Народна Освіта » Фізика » § 39. Электрический ток в газах

НАРОДНА ОСВІТА

§ 39. Электрический ток в газах

Прочитав название параграфа, некоторые из вас удивятся, ведь в начале раздела мы говорили о том, что газы являются диэлектриками, а это значит, что в них нет свободных заряженных частиц. Так о каком электрическом токе может идти речь?

Дело в том, что газы являются диэлектриками при обычных условиях. Однако существует условия, при которых газы могут становиться проводниками. Когда это происходит и что собой представляет электрический ток в газах?

Проводим эксперимент

Сложим электрическую цепь из мощного источника тока, гальванометра и двух металлических пластин, разделенных воздушным промежутком. Замкнув цепь, увидим, что стрелка гальванометра не отклоняется (рис. 39.1, а). А это значит, что в цепи нет электрического тока или ток настолько слабый, что даже чувствительный гальванометр его не регистрирует. Итак, делаем вывод: при обычных условиях в воздухе почти нет свободных заряженных частиц и он не проводит электрический ток.

Поместим между металлическими пластинами зажженную спиртовку — стрелка гальванометра отклонится (рис. 39.1, б). Это значит, что в воздухе появились свободные заряженные частицы и он начал проводить электрический ток. Выясним, что это за частицы, откуда и как они появились.

Знакомимся с механизмом проводимости газов

В отличие от металлов и электролитов газы состоят из электрически нейтральных частиц (атомов и молекул), поэтому при обычных условиях воздух является изолятором.

Когда пламя спиртовки нагревает воздух, кинетическая энергия теплового движения частиц воздуха увеличивается настолько, что в случае их столкновения от частицы может оторваться электрон и стать свободным. Потеряв электрон, молекула (или атом) становится положительным ионом (рис. 39.2).

Осуществляя тепловое движение, электрон может столкнуться с нейтральной частицей и «прилипнуть» к ней — образуется отрицательный ион (рис. 39.3).

 

Процесс образования положительных и отрицательных ионов и свободных электронов из молекул (атомов) газа называют ионизацией.

Если ионизированный газ поместить в электрическое поле, в результате действия этого поля положительные ионы будут двигаться в направлении силовых линий поля, а электроны и отрицательные ионы — в противоположном направлении (рис. 39.4). В газе возникнет электрический ток.

Электрический ток в газах представляет собой направленное движение свободных электронов, положительных и отрицательных ионов.

Электрический ток в газах иначе называют газовым разрядом. Следует обратить внимание на тот факт, что газ может стать ионизированным не только в результате повышения его температуры, но и вследствие влияния других факторов. Например, верхние слои атмосферы Земли ионизируются под действием космических лучей; сильное ионизирующее влияние на газ имеют рентгеновские лучи и т. д.

Даём определение несамостоятельного газового разряда

Опыты показывают: если устранить причину, которая вызвала ионизацию газа (убрать горелку, выключить источник рентгеновского излучения и т. д.), то газовый разряд обычно прекращается.

Газовый разряд, который происходит только при наличии внешнего ионизатора, называют несамостоятельным газовым разрядом.

Выясним, почему после окончания действия ионизатора газовый разряд прекращается.

Во-первых, в процессе теплового движения электронов и положительных ионов может произойти рекомбинация — объединение их в нейтральную молекулу (атом) (рис. 39.5).

Во-вторых, под действием поля свободные электроны движутся к положительному электроду (аноду) и поглощаются им; отрицательные ионы движутся к аноду, «отдают» ему «лишние» электроны и превращаются в нейтральные частицы; положительные ионы, достигнув отрицательного электрода (катода), «забирают» у него электроны и тоже превращаются в нейтральные частицы. Нейтральные молекулы и атомы возвращаются в газ.

Таким образом, если ионизатор «работает», в газе непрерывно появляются новые ионы; после прекращения действия ионизатора количество свободных заряженных частиц в газе быстро уменьшается и газ перестает проводить ток.

Узнаём об ионизации электронным ударом

При определенных условиях газ может проводить электрический ток и после прекращения действия ионизатора.

Газовый разряд, происходящий без действия внешнего ионизатора, называют самостоятельным газовым разрядом.

Рассмотрим, как происходит самостоятельный газовый разряд.

При движении в электрическом поле скорость электрона постепенно увеличивается. Однако это увеличение не может происходить бесконечно, так как электрон сталкивается с частицами газа. Если между столкновениями электрон успеет набрать достаточно большую скорость, то, столкнувшись с нейтральными атомом или молекулой, он может выбить из них электрон, иными словами, может их ионизировать. В результате ионизации образуются положительный ион и еще один электрон. Последовательность таких столкновений приводит к образованию электронной лавины (рис. 39.6). Описанный процесс называют ударной ионизацией или ионизацией электронным ударом.

Электроны, образовавшиеся вследствие ударной ионизации, движутся к аноду и в конце концов поглощаются им. Но газовый разряд не прекратится, если будут появляться новые электроны. Одним из источников новых электронов может быть поверхность катода. Дело в том,

что положительные ионы движутся к катоду и выбивают из него новые электроны. Другими словами, вследствие бомбардировки катода положительными ионами происходит эмиссия (испускание) электронов с поверхности катода.

Таким образом, самостоятельный газовый разряд поддерживается за счет ударной ионизации и за счет эмиссии электронов с поверхности катода.

Выясняем, когда возможна ионизация электронным ударом

Чтобы электрон смог при столкновении выбить электрон из нейтральных атома или молекулы, он должен приобрести достаточную кинетическую энергию. Это может произойти в двух случаях: если электрон будет очень долго разгоняться или если он будет разгоняться очень быстро.

При нормальном давлении электроны в газах очень часто испытывают столкновения с частицами газа, поэтому электрическое поле, в котором движется электрон, должно быть достаточно сильным, чтобы электрон успел до столкновения приобрести энергию, необходимую для ионизации.

Если же давление газа очень мало, то есть газ достаточно разрежен, то время между столкновениями значительно увеличивается и электрон может приобрести энергию, необходимую для ионизации молекулы (атома), в более слабом поле.

Подводим итоги

При обычных условиях газ практически не содержит свободных заряженных частиц, поэтому не проводит электрический ток. Чтобы газ начал проводить ток, его необходимо ионизировать. Ионизацией газа называют процесс образования положительных и отрицательных ионов и свободных электронов из электрически нейтральных атомов и молекул.

Электрический ток в газах представляет собой направленное движение свободных электронов, положительных и отрицательных ионов.

Газовый разряд, происходящий только при наличии внешнего ионизатора, называют несамостоятельным газовым разрядом. Разряд в газе, происходящий без действия внешнего ионизатора, называют самостоятельным газовым разрядом — он возможен за счет ионизации электронным ударом и за счет эмиссии электронов с поверхности катода.

Контрольные вопросы    —

1.    Почему при обычных условиях газ не проводит электрический ток?

2.    Какой газ называют ионизированным? 3. Что такое ионизация? 4. Какой разряд в газе называют несамостоятельным? 5. Почему после окончания действия ионизатора несамостоятельный газовый разряд быстро прекращается? 6. Дайте определение самостоятельного газового разряда. 7. Опишите механизм ударной ионизации. 8. Каким еще путем, кроме ионизации электронным ударом, восполняется недостаток свободных электронов при самостоятельном газовом разряде?

Упражнение № 39

 

1.    В электрическом поле, созданном двумя разноименно заряженными пластинами (рис. 1), находится ионизированный газ. Перенесите рисунок в тетрадь. Изобразите силовые линии электрического поля между пластинами. Покажите направление движения электронов; положительных ионов; отрицательных ионов. Как движутся нейтральные частицы?

2.    Почему при охлаждении газов их проводимость падает?

3.    Чем ионизация газов отличается от электролитической диссоциации?

4.    Что общего и в чем различие между электрическим током в газах, жидкостях и металлах?

5.    Интересным примером несамостоятельного газового разряда является газовый разряд в плазменном шаре (рис. 2). Те из вас, кто видел, как работает такая лампа, наверное, вспомнят: если к шару прикоснуться рукой, то лучи притягиваются к руке. Воспользуйтесь дополнительными источниками информации и узнайте, почему это происходит, что общего между этим явлением и работой сенсорного экрана, кто был изобретателем плазменного шара.

Физика и техника в Украине

 

Институт электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины (Киев)

Практически ежедневно мы сталкиваемся с дуговым разрядом или результатами его действия. Это и маленькие «солнца», которые пылают в руках рабочих на стройплощадках, и обычные петли, приваренные ко входным дверям вашего дома. Именно благодаря сварке дуговой разряд получил такое распространение. Безусловный мировой авторитет Украины в этой области обеспечила работа ученых Института электросварки им. Е. О. Патона.

Мировое признание институт получил благодаря новейшей для своего времени технологии сварки под флюсом, которую разработал основатель и первый директор института академик Евгений Оскарович Патон.

На фото — известный цельносварной мост Патона в Киеве. Этот мост Американское общество по сварке признало выдающейся сварочной конструкцией ХХ в.

Президент НАНУ академик Борис Евгеньевич Патон, который сейчас возглавляет институт, достойно продолжил дело своего отца. Под его руководством разработаны не только традиционные способы сварки для промышленности, — новейшие технологии применяют в космосе и даже для сваривания живых тканей.

Категорія: Фізика

Автор: admin от 26-09-2016, 21:05, Переглядів: 2086