Фізика. Повторне видання. 8 клас. Бар’яхтар

§ 39. Електричний струм у газах

Прочитавши назву параграфа, дехто з вас здивується: ми ж на початку розділу вивчали, що гази є діелектриками, а це означає, що в них немає вільних заряджених частинок. Тож про який електричний струм може бути мова?

Зауваження цілком слушне, але йшлося про те, що гази є діелектриками за звичайних умов. Існують умови, за яких гази можуть ставати провідниками. Про те, коли це відбувається і що собою являє електричний струм у газах, ітиметься в цьому параграфі.

1. Проводимо експеримент

Складемо електричне коло з потужного джерела струму, гальванометра та двох металевих пластин, розділених повітряним проміжком. Замкнувши коло, побачимо, що стрілка гальванометра не відхиляється (рис. 39.1, а). А це означає, що в колі немає електричного струму або струм такий слабкий, що навіть чутливий гальванометр його не реєструє. Отже, зробимо висновок: за звичайних умов у повітрі майже немає вільних заряджених частинок і воно не проводить електричний струм.

Помістимо між металевими пластинами запалену спиртівку — стрілка гальванометра відхилиться (рис. 39.1, б). Це означає, що в повітрі з’явилися вільні заряджені частинки і воно почало проводити електричний струм. З’ясуємо, що це за частинки, звідки і як вони з’явилися.

2. Знайомимося з механізмом провідності газів

На відміну від металів та електролітів гази складаються з електрично нейтральних частинок (атомів і молекул), тому за звичайних умов повітря є ізолятором.

Коли полум’я спиртівки нагріває повітря, кінетична енергія теплового руху частинок повітря збільшується настільки, що в разі їх зіткнення від частинки може відірватися електрон і стати вільним. Втративши електрон, молекула (або атом) стає позитивним йоном (рис. 39.2).

Рис. 39.1. Експеримент із вивчення провідності газів: 1 — металеві пластини; 2 — повітряний проміжок; 3 — потужне джерело струму; 4 — гальванометр; 5 — спиртівка.

За звичайних умов повітря не проводить електричного струму (а); у разі внесення в повітряний проміжок запаленої спиртівки повітря стає провідником (б)

Рис. 39.2. Схема йонізації молекули газу. Втративши в результаті зіткнення електрон, молекула стає позитивним йоном

Рис. 39.3. Схема утворення негативних йонів у газі: електрон захоплюється нейтральною молекулою

Рис. 39.4. У йонізованому газі за наявності електричного поля виникає напрямлений рух вільних заряджених частинок — електричний струм

Здійснюючи тепловий рух, електрон може зіткнутися з нейтральною частинкою і вона його захопить — утвориться негативний йон (рис. 39.3).

Процес утворення позитивних і негативних йонів та вільних електронів із молекул (атомів) газу називають йонізацією.

Якщо йонізований газ помістити в електричне поле, то внаслідок дії цього поля позитивні йони рухатимуться в напрямку силових ліній поля, а електрони та негативні йони — в протилежному напрямку (рис. 39.4). У газі виникне електричний струм.

Електричний струм у газах являє собою напрямлений рух вільних електронів, позитивних і негативних йонів.

Електричний струм у газах інакше називають газовим розрядом. Слід звернути увагу на той факт, що газ може стати йонізованим не тільки в результаті підвищення його температури, але й внаслідок впливу інших чинників. Наприклад, верхні шари атмосфери Землі йонізуються під дією космічних променів; сильний йонізаційний вплив на газ мають рентгенівські промені й т. д.

3. Даємо означення несамостійного газового розряду

Досліди показують: якщо усунути причину, яка викликала йонізацію газу (прибрати пальник, вимкнути джерело рентгенівського випромінювання тощо), то газовий розряд зазвичай припиняється.

Газовий розряд, який відбувається тільки за наявності зовнішнього йонізатора, називають несамостійним газовим розрядом.

З’ясуємо, чому після закінчення дії йонізатора газовий розряд припиняється.

По-перше, у процесі теплового руху електронів і позитивних йонів може відбутися рекомбінація — об’єднання їх у нейтральну молекулу (атом) (рис. 39.5).

Рис. 39.5. Схема рекомбінації (відновлення) молекул газу

По-друге, внаслідок дії поля вільні електрони рухаються до позитивного електрода (анода) і поглинаються ним; негативні йони рухаються до анода, «віддають» йому «зайві» електрони і перетворюються на нейтральні частинки; позитивні йони, досягши негативного електрода (катода), «забирають» у нього електрони і теж перетворюються на нейтральні частинки. Нейтральні молекули й атоми повертаються в газ.

Отже, якщо йонізатор «працює», у газі безперервно з’являються нові йони; після припинення дії йонізатора кількість вільних заряджених частинок у газі швидко зменшується і газ перестає проводити струм.

4. Дізнаємося про йонізацію електронним ударом

За певних умов газ може проводити електричний струм і після припинення дії йонізатора.

Газовий розряд, який відбувається без дії зовнішнього йонізатора, називають самостійним газовим розрядом.

Розглянемо, як відбувається самостійний газовий розряд.

Під час руху в електричному полі швидкість електрона поступово збільшується. Проте це збільшення не може відбуватися нескінченно, оскільки електрон стикається з частинками газу. Якщо між зіткненнями електрон устигне набути великої швидкості, то, зіткнувшись із нейтральними атомом чи молекулою, він може вибити з них електрон, іншими словами, може їх йонізувати. У результаті йонізації утворюються позитивний йон і ще один електрон. Послідовність таких зіткнень приводить до створення електронної лавини (рис. 39.6). Описаний процес називають ударною йонізацією або йонізацією електронним ударом.

Електрони, що утворилися внаслідок ударної йонізації, прямують до анода і врешті-решт поглинаються ним. Проте газовий розряд не припиниться, якщо в ньому будуть з’являтися нові електрони. Одним із джерел нових електронів може бути поверхня катода. Річ у тім, що позитивні йони прямують до катода й вибивають із нього нові електрони. Іншими словами, внаслідок бомбардування катода позитивними йонами відбувається емісія (випускання) електронів з поверхні катода.

Таким чином, самостійний газовий розряд підтримується за рахунок ударної йонізації та за рахунок емісії електронів із поверхні катода.

Рис. 39.6. Схема розвитку електронної лавини. Вільний електрон, прискорений електричним полем, йонізує молекулу або атом і звільняє ще один електрон. Розігнавшись, два електрони звільняють ще два. До анода летять уже чотири електрони і т. д. Число вільних електронів збільшується лавиноподібно доти, доки вони не досягнуть анода

5. З’ясовуємо, за яких умов можлива йонізація електронним ударом

Щоб електрон зміг у разі зіткнення вибити електрон із нейтральних атома чи молекули, він має набути достатньої кінетичної енергії. Це може відбутися у двох випадках: якщо електрон буде дуже довго розганятись або якщо він буде розганятися дуже швидко.

За нормального тиску (р ≈ р_атм) електрони в газах дуже часто стикаються з атомами і молекулами газу, тому електричне поле, в якому рухається електрон, має бути досить сильним, щоб електрон до зіткнення встиг набути енергії, необхідної для йонізації.

Якщо ж тиск газу малий (р < 0,1р_атм), тобто газ є досить розрідженим, то час між зіткненнями значно збільшується й електрон може набути енергії, необхідної для йонізації молекули (атома), в слабшому полі.

Підбиваємо підсумки

За звичайних умов газ практично не містить вільних заряджених частинок, тому не проводить електричного струму. Щоб газ почав проводити струм, його необхідно йонізувати. Йонізацією газу називають процес утворення позитивних і негативних йонів та вільних електронів із електрично нейтральних атомів і молекул.

Електричний струм у газах являє собою напрямлений рух вільних електронів, позитивних і негативних йонів.

Газовий розряд, який відбувається тільки за наявності зовнішнього йонізатора, називають несамостійним газовим розрядом. Розряд у газі, який відбувається без дії зовнішнього йонізатора, називають самостійним газовим розрядом — він можливий завдяки йонізації електронним ударом і завдяки емісії електронів з поверхні катода.

Контрольні запитання

1. Чому за звичайних умов газ не проводить електричний струм? 2. Який газ називають йонізованим? 3. Що таке йонізація? 4. Який розряд у газі називають несамостійним? 5. Чому після закінчення дії йонізатора несамостійний газовий розряд швидко припиняється? 6. Дайте означення самостійного газового розряду. 7. Опишіть механізм ударної йонізації. 8. Яким ще шляхом, крім йонізації електронним ударом, поповнюється нестача вільних електронів у випадку самостійного газового розряду?

Вправа № 39

1. В електричному полі, створеному двома різнойменно зарядженими пластинами (рис. 1), міститься йонізований газ. Перенесіть рисунок до зошита. Зобразіть силові лінії електричного поля між пластинами. Покажіть напрямок руху електронів і йонів. Яким буде рух нейтральних частинок?

Рис. 1

2. Чому в разі охолодження газів їхня провідність падає?

3. Чим йонізація газів відрізняється від електролітичної дисоціації?

4. Що спільного і в чому різниця між електричним струмом у газах, рідинах і металах?

5. Цікавим прикладом несамостійного газового розряду є газовий розряд у плазмовій кулі (рис. 2). Розріджений газ у кулі йонізується електричним струмом дуже високої частоти. Ті з вас, хто бачив, як працює така лампа, напевно, згадають: якщо кулі торкнутися рукою, то промені притягуються до руки. Скористайтеся додатковими джерелами інформації та дізнайтеся, чому це відбувається, що є спільним між цим явищем і роботою сенсорного екрана, хто був винахідником плазмової кулі та ін.

Рис. 2

6. Перенесіть таблицю до зошита та заповніть її. У кожному стовпчику наведіть не менш ніж п’ять прикладів фізичних величин.

Фізичні величини, які характеризують:
певну речовину	певне фізичне тіло	певний фізичний процес

Фізика і техніка в Україні

Інститут електрозварювання ім. Є. О. Патона НАН України (Київ). Практично кожного дня ми зустрічаємося з явищем дугового розряду або наслідками його дії. Це і маленькі «сонця», які палають у руках робітників на будмайданчиках, і звичайні петлі, приварені до вхідних дверей вашої оселі. Саме завдяки зварюванню дуговий розряд набув такого поширення.

Безперечний світовий авторитет України в цій галузі забезпечили роботи вчених Інституту електрозварювання ім. Є. О. Патона. Світове визнання інститут здобув завдяки новітній для свого часу технології зварювання під флюсом, яку розробив засновник і перший директор інституту академік Євген Оскарович Патон (1870-1953).

На фото — відомий суцільнозварний міст Патона в Києві. Цей міст Американське зварювальне товариство визнало видатною зварною конструкцією XX ст.

Під керівництвом академіка Бориса Євгеновича Патона (1918-2020), який очолював Інститут електрозварювання в 1953-2020 рр., розроблені не тільки традиційні засоби зварювання для промисловості, а й новітні технології, які застосовують у космосі й навіть для зварювання живих тканин.