§ 30. Електричний струм у газах

Гази в природному стані не проводять електричного струму. У цьому ми переконуємося щоразу, коли, натиснувши клавішу вимикача, створюємо повітряний проміжок між його контактами і тим самим припиняємо струм.

За невисоких температур і тисків, близьких до атмосферного, гази є гарними ізоляторами. Лінії електропередач — це дроти, які не мають ізоляції і відділені один від одного лише повітряним проміжком (мал. 2.109). Це пояснюється тим, що за звичайних умов гази — це нейтральні атоми і молекули, вони майже не містять вільних зарядів (електронів, іонів), які могли б створити струм. Наприклад, якщо помістити в сухе атмосферне повітря

заряджений електрометр, то його заряд довго залишатиметься незмінним.

Але за певних умов гази стають провідниками. Розглянемо дослід, що дає змогу виявити ці умови. Дві металеві пластини, розділені повітряним проміжком, приєднують до джерела високої напруги. У це саме коло вмикають також чутливий дзеркальний гальванометр — прилад, за допомогою якого можна вимірювати малі сили струмів. Пластина, приєднана до позитивного полюсу джерела струму, набуває позитивного заряду, а до негативного полюсу — негативного заряду. Між пластинами виникає електричне поле, яке діє на заряджені частинки.

Світна цятка на шкалі гальванометра знаходиться на позначці 0. Це свідчить про те, що струму в колі немає. Оскільки відсутній струм, то в повітрі немає вільних носіїв електричних зарядів або їх дуже мало. Якщо наблизити до пластин полум’я спиртівки, можна переконатися в тому, що в колі виникає струм: промінь гальванометра відхиляється (мал. 2.110). У повітряному проміжку між пластинами унаслідок уведення полум’я з’являються вільні заряджені частинки, які починають рухатися в електричному полі від однієї пластини до іншої.

Які саме частинки утворюють струм між електродами у повітрі? У полум’ї протікають інтенсивні хімічні реакції, які супроводжуються виділенням енергії та розпадом молекул і атомів на іони й електрони.

Процес розпаду молекул і атомів газу на іони і електрони називають іонізацією.

Унаслідок іонізації замість нейтральної молекули (атома) утворюються позитивний іон і електрон. Полум’я — частково іонізований газ, що містить іони і електрони. Під впливом сил електричного поля вони переміщуються між пластинами.

Іонізація молекул газу відбувається також унаслідок дії ультрафіолетового, рентгенівського, радіоактивного опромінення. Чинники, які зумовлюють іонізацію газів, називаються іонізаторами.

Деяка частина електронів, що утворилася внаслідок розпаду нейтральних атомів і молекул газу, може приєднуватися до нейтральних атомів і молекул. Так виникає іонізований газ, що складається з позитивних і негативних іонів та електронів.

Упорядкований рух іонів і електронів під дією електричного поля — це струм у газі, який називають газовим розрядом.

Якщо з проміжку між пластинами прибрати полум’я спиртівки або усунути будь-який інший чинник, що спричинює іонізацію, то струм швидко зникне. Це пояснюється тим, що після усунення дії іонізатора електрони й іони, наблизившись один до одного, перетворюються на нейтральні атоми чи молекули. Зіткнення електронів й іонів та утворення при цьому нейтральних молекул і атомів називають рекомбінацією. Вільні заряди і струм зникають, а разом з ними зникає провідність газу.

Газовий розряд, який може спостерігатися лише за умови дій зовнішнього іонізатора, називають несамостійним газовим розрядом.

У навколишньому повітрі завжди є невелика кількість іонів та електронів, які виникають під дією випромінювань, що проникають у земну атмосферу з космічного простору, радіоактивних випромінювань земної кори, ультрафіолетового випромінювання Сонця та ін. Кілька таких заряджених часток є мізерною, і вони істотно не впливають на електропровідність повітря. Однак, якщо між електродами створити високу напругу, сила струму в колі стрімко зростатиме. Це означає, що за високої напруги між електродами в повітрі з’являється значна кількість вільних заряджених часток. Чому це відбувається? Причина зростання кількості вільних заряджених

частинок — іонізація унаслідок зіткнень. Іони й електрони, яких хоч і небагато, але є в газах, прискорюються електричним полем і досягають значних швидкостей. Під час свого руху вони зіштовхуються з нейтральними атомами й молекулами газу. Якщо напруженість електричного поля невелика, то кінетична енергія, якої набувають ці частинки між зіткненнями, теж порівняно невелика. Коли напруга між електродами і, відповідно, напруженість електричного поля збільшуються, електрони між зіткненнями з атомами й молекулами можуть розганятися до великих швидкостей. їхня енергія досягає таких значень, щоб під час зіткнень з нейтральними атомами і молекулами вибити з них електрони. Відбувається іонізація атома ударом — ударна іонізація. Одночасно відбувається і зворотний процес зіткнення іонів з електронами і перетворення їх на нейтральні атоми — рекомбінація.

Унаслідок зіткнення швидкого електрона 1 з атомом утворюється ще один вільний електрон 2 і позитивний іон, тобто замість однієї зарядженої частки з’являються три — позитивний іон і два електрони. Іон рухається до негативного електрода — катода, а два електрони до позитивного електрода — анода. Два електрони, розігнані електричним полем, зіткнувшись з двома атомами (молекулами) газу, іонізують їх. Утворюється ще два іони й чотири електрони (1, 2, 3, 4). Усі вони, задіяні в іонізації (мал. 2.111). Зіткнення чотирьох електронів з атомами приведе до появи восьми електронів. Кількість заряджених частинок зростає, подібно як утворюється снігова лавина. Такий розряд називають лавинним розрядом.

Не всі електрони й іони, що утворилися в процесі ударної іонізації, досягають електродів. Унаслідок зіткнення іонів і електронів утворюються нейтральні атоми — відбувається рекомбінація. Проте у процесі виникнення лавини іонізація значно переважає рекомбінацію. Концентрація іонів та електронів у газі збільшується. Коли напруга між електродами стає достатньою для утворення лавини, сила струму в колі істотно зростає.

Для утворення лавин потрібні вільні електрони. Саме завдяки їм відбувається іонізація атомів і молекул, а також підтримується лавинний розряд. Вільні електрони в газі можуть виникнути не лише завдяки зовнішньому іонізатору. В їх утворенні беруть участь і позитивні іони, які рухаються до

катода під дією електричного поля. Бомбардуючи катод, вони вибивають з нього електрони. Відбувається так звана вторинна електронна емісія. Якби іони не вибивали електрони з катода, то утворена лавина електронів й іонів дійшла б до катода і анода і розряд у газі припинився б. Електрони, вибиті іонами з катода, породжують нові лавини іонів і електронів. Тому лавинний розряд може сам себе підтримувати, і розряд у газі не припиняється, навіть якщо немає зовнішнього іонізатора.

Електричний розряд у газі, що продовжується після усунення дії зовнішніх іонізаторів, називається самостійним розрядом.

Коли розряд самостійний, зазвичай спостерігається світіння газу.

Вимірюючи силу струму в газах за різних напруг, можна помітити, що сила струму залежить від напруги так, як показано на мал. 2.112. Графік залежності сили струму від напруги називають вольтамперною характеристикою газового розряду.

Нехай завдяки дії іонізатора щомиті в деякому об’ємі газу утворюється певна кількість електронів й іонів. Одночасно з іонізацією відбувається рекомбінація іонів та електронів. Тому в газі досить швидко встановлюється рівновага, і кількість вільних носіїв зарядів, що утворилися в кожній одиниці об’єму газу за секунду, практично є сталою. Якщо між електродами створити напругу, то під дією сил електричного поля певна кількість іонів і електронів потрапить на електроди. Із підвищенням напруги (і напруженості поля) іони й електрони розганятимуться до дедалі більших швидкостей, і дедалі менший час їм буде потрібен, щоб досягти електродів. Тому зі збільшенням напруги сила струму спочатку зростає — ділянка 0А вольтамперної характеристики.

Подальше підвищення напруги між електродами приведе до зростання швидкостей іонів та електронів. Настає момент, коли усі іони й електрони, які утворилися в газі завдяки дії іонізатора, за одну секунду досягають електродів. Це означає, що у разі подальшого підвищення напруги сила струму не зростає — ділянка АВ. Значення сили струму, що відповідає ділянці вольтамперної характеристики розряду АВ, називають струмом насичення. Якщо і надалі підвищувати напругу між електродами, швидкість електронів досягне такого значення, коли їхня енергія стає достатньою для іонізації атомів і молекул унаслідок зіткнень. Починає проявлятися ударна іонізація і виникає лавинний розряд. Сила струму знову стрімко зростає (ділянка ВС) і розряд триває навіть, якщо припинити дію зовнішнього іонізатора.

ЗАПИТАННЯ ТА ЗАВДАННЯ

Це матеріал з Підручника Фізика 8 Клас Бойко