Физика. 8 класс. Барьяхтар

§ 40. Виды самостоятельных газовых разрядов

Яркие, а порой и опасные явления: молния, полярное сияние, пугающие неосведомленного человека «огни святого Эльма», разноцветное свечение газоразрядных трубок, ослепительный свет при сварке металла — всё это примеры различных самостоятельных газовых разрядов. От чего зависит и как возникает тот или иной электрический разряд в газах, вы узнаете из этого параграфа.

1. Знакомимся с искровым газовым разрядом

При атмосферном давлении и большом напряжении между электродами возникает искровой газовый разряд. Искорки, появляющиеся, когда вы снимаете синтетический свитер; молния во время грозы; искра, возникающая между заряженными кондукторами электрофорной машины (рис. 40.1), — все это примеры искрового разряда.

Рис. 40.1. Искровой разряд между заряженными кондукторами электрофорной машины

Искровой разряд выглядит как яркие разветвляющиеся зигзагообразные полоски Он длится всего несколько десятков микросекунд и обычно сопровождается характерными звуковыми эффектами (потрескивание, треск, гром и т. п.). Дело в том, что температура газа, а следовательно, и давление в области разряда резко повышаются, в результате чего воздух быстро расширяется и возникают звуковые волны.

В технике искровой разряд используют, например, в свечах зажигания бензиновых двигателей (рис. 40.2), для обработки особо прочных металлов.

Рис. 40.2. Электрическое напряжение между электродами свечи зажигания составляет 12-15 тыс. вольт

Пример грандиозного искрового разряда в природе — молния.

Было установлено, что во время грозы происходит перераспределение зарядов в грозовой туче, поэтому разные части тучи заряжаются зарядами противоположных знаков. Обычно нижние слои тучи имеют отрицательный заряд, а верхние — положительный.

Напряжение между двумя тучами, обращенными друг к другу разноименно заряженными частями, или напряжение между тучей и Землей достигают нескольких сотен миллионов вольт. Благодаря ударной ионизации, а далее — ионизации излучением, которое сопровождает разряд, в электрическом поле между тучами появляются лавины свободных ионов и электронов, то есть возникает кратковременный самостоятельный газовый разряд — молния. Сила тока в канале молнии достигает сотен тысяч ампер.

Электрические свойства молнии первыми начали изучать независимо друг от друга российский ученый М. В. Ломоносов (рис. 40.3) и американский исследователь Б. Франклин (рис. 40.4).

Рис. 40.3. Михаил Васильевич Ломоносов (1711-1765) — выдающийся российский ученый; один из основателей физической химии; поэт, художник, историк

Рис. 40.4. Бенджамин Франклин (1706-1790) — американский ученый, выдающийся государственный деятель. Один из первых исследователей атмосферного электричества; предложил конструкцию молниеотвода

2. Защищаемся от удара молнии

Подсчитано, что в атмосфере земного шара каждую секунду проскакивает около 100 молний, и каждая двадцатая из них ударяет в землю, принося порой немалый вред. Удар молнии может вызвать лесные пожары, вывести из строя линии электропередачи и даже привести к гибели людей.

Чтобы не стать жертвой удара молнии, следует помнить, что молния чаще ударяет в относительно высокие предметы. Во время грозы нужно соблюдать следующие основные правила.

• Оказавшись во время грозы в поле, нельзя бежать, — наоборот, нужно лечь, чтобы не возвышаться над местностью.

• Во время грозы в лесу нельзя прятаться под высокими деревьями, а в поле — под одиночно стоящим деревом, копной сена и т. п.

• Во время грозы нельзя купаться в открытых водоемах, а находясь высоко в горах, лучше прятаться в пещере или под глубоким уступом.

• Если гроза застала в автомобиле, не нужно выходить из него; следует закрыть окна и двери и переждать непогоду.

• Во время грозы нельзя запускать воздушного змея: мокрая веревка становится проводником электричества, и молния может ударить в змея. При этом заряды пройдут через руку и тело человека в землю. Именно так во время эксперимента погиб друг и коллега М. В. Ломоносова российский ученый Георг Рихман (1711-1753) (рис. 40.5).

Рис. 40.5. Трагическая гибель Георга Вильгельма Рихмана 6 августа 1753 г. (гравюра)

3. Знакомимся с коронным газовым разрядом

Перед грозой или во время грозы у острых выступов предметов иногда можно наблюдать слабое фиолетовое свечение в виде короны, охватывающей острие. Исследования показывают, что причина этого явления — самостоятельный газовый разряд, который назвали коронным (рис. 40.6). Выясним, почему и как возникает коронный газовый разряд.

Рис. 40.6. «Огни святого Эльма» — коронный разряд около острых концов корабельных мачт — много веков вызывали ужас у мореплавателей, которые не могли правильно объяснить их природу

На поверхности Земли под действием электрического поля грозовой тучи скапливаются (индуцируются) заряды, по знаку противоположные заряду нижнего слоя тучи. Особенно плотно такие заряды расположены на острых частях предметов. В результате электрическое поле у острия оказывается настолько сильным, что заряд стекает с заостренного предмета, ионизируя окружающий воздух. Поле является сильным только около острия, поэтому коронные разряды наблюдаются лишь возле острых частей предметов.

На возникновении коронного разряда основано действие молниеотвода. Молниеотвод представляет собой заостренный металлический стержень, соединенный толстым проводником с металлическим предметом (см. рис. 40.7). Стержень устанавливают выше самой высокой точки защищаемого дома, а металлический предмет закапывают глубоко в землю (на уровне грунтовых вод). Во время грозы на конце молниеотвода возникает коронный разряд. В результате заряд не скапливается на доме, а стекает с острия молниеотвода.

Рис. 40.7. Молниеотвод (громоотвод): 1 — заостренный металлический стержень; 2 — проводник — толстый соединительный провод; 3 — металлический предмет, закопанный глубоко в землю

Считается, что молниеотвод изобрел Б. Франклин в 1752 г. Однако подобные конструкции существовали и раньше. Так, для защиты от молнии моряки Древней Греции привязывали веревку к лезвию меча, сам меч прикрепляли к мачте, а конец веревки опускали в море.

4. Наблюдаем дуговой газовый разряд

В 1802 г. российский физик Василий Владимирович Петров (1761-1834) провел следующий опыт. Он присоединил два угольных электрода к полюсам большой электрической батареи, соединил электроды друг с другом, а потом немного раздвинул. Между кончиками электродов ученый наблюдал яркое дугообразное пламя, а сами кончики накалялись, излучая ослепительный белый свет. Так был получен еще один вид самостоятельного газового разряда — дуговой газовый разряд (электрическая дуга) (рис. 40.8). Какова же причина его возникновения?

Рис. 40.8. Дуговой газовый разряд

Когда электроды соединены, электрическая цепь замкнута и в ней идет достаточно сильный электрический ток. В месте соединения сопротивление цепи наибольшее, следовательно, именно здесь, согласно закону Джоуля — Ленца, выделяется наибольшее количество теплоты. Концы электродов накаляются до 4000-7000 °C, и с поверхности катода начинают «испаряться» электроны.

Теперь, даже если электроды развести, через газовый промежуток между ними будет проходить ток, так как в газе между электродами будет достаточное количество свободных заряженных частиц (свободные электроны, «испарившиеся» с катода, а также свободные электроны и ионы, появившиеся в результате ионизации газа из-за высокой температуры). В дальнейшем высокая температура катода и анода поддерживается бомбардировкой электродов положительными и отрицательными ионами и электронами, ускоренными электрическим полем.

Высокая температура ионизированного газа при дуговом разряде, а также излучение света, сопровождающее такой разряд, обеспечили широкое применение электрической дуги в науке, технике, промышленности. Электрическая дуга «работает» как мощный источник света в прожекторах. В металлургии применяют электропечи, в которых используют дуговой разряд; жаром электрической дуги сваривают металлы и т. д. (рис. 40.9).

Рис. 40.9. Применение дугового газового разряда для плавки (а) и сварки (б) металлов

5. Выясняем условия возникновения тлеющего газового разряда

При низком давлении, составляющем десятые и сотые доли миллиметра ртутного столба, можно наблюдать свечение разреженного газа — тлеющий газовый разряд. Напомним, что при низком давлении расстояние между частицами настолько велико, что даже в слабом электрическом поле электроны успевают за время между столкновениями с частицами газа приобрести энергию, достаточную для ударной ионизации.

Тлеющий разряд используют в лампах дневного света (люминесцентных трубках), в квантовых источниках света — газовых лазерах. Кроме того, его применяют в цветных газоразрядных трубках: цвет свечения при тлеющем разряде определяется природой газа, а следовательно, может быть разным.

Подводим итоги

Различают четыре основных вида самостоятельных газовых разрядов. Искровой газовый разряд возникает при атмосферном давлении и большом напряжении между электродами. Он представляет собой яркие разветвленные зигзагообразные полоски. Пример гигантского искрового разряда — молния. Удар молнии может привести к гибели, поэтому во время грозы необходимо строго соблюдать правила безопасности.

Самостоятельный газовый разряд, образующийся в сильном электрическом поле вблизи острых выступов предметов, называют коронным газовым разрядом.

При температуре 4000-7000 °C между электродами, разведенными на небольшое расстояние, возникает газовый разряд, сопровождающийся очень ярким свечением в форме дуги, — дуговой газовый разряд.

При низком давлении (десятые и сотые доли миллиметра ртутного столба) можно наблюдать свечение разреженного газа вследствие тлеющего разряда.

Контрольные вопросы

1. Перечислите основные виды самостоятельных газовых разрядов. 2. Приведите примеры искрового газового разряда. При каких условиях он возникает? 3. Что такое молния? Когда и почему она возникает? 4. Назовите основные правила безопасности, которые следует соблюдать во время грозы. 5. Что представляет собой коронный разряд? Где его применяют? 6. Какие особенности дугового разряда обеспечили его широкое применение? 7. При каких условиях возникает тлеющий разряд? Где его используют?