Простежте, як зникає світло — раптово чи поступово? Порівняйте яскравість лампи на початку та наприкінці роботи.

Дослід 2. Увімкніть лампу. Спостерігайте за тим, як працює лічильник електричної енергії. Бажано, щоб не працювали інші електроприлади. Запишіть покази за 1 хвилину⁷, а потім через певний час знову залишіть покази за 1 хвилину. Порівняйте покази лічильника.

Чому⁷ не рекомендують часто вимикати такі лампи?

Вправа до § 36

1п. Поясніть залежність опору газів від температури.

2п. Наведіть приклади джерел світла, де використовується газовий розряд.

Зс. Якщо в простір між зарядженими пластинами внести полум’я свічки чи спиртівки, то воно роздвоюється (див. рисунок). Поясніть це явище.

4с. Поясніть чим відрізняється йонізація газів від дисоціації електролітів? 5с. Поясніть, чому в альпіністів є таке правило: заночувавши високо в горах, всі металеві предмети потрібно класти подалі від табору.

6д. Поясніть, чому у вологому приміщенню складно проводити досліди з електростатики, оскільки електроскоп погано заряджається і швидко втрачає наданий йому заряд.

7в. Блискавка є переривчастим розрядом тривалістю 1 мс. Кількість заряду, який проходить по каналу, 20 Кл, а напруга дорівнює 2 ГВ. Визначте силу струму та потужність блискавки. Визначте енергію, яка виділяється при спалаху блискавки, якщо вона складається з 5 розрядів.

Це цікаво

Україна має унікальні досягнення в галузі електрозварювання, які використовуються в усьому світі. Ця проблематика розробляється в Інституті електрозварювання Національно’ академії наук. Його фундатором та першим директором був академік Євген Оскарович Па-тон — відомий учений у галузі зварювальних процесів і мостобудування.

У 1930-х роках Є.О. Патон розвинув ідеї М. Бенардоса та розробив метод швидкісногс автоматичного зварювання під шаром флюсу, який дістав назву «метод Патона». У роки Другої світової війни розробив і впровадив технологію та обладнання для зварювання спеціальних сталей, зокрема, для танкових башт.

У 1953 р. ім'ям Є. О. Патона названо міст через Дніпро в Києві, який споруджувався пі/] його керівництвом.

Науковцями Інституту електрозварювання, який очолює Борис Євгенович Патон, президент Національної академії наук України, розробляються актуальні науково-практичні проблеми.

Створено унікальні технології електрозварювання: «мокрого зварювання» (підводне зварювання трубопроводів високого тиску, ремонт корпусів морських суден на плаву, бурових платформ); зварювання нержавіючих сталей та титанових сплавів в умовах космічного вакууму та невагомості; технологія наплавлювання тон-коплівкових покриттів в умовах орбітального польоту; зварювання у відкритому космосі за допомогою універсального електронно-променевогс приладу; розроблення зварних конструкцій, ще розгортаються у відкритому космосі (рисунок).

Сьогодні перспективними напрямами діяльності інституту є нанострук-турні системи, нанотехнології та нономатеріали.

ВЧИМОСЯ РОЗВ’ЯЗУВАТИ ФІЗИЧНІ ЗАДАЧІ З ТЕМИ «ЕЛЕКТРИЧНИЙ СТРУМ У РІЗНИХ СЕРЕДОВИЩАХ»

У фізичних задачах на електричний струм у різних середовищах переважно розглядається явище електролізу та його застосування. Звертаємо вашу увагу, що закони постійного струму (закон Ома, послідовного та паралельного з’єднання провідників, робота та потужність електричного струму) можна застосовувати під час розв’язування задач, пов’язаних з проходженням електричного струму через розчини чи розплави електролітів.

Пам’ятайте також про те, що не завжди є потреба переводити одиниці вимірювання фізичних величин у СІ, наприклад, електрохімічний еквівалент можна вимірювати в мг/Кл, тоді маса речовини визначатиметься також у мг.

Задача 1. Сила струму в електролітичній ванні 0,5 А. визначте масу цинку яка виділиться при електролізі за 10 хв.

Задача 2. У електролітичній ванні за 20 хв виділилося 1,98 г міді. Визначте електричну потужність, що витрачається на нагрівання електроліту. Опір розчину ванни становить 0,8 Ом.

Задача 3. Послідовно з електролітичною ванною, заповненою сіллю нікелю, з’єднана ванна, в якій містяться солі хрому. Скільки хрому виділилося у другій ванні, якщо в першій ванні після розмикання кола виділилося 10 г нікелю?

ВИЯВЛЯЄМО ПРЕДМЕТНУ КОМПЕТЕНТНІСТЬ З ТЕМИ «ЕЛЕКТРИЧНИЙ СТРУМ У РІЗНИХ СЕРЕДОВИЩАХ»

In. Електричним струмом в електролітах називають спрямований рух:

A)    електронів;

Б) атомів;

B)    позитивних і негативних йонів;

Г) йонів і електронів.

2п. Прикладом самостійного газового розряду є:

A)    веселка;

Б) грім;

B)    блискавка;

Г) світіння електричної лампочки.

Зп. Електричним струмом у газах називають спрямований рух:

A)    електронів;

Б) атомів;

B)    йонів;

Г) позитивних, негативних йонів і електронів.

4п. У нормальному стані повітря є:

A)    провідником електричного струму;

Б) діелектриком;

B)    напівпровідником;

Г) електролітом.

6п. Визначте правильне продовження речення «З підвищенням температури електричний опір...»:

A)    збільшується тільки у газів;

Б) збільшується тільки в електролітів;

B)    зменшується у газів і електролітів;

Г) зменшується тільки в електролітів.

7п. Укажіть правильне продовження речення «Процесом одержання копії різних металевих предметів за допомогою електролізу є...»:

А) гальваностегія;

Б) гальванізм;

В) рафінування металів;

Г) гальванопластика.

8с. Сила струму в електролітичній ванні 0,5 А. Визначте масу срібла, яка виділиться під час електролізу за 10 хв. Електрохімічний еквівалент срібла 1,12 мг/Кл.

A)    0,056 г;

Б) 0,386 г;

B)    560 мг;

Г) 33,6 мг.

9с. У процесі електролізу з водяного розчину хлориду заліза виділилося 560 мг заліза. Який заряд пройшов через електролітичну ванну? Електрохімічний еквівалент 0,2 мг/Кл.

A)    28 Кл;

Б) 280 Кл;

B)    2800 Кл:

Г) 28 000 Кл.

10с. Установіть відповідність між видом газового розряду та його проявом чи застосуванням:

1    тліючий    А лампи розжарювання

2    іскровий    Б різання металів

3    коронний    В блискавка

4    дуговий    Г лампи денного світла

Д свічення на шпилях башт

11д. Установіть відповідність між номером електроду та речовиною що осідатиме при проходженні електричного струму через зазначені на малюнку розчини?

1    AH

2    Б    Cl

3    В    Br₂

4    Г    Br

Д Cu

12д. Визначте час, за який на катоді електролітичної ванни виділиться 50 г хрому, якщо електроліз проходить при силі струму 25 А? Електрохімічний еквівалент хрому дорівнює 0,2 мг/Кл.

ІЗв. Визначте витрати електроенергії на отримання кожної тонни металу, якщо електроліз відбувається за напруги 850 В, та розташуйте витрати у порядку їх зменшення:

A)    алюміній;

Б) мідь;

B)    нікель;

Г) срібло.

14в. В електролітичній ванні за 10 хв виділилося 0,33 г міді. Опір розчину мідного купоросу становить 3,6 Ом. Визначте потужність струму, який проходить через розчин. Електрохімічний еквівалент міді дорівнює 0,33 мг/Кл.

15в. Деталь із площею поверхні 45 см² необхідно вкрити шаром нікелю завтовшки 0,3 мм. При цьому сила струму в електролітичній ванні становить 8,9 А. Визначте час, витрачений на покриття деталі за таких умов. Густина нікелю 8900 кг/м³. Електрохімічний еквівалент нікелю дорівнює 0,3 мг/Кл. Відповідь подайте в секундах.

Це матеріал з Підручника Фізика 8 Клас Головко