§ 31. Електричний струм у газах

Як виникає блискавка

Блискавка - це гігантська електрична іскра, яка виникає між наелектризованими хмарами чи між хмарами і землею (мал. Зі. І).

Щоб виникла блискавка, потрібна напруга в сотні мільйонів вольтів. У момент виникнення блискавки через повітря, яке, як правило, є ізолятором, іде величезної сили струм. Такий струм дуже швидко і сильно розігріває повітря, в результаті чого повітря різко розширюється і збуджує сильні звукові хвилі -грім.

Проходження струму через газ прийнято називати електричним розрядом. Коли ми в темноті проводимо рукою по поліетиленовому пакету і бачимо іскри - то це також мініатюрні іскри-блискавки, виникнення яких спричиняється напругами в кілька тисяч вольт (вони безпечні, оскільки струми, які ними породжуються, малі).

Яким чином повітря стає провідником

Ми знаємо, що для виникнення струму потрібні вільні заряджені частинки й електричне поле. Поле виникає між наелектризованими хмарами, а от вільних зарядів у повітрі дуже мало. Цікаво дізнатися, звідки вони взагалі там з'являються? Виявляється, на Землю з космосу постійно падає потік космічного випромінювання. Його джерелом є зорі (для нас - це в основному Сонце) і центр нашої Галактики. Космічне випромінювання складається з ультрафіолетового, рентгенівського і гамма-випромінювання та потоку різних заряджених частинок (протонів, електронів та інших), які рухаються з величезною швидкістю.

Космічні промені на границі атмосфери іонізують газ, в результаті чого в повітрі з'являються вільні електрони та йони. Оскільки космічні промені сильно послаблюються атмосферою, то біля поверхні Землі, де й виникають грози, вільних електронів вже мало. Але сильне електричне поле може їх настільки розігнати, що при зіткненні з атомами вони починають вибивати електрони з нейтральних атомів, створюючи все нові і нові вільні заряди, а також йони. Такий спосіб утворення вільних носіїв струму називають ударною йонізацією.

Саме тоді, коли починається такий процес, і виникає блискавка. Кількість вільних електронів зростає в геометричній прогресії: один електрон вибиває

ще один - і їх уже два (мол. 31.2). На відстані вільного пробігу, тобто до наступного зіткнення, ці два електрони розганяються полем знову до такої швидкості, що можуть іонізувати при зіткненні наступні два атоми, і породжують вже чотири електрони, на наступному етапі маємо вісім заряджених частинок. Через 18 таких «кроків» концентрація вільних електронів в каналі блискавки стає достатньою, щоб проводити струм як метал.

Хмари під час удару блискавки розряджаються, напруга зменшується і струм припиняється. Все це відбувається за соті долі секунди.

Природа полярного сяйва

Космічні заряджені частинки спрямовуються магнітним полем Землі до полюсів, там вони концентруються і на висотах біля 100 км іонізують розріджене повітря настільки сильно, що світло, випромінюване атомами добре видно з поверхні землі. В результаті виникає надзвичайно гарне явище - полярне сяйво (мал. 31.3). Атоми розрідженого повітря випромінюють світло різних кольорів, оскільки кожен вид атомів має характерний колір випромінювання, наприклад, кисень світиться зеленуватим кольором, водень та неон - червонуватим.

Чому світиться реклама. Північне сяйво можна «загнати» в трубку. Всередині трубки з розрідженим газом знаходяться електроди, між якими створюється напруга в кілька сотень вольт. Розряд, який виникає при цьому, викликає свічення газу. Механізм виникнення струму такий самий, як і в блискавці, проте все відбувається значно легше, адже в розрідженому повітрі електрони ма-

ють більше вільного простору, щоб розігнатися і почати вибивати з атомів інші електрони. Все відбувається без зайвого шуму; розряд при пониженому тиску називають тліючим. Залежно від того, яким газом заповнена трубка, колір свічення різний (мол. 31 А).

Газорозрядні лампи

Для освітлення часто використовують газорозрядні лампи (мол. 31.5), в яких ультрафіолетове випромінювання електричного розряду в парах ртуті перетворюється за допомогою спеціальної речовини - люмінофора, нанесеного на внутрішній бік корпусу лампи - у видиме світло, яке за своїм спектральним складом нагадує сонячне. Можна вибрати колір свічення таких ламп на свій смак - біле «холоднувате» свічення, чи «тепле» жовтувате. Газорозрядні лампи денного світла економніші за лампи розжарювання такої ж світлової потужності. Скляний корпус ламп поглинає невикористаний ультрафіолет, і тому лампа є безпечною.Якщо ж корпус зробити з кварцу, який пропускає ультрафіолетові промені, то під такою лампою взимку можна засмагати. Кварцові лампи широко використовують у фізіотерапевтичних кабінетах лікарень, в соляріях та в приміщеннях - для збагачення повітря озоном.

Електрична дуга

Якщо притиснути один до одного два вугільні стержні та пропустити через них струм (мал. 31.6),то в місці контакту, де опір досить великий, вугільні стержні нагріються до температури в декілька тисяч градусів. При цьому катод почне випромінювати електрони у великій кількості - це явище називають термоелектронною емісією. Якщо після цього роз'єднати кінці стержнів-електродів на невелику відстань, то проміжок повітря між ними нагріється і буде світитися. При цьому він вигнеться вгору дугою, тому цей проміжок називають електричною дугою, яку вперше реалізував російський учений В.В. Петров. Електрони, які переносять заряд у дузі, вилітають у великих кількостях із розжареного вугільного катода.

Тому для горіння дуги не потрібні великі напруги, хоча струм при цьому дуже великий.

Раніше, коли ще не було лампочок розжарювання, дугу використовували для освітлення вулиць. Проте світло, яке випромінює дуга, має у своєму складі багато ультрафіолетових променів і тому шкідливе для очей.

Зараз електричну дугу використовують для електрозварювання (мал. 31.7) та в електричних плавильних печах. Спеціальними методами канал дуги можна стиснути в тонкий «шнур», температура якого може перевищувати 10 000°С. Таким плазмовим шнуром ріжуть металопрокат довільної товщини і профілю.

ІСТОРИЧНА ДОВІДКА

В Києві знаходиться найбільший в Україні і світі науково-технічний центр в галузі зварювання та спецелектро-металургії - Інститут електрозварювання імені €. О. Па-тона, заснований в 1934 році Євгеном Оскаровичем Патоном. З 1953 року Інститут очолює його син, Борис Євгенович Патон.

Дослідження електричного розряду

Газорозрядні джерела світла, якими ми все ще користуємося, є далекими нащадками надзвичайно цікавого і плідного експерименту, проведеного наприкінці XIX сторіччя. На малюнку 31.7 зображена схема установки Крукса - це скляна трубка (6) з якої можна відкачувати повітря, створюючи низький тиск. В трубку вживлені два електроди - катод K (1) та анод А (7), які підключені до високовольтного джерела напруги U. Вольтметр та мікроамперметр дозволяють вимірювати значення струму (він дуже малий) і напруги.

При нормальному атмосферному тиску іскровий пробій між електродами, що перебувають на відстані 1 см відбувається при напрузі 10 000 В. Відстань між електродами в трубці Крукса приблизно ЗО см, тому навіть напруга в 100 000 В надто мала, щоб створити іскру. Ідея досліду полягала в тому, щоб понизити тиск і тим полегшити утворення розряду.

Розряд при низькому тиску з самого початку вразив дослідників - він зовсім не був схожий на звичайну електричну іскру (мал. 31.7а) - це була довга звивиста стрічка малинового кольору. При подальшому пониженні тиску характер розряду змінюється: більшу частину трубки заповнює стовп світла світло-рожевого кольору (4), який зсувається до анода, залишаючи біля катода темний простір. Якщо і далі понижати тиск, то світний стовп вкорочується, а темний катодний простір (3) збільшується (мал. 31.76). Стає помітно, що світний стовп розбитий на вузькі темні прошарки (5), які називають «стратами», а навколо обох електродів з'являється фіолетове світіння (2).

Трубка Крукса дозволила зрозуміти дуже багато особливостей проходження струму через гази, але ще більше дізналися ті дослідники, які поступово модернізували установку.

1.    Відкачуючи повітря, вдалося так понизити тиск, що катодний стовп зник зовсім, а темний катодній простір поширився на усю трубку. Натомість за катодом скло почало світитися зеленуватим світлом. Подальші дослідження дозволили відкрити промені, які зараз називають Х-променями або рентгенівськими променями. Незалежно від Вільгельма Конрада Рентгена їх відкрив наш земляк Іван Пулюй, працюючи в технічному університеті в Празі.

2.    На схожій установці англійський фізик Джозеф Джон Томсон у 1897 році відкрив частинку електрон.

3.    Модифікації трубки Крукса дозволили створити досить економні джерела світла, радіолампи і кінескопи для телевізорів.

4.    Удосконалення трубок дозволило вияснити природу свічення атомів та призвело до інших значних відкриттів в атомній фізиці.

Електричний струм V вакуумі

Здавалося б, що у вакуумі електричний струм існувати не може, через відсутність носіїв струму. Але якщо носи створити, то при наявності електричного поля струм піде. Найпростіше створити електрони, «випаровуючи» їх з поверхні розігрітого металу. Вперше струм у вакуумі почав широко використовуватися в радіолампах. На малюнку 31.8 вгорі схематично зображена найпростіша

радіолампа: К - катод, А - анод, H - нитка накалу, яка розігріває катод, з якого вилітають електрони. Електрони розганяються і направляються до аноду електричним полем Е, яке створене джерелом напруги (яке на малюнку не вказане).

Другий прилад, в якому використовується струм у вакуумі, це адронний коллайдер, що знаходиться в Європейському ядерному центрі в Женеві. Всередині коллайдера протони розганяються електричним полем майже до швидкості світла.

ІСТОРИЧНА ДОВІДКА

Джозеф Джон Томсон народився в сім'ї продавця книг в Манчестері. У віці 14-ти років вступив до манчестерського університету. Продовжив вивчати фізику в Кембриджському університеті, де згодом став директором знаменитої Кавендішської лабораторії. Сім співробітників лабораторії, що працювали під його керівництвом, стали згодом Нобелівськими лауреатами. Сам Томсон нагороджений цією престижною премією у 1906 році, а в 1908 році за видатні наукові заслуги королева дарувала йому дворянський титул.

Іван Павлович Пулюй народився в Гримайлові, Тернопільської області. Закінчив Тернопільську гімназію. З відзнакою закінчив теологічний факультет, а згодом і фізико-математичне відділення філософського факультету Віденьського університету, подалі доцент цього ж університету.

Викладав у Військово-морській академії у місті Рієка (Хорватія). Професор Вищої технічної школи в Празі, ректор її першого в Європі електротехнічного факультету. Доктор Страсбурзького університету. Радник австрійського Імператора з електротехніки в Чехіїта Моравії, займався будівництвом низки електростанцій в Чехії, керував запровадженням трамваю в Празі.

Автор 50-ти наукових праць українською, німецькою та англійською мовами, насамперед із проблем катодного випромінювання. Іван Пулюй першим зробив «рентгенівський» знімок людського скелета. Тернопільський технічний університет носить ім>я Івана Пулюя.

ТВОРЧЕ ЗАВДАННЯ

31.1. Куляста блискавка відома вже багато століть. Тим не менше, її природа і досі незрозуміла. Зберіть добірку друкованих матеріалів та відео свідчень про спостереження кулястої блискавки.

КОРОТКІПІДСУМКИ

> Проходження струму через газ прийнято називати електричним розрядом. Приклади електричних розрядів: іскровий, тліючий, дуговий.

¹ Носіями електричного струму в газі є електрони та йони, які утворюються під дією зовнішніх чинників (іонізаторів) або підтримуються самостійно за рахунок ударної йонізацГЇ (іскровий розряд), або термоелектронної емісії (електрична дуга). Тліючий розряд виникає при пониженому тиску і високій напруженості електричного поля.

Для того, щоб створити електричний струм у вакуумі, мало створити електричне поле. Необхідно ще створити вільні заряджені частинки -електрони чи протони.

ВПРАВА №31

1.    Що можна сказати про енергію космічних променів, які викликають полярне сяйво?

2.    Чому напруга в блискавці повинна бути такою великою?

3.    Чому для підтримання розряду в трубках реклами і ламп денного світла вже не треба таких великих напруг, як при іскровому розряді?

4.    За яких умов утворюється тліючий розряд?

5.    Звідки в атмосфері беруться вільні електрони?

6.    Як виникає провідність у каналі електричної дуги?

7.    Чому для запалювання електричної дуги треба спочатку пропустити струм через притиснуті один до одного електроди?

8.    Чому електрозварник під час роботи надіває чорні захисні окуляри?

9.    Чому анод електричної дуги не випромінює електрони, адже він також гарячий?

10.    Поясніть появу стратів у тліючому розряді (мал. 31.96).

11.    Яка природа фіолетового світіння біля електродів в установці Крукса?

12.    Навіщо у радіолампі: а) відкачане повітря, б) підігрівається катод, в) створене електричне поле.

13.    Чи піде струм у вакуумному діоді, якщо поміняти полярність електродів?

14.    а) Яку швидкість (в км/с) мають електрони біля аноду вакуумного діода? Відстань між катодом і анодом 1 см, напруга 250 В, швидкість електронів після вильоту з катода можна вважати малою, маса електрона 9,1-10^-31 кг. б) Яка середня напруженість електричного поля між катодом і анодом?

Цей матеріал з підручника Фізика 8 клас Пшенічка