§ 38. Електричний струм у газах. Самостійний і несамостійний розряди

Гази є добрими ізоляторами тому, що за звичайних умов - низьких тем-ператур і відсутності зовнішнього опромінення (ультрафіолетового, рентгенівського, радіоактивного) — вони складаються з нейтральних атомів або молекул. У них немає вільних електричних зарядів, упорядковане переміщення яких і спричиняє електричний струм. Однак за деяких умов можна одержати електричний струм і в газах.

Дослід 1. Зарядимо (наприклад, від електрофорної машини) алюмінієві диски, з’єднані провідниками з виводами електрометра (мал. 202, а). Спостерігатимемо, що відхилення стрілки електрометра залишатиметься сталим, тому що електрична провідність повітря за умов кімнатної температури та сухого повітря дуже мала, і пластини помітно не розряджаються.

Внесемо у простір між дисками полум’я від запаленого сірника або свічки (мал. 202, б). Побачимо, що електрометр швидко розрядився. Отже, повітря внаслідок значного підвищення температури набуло провідності й замкнуло коло, тобто в нагрітому газі проходить електричний струм.

Процес проходження електричного струму крізь газ називають газовим розрядом.

Унаслідок нагрівання або випромінювання частина атомів газу йонізу-ється - розпадається на позитивно заряджені йони й електрони. У газі можуть утворюватися і негативно заряджені йони (коли вільні електрони приєднуються до нейтральних атомів).

Йонізація газів під час нагрівання пояснюється тим, що деякі молекули починають рухатися так швидко, що частина з них під час зіткнення розпадається, перетворюючись на йони. Що вища температура газу, то більше утворюється йонів. У нашому досліді полум’я свічки виконувало роль йонізатора. тобто джерела йонів.

Процес, який забезпечує йонізацію газу й подальший розвиток газового розряду, називають йоиізатором.

Як йонізатор діють рентгенівські промені, а також радіоактивне випромінювання, яке вивчатимемо згодом. За нормальних умов оточуюче повітря завжди певною мірою йонізоване внаслідок сонячних променів і космічного випромінювання (потік швидких заряджених частинок, переважно протонів, які потрапляють на Землю з глибин Космосу).

Механізм провідності газів подібний до механізму провідності розчинів і розплавів електролітів, але відмінність полягає в тому, що негативний заряд переноситься в основному не негативними йонами, а вільними електронами, хоча провідність за рахунок негативних йонів також може відігравати певну роль.

Отже, у газах поєднується електронна провідність, подібна до провідності металів, з йонною провідністю, подібною до провідності водних розчинів і розплавів електролітів.

Якщо ми припиняємо нагрівати або опромінювати газ, то він знову стає діелектриком. Струм припиняє проходити після того, як усі йони й електрони досягнуть електродів. Крім того, при зближенні електрона і позитивно зарядженого йона знову утворюється нейтральний атом. Такий процес називають рекомбінацією заряджених частинок.

Якщо немає зовнішнього електричного поля, то заряджені частинки зникають лише внаслідок рекомбінації, і газ стає діелектриком.

У газах розряд може відбуватися і без нагрівання та опромінення. Інколи він може підтримувати себе сам. За яких умов це можливо?

Дослід 2. Візьмемо запаяну й наповнену повітрям скляну трубку з двома металевими електродами, до яких прикладемо напругу, склавши коло, зображене на малюнку 203. Уважатимемо, що на газ у трубці діє якийсь йонізатор. Якщо напруга між електродами трубки невелика, то позитивно заряджені йони переміщуються до негативного електрода, а електрони й негативно заряджені йони - до позитивного. Унаслідок цього у трубці виникає електричний струм, тобто відбувається газовий розряд.

Оскільки в міжелектродному просторі водночас відбувається процес рекомбінації, то не всі утворені електрони і йони досягають електродів трубки.

У разі збільшення напруги між електродами помічаємо, що в колі збільшується сила струму. Потім настає момент, коли сила струму не змінюється. Струм досягає насичення (мал. 204). Якщо дія йонізатора (нагрівання, опромінення) припиняється, то припиняється й розряд, оскільки інших джерел йонів немає. Тому такий розряд називають несамостійним розрядом.

Що ж станеться з розрядом у газі, якщо збільшувати напругу на електродах трубки? Дослід показує, що в газі зі збільшенням напруги на електродах трубки, починаючи з деякого значення, сила струму знову збільшується (мал. 205). Це відбувається тому, що в газі додатково відбувається йонізація електронним ударом у результаті зіткнень прискорених електричним полем електронів з атомами газу. Унаслідок цього виникає значно більше йонів, ніж тих, що утворюються в результаті дії йонізатора. Сила струму збільшується в тисячі разів, а кількість йонів може стати такою, що зовнішній йонізатор уже не потрібний для підтримання розряду.

Оскільки такий розряд не потребує для свого підтримання зовнішнього йонізатора, його називають самостійним розрядом. Залежно від властивостей і стану газу, характеру й розміщення електродів, а також від прикладеної до електродів напруги виникають різні види самостійного розряду.

Тліючий розряд спостерігається при низьких тисках (десяті й соті частки міліметра ртутного стовпчика) і напрузі між електродами в кілька сотень вольтів.

Тліючий розряд використовують у рекламних трубках. Якщо трубка наповнена неоном, то виникає червоне світіння, якщо аргоном - то синювато-зелене. У лампах денного світла використовують розряд у парі ртуті.

Електрична дуга — явище виникнення яскравого світного стовпа газу між двома вугільними електродами за низької напруги.

Електричну дугу «запалюють» так. Спочатку зближують і вводять у контакт вугільні електроди, замикаючи коло. Унаслідок теплової дії струму, що проходить через точкові контакти з великим електричним опором, кінці електродів розжарюються до світіння. З поверхні електродів при цьому вилітають з великою швидкістю електрони й через зіткнення йонізують газ у прилеглому просторі. Якщо електроди розвести, то електричний струм у колі не припиняється, він проходить через йонізований газ, що супроводжується його розжаренням і яскравим світінням.

Сила струму в невеликій дузі сягає кількох ампер, а в потужних дугах - кількох сотень ампер за напруги приблизно 50 В.

Під час горіння дуги повітря або інший газ у проміжку між вугільними електродами розігрівається до кількох тисяч градусів і, піднімаючись угору внаслідок конвекції, вигинає світний стовпчик у формі дуги, за що цей вид газового розряду й отримав свою назву (мал. 206). Дуговий розряд - потужне джерело світла. Його використовували у прожекторах, проекційних апаратах і кіноапаратах. У металургії досить поширені електропечі, у яких джерелом тепла є дуговий розряд. Дуговий розряд використовують для зварювання металів.

Під час коронного розряду світна область нагадує корону, він утворюється при атмосферному тиску поблизу загострених частин провідника з великим електричним зарядом.

Газ у цьому разі йонізують ударом електрони, прискорені сильним електричним полем, яке виникає поблизу загострених заряджених провідників.

Перед грозою або у грозу часто на вістрях і гострих кутах високо піднятих предметів спалахують схожі на щіточки конуси світла, наприклад на вістрях корабельних щогл (мал. 207). З давніх-давен це світіння називають вогнями святого Ельма.

Коронним розрядом не можна нехтувати, якщо маєш справу з високою напругою. Коли є виступні частини або дуже тонкі проводи, то може виникнути коронний розряд. Це призводить до втрат електроенергії. Що вища напруга високовольтної лінії, то товщими мають бути проводи.

Іскровий розряд виникає за високої напруги між електродами в повітрі (мал. 208, а) і має вигляд пучка яскравих зигзагоподібних смужок, що відгалужуються від тонкого каналу.

При іскровому розряді газ йонізують ударом прискорені сильним електричним полем електрони, що виникають в окремих місцях у проміжку між електродами внаслідок природної йонізації повітря.

За допомогою іскрового розряду можна обробляти деталі з тугоплавких металів, тому що велика енергія цього розряду виділяється в малому об’ємі за дуже малий інтервал часу. Тому теплообміну між зоною розряду і навколишнім середовищем практично немає. У місці розряду температура металу різко підвищується, і відбувається його випаровування.

Прикладом велетенського іскрового розряду є блискавка (мал. 208, б). Вивченням цього явища природи займалися багато вчених, зокрема В. Франклін, М.В. Ломоносов, Г.В. Ріхман. У 1753 р., досліджуючи атмосферну електрику, Ріхман загинув від удару блискавки.

Багаторічними дослідженнями встановлено, що під час руху повітря за рахунок конвекції повітряні потоки й хмари в результаті зіткнень електризуються. При цьому одна частина хмари (наприклад, верхня) електризується позитивно, а друга — негативно.

Напруга між двома хмарами, а також між хмарами і Землею сягає десятків мільйонів вольтів. У результаті виникає гігантська іскра - блискавка (мал. 209).

Для захисту споруд (будинків, опор ліній електропередачі тощо) поблизу них установлюють щоглу із загостреним металевим стержнем, що добре з’єднаний (спаяний, зварений) товстим проводом із закопаним глибоко в землю металевим предметом, тобто заземлений (мал. 210).

Цей пристрій називають блискавковідводом (часто - громовідводом, або блискавичником).

Спрощено принцип роботи блискавковідводу можна пояснити так. Грозова хмара власним електричним полем вловлює у блискавковідводі електричний заряд, протилежний за знаком до заряду хмари. Цей заряд створює поряд з вістрям блискавковідводу сильне електричне поле, у якому починається «тихий» коронний розряд, який забирає на себе енергію взаємодії наведеного хмарою електричного заряду, чим зменшує ймовірність розвитку блискавки.

Розміри території, захищеної блискавковідводом на поверхні Землі, визначаються висотою блискавковідводу.

ЦЕ ЦІКАВО ЗНАТИ

•    Блискавка - досить часте явище на Землі. Як підрахували вчені, щодня на земній кулі відбувається близько 44 000 гроз або приблизно одна гроза через кожні 2 с. Грози найчастіше бувають у другій половині дня. Тривалість більшості гроз - близько 1 год. Однак у тропіках і горах вони іноді тривають до 12-13 год. Найбільшу кількість грозових днів - 220 на рік - зафіксовано на острові Ява.

У місті Санта-Марія (штат Каліфорнія в США) гроза відбувається не частіше одного разу на 2 роки. Щодня на земній кулі спалахує близько 8 млн блискавок.

•    Вольтів стовп і батарея відкрили можливості для широких експериментів із сильним електричним струмом. Багато вчених виготовляли такі джерела струму і проводили з ними цікаві досліди.

У 1802 р. професор Петербурзької медико-хірургічної академії В. В. Петров (1761-1834) сконструював найпотужнішу батарею того часу. Вона складалася із 4200 мідних і цинкових кружків, укладених у чотири дерев'яних ящики. Приєднавши мідною дротиною до полюсів батареї два вугільних стержні (електроди), учений наблизив стержні один до одного і побачив, що між ними раптом спалахнула яскрава дуга. Вона освітила лабораторію, поміщені в неї шматки металу дуже швидко плавилися. Так була відкрита електрична дуга

•    Спосіб зварювання металів за допомогою електричної дуги запропонував у 1881 р. уродженець с. Мостового Миколаївської області винахідник Микола Миколайович Бенардос (1842-1905). Він запатентував загалом близько 100 винаходів у галузі транспорту та енергетики. Так, учений сконструював вугільні електроди різних форм та комбіновані електроди (вуглець -метал); запропонував спеціальне пристосування для зварювання у вертикальному положенні; уперше використав електромагніт для закріплення деталей, що зварюються; створив кілька конструкцій зварювальних напівавтоматів та автоматів; розробив способи підводного зварювання та різання металів, зварювання в газовому струмені, точкового і шовного контактного зварювання.

•    Здобутки українських учених у дослідженні проблем зварювання металів продовжив Євген Оскарович Патон (1870-1953) - засновник вітчизняної школи зварювання. За його ініціативи при тодішній АН УРСР було організовано лабораторію, на базі якої в 1934 р. створили Інститут електрозварювання, директором і науковим керівником якого був Є.О. Патон. Основні праці вченого стосувалися наукових і технологічних основ дугового зварювального процесу та проблеми його автоматизації, створення електрозварювальної апаратури.

В Інституті електрозварювання AH УРСР безпосередньо під керівництвом Є.О. Патона (1939-1940 рр.) було завершено розробку методу високопродуктивного автоматичного зварювання під флюсом. Інститут розробив технологію зварювання броньованої сталі, що уможливило створення поточного механізованого виробництва бронекорпусів танків. За допомогою автоматичного зварювання пщ флюсом було налагоджено виробництво авіабомб, арттшерійських снарядів. Цей період діяльності Інституту, якому в 1945 р. було присвоєно ім’я Є.О. Патона, став становленням нової наукової школи (В.В. Шеверницький, О.А. Казимиров, Г.В. Раєвський, А.М. Макара, Б.Є. Патон, Б.І. Медовар, Д.М. Рабкін, С.І. Фрумін). На честь Є.О. Патона названо міст через Дніпро у Києві, який він сконструював (1953 р.). Пізніше справу батька продовжив син - Б.Є. Патон, який з 1953 р. очолює Інститут електрозварювання імені Є.О. Патона.

•    Борис Євгенович Патон - видатний український учений в галузі зварювання, металургії і технології металів, державний і громадський діяч, президент Національної академії наук України з 1962 р. Під його керівництвом Інститут електрозварювання став потужним науково-технічним комплексом, до структури якого входять науково-дослідний інститут, конструкторсько-технологічні й експериментальні підрозділи, три дослідних заводи, а також інноваційні організації, науково-інженерні та атестаційний центри.

Найбільш успішними стали розробки технологій не-роз’ємного з'єднання й обробки металів і неметалів у різних умовах і середовищах. До них належать зварювання і наплавлення під флюсом, зварювання в захисних газах суцільним і порошковим дротом, електрошлакове зварювання, стикове зварювання оплавленням, газотермічне напилювання, променеві технології та інші процеси.

Фактично було створено нову, перспективну галузь металургії - спеціальну електрометалургію. Завдяки їй стало можливим лиття особливо чистих спеціальних сталей і сплавів, кольорових металів, одержання унікальних композиційних матеріалів.

Б.Є. Патон першим започаткував дослідження у відкритому космосі в галузі технології металів, створення унікальних конструкцій. Під його керівництвом у 1984 р. космонавти С.Є. Савицька та В.О. Джанібеков уперше у світі провели у відкритому космосі зварювання, різання і напилення металів. А вчені-медики за його участі створили новий спосіб з’єднання (зварювання) м’яких тканин людини і тварин, що широко використовується нині в хірургічній практиці.

ЗАПИТАННЯ ДО ВИВЧЕНОГО

1.    Чому за звичайних умов гази є діелектриками?

2.    Поясніть, чому під час нагрівання чи опромінення газу рентгенівськими або ультрафіолетовими променями газ стає провідником?

3.    Чому під час нагрівання газу він йонізується?

4.    З припиненням дії йонізатора газ знову швидко стає діелектриком. Чому?

5.    Який газовий розряд називають несамостійним?

6.    Чому розряд у газах з йонізацією ударом називають самостійним?

7.    Опишіть процес виникнення електричної дуги між вугільними електродами за низької напруги.

8.    Коли виникає коронний розряд?

9.    Розкажіть, як виникає блискавка - іскровий розряд.

10.    Обґрунтуйте, чому електрична дуга утворюється при низьких напругах, а іскровий розряд - при дуже високих.

11.    Чому електричний струм у газах називають «електричним розрядом»?

Це матеріал з підручника фізика 8 клас Сиротюк