Фізика. Повторне видання. 8 клас. Бар’яхтар

§ 40. Види самостійних газових розрядів

Яскраві (а іноді й небезпечні) явища: блискавка, полярне сяйво, моторошні для необізнаної людини «вогні святого Ельма», різнобарвне світіння газорозрядних трубок, сліпуче світло під час зварювання металу — усе це приклади різних самостійних газових розрядів. Від чого залежить і як виникає той чи інший електричний розряд у газах, ви дізнаєтесь із цього параграфа.

1. Дізнаємося про іскровий газовий розряд

За атмосферного тиску та великої напруги між електродами виникає іскровий газовий розряд. Іскорки, які з’являються, коли ви знімаєте синтетичний светр; блискавка під час грози; іскра, що виникає між зарядженими кондукторами електрофорної машини (рис. 40.1), — усе це приклади іскрового розряду.

Рис. 40.1. Іскровий розряд між зарядженими кондукторами електрофорної машини

Іскровий розряд має вигляд яскравих зиґзаґоподібних смужок, що розгалужуються (рис. 40.2). Він триває всього кілька десятків мікросекунд і зазвичай супроводжується характерними звуковими ефектами (потріскування, тріск, грім тощо). Річ у тім, що температура газу, а отже, й тиск у ділянці розряду різко підвищуються, в результаті повітря швидко розширюється і виникає ударна хвиля, яку ми сприймаємо як звук.

Рис. 40.2. Вигляд іскрового розряду

У техніці іскровий розряд використовують, наприклад, у запальних свічках бензинових двигунів (рис. 40.3), для обробки особливо міцних металів.

Рис. 40.3. Електрична напруга між електродами запальної свічки становить 12-15 тис. вольтів

Прикладом грандіозного іскрового розряду в природі є блискавка.

У результаті наукових досліджень було встановлено, що під час грози відбувається перерозподіл зарядів у грозовій хмарі, тому різні частини хмари заряджаються зарядами протилежних знаків. Зазвичай нижні шари хмари мають негативний заряд, а верхні — позитивний.

Напруга між двома хмарами, зверненими одна до одної різнойменно зарядженими частинами, або напруга між хмарою і Землею сягають кількох сотень мільйонів вольтів.

Завдяки ударній йонізації, а далі — йонізації випромінюванням, яке супроводжує розряд, в електричному полі між хмарами з’являються лавини вільних йонів і електронів, тобто виникає короткочасний самостійний газовий розряд — блискавка. Сила струму в каналі блискавки сягає сотень тисяч амперів.

Електричні властивості блискавки першими почали вивчати незалежно один від одного російський учений М. В. Ломоносов (рис. 40.4) і американський дослідник Б. Франклін (рис. 40.5).

Рис. 40.4. Михайло Васильович Ломоносов (1711-1765) — видатний російський учений; один із засновників фізичної хімії; поет, художник, історик

Рис. 40.5. Бенджамін Франклін (1706-1790) — американський учений, видатний державний діяч. Один із перших дослідників атмосферної електрики; запропонував конструкцію блискавковідводу

2. Бережемося від удару блискавки

Підраховано, що в атмосфері земної кулі щосекунди проскакує близько 100 блискавок, і кожна двадцята з них ударяє в землю, іноді завдаючи чималої шкоди. Удар блискавки може викликати лісові пожежі, вивести з ладу лінії електропередачі та навіть призвести до загибелі людей.

Щоб не стати жертвою удару блискавки, слід пам’ятати, що блискавка частіше вдаряє у відносно високі предмети. Під час грози слід дотримуватися таких основних правил.

• Опинившись під час грози в полі, не можна бігти ним, — навпаки, потрібно лягти, щоб не вивищуватися над місцевістю.
• Під час грози в лісі не можна ховатися під високими деревами, а в полі — під поодиноким деревом, копицею сіна тощо.
• Під час грози не можна купатись у відкритих водоймах, а перебуваючи високо в горах, краще ховатися в печері або під глибоким уступом.
• Якщо гроза застала в автомобілі, не треба виходити з нього; слід зачинити вікна і двері та перечекати негоду.
• Під час грози не можна запускати повітряного змія: мокра мотузка стає провідником електрики, й блискавка може вдарити в змія. При цьому заряди пройдуть через руку й тіло людини в землю. До речі, саме так під час експерименту загинув друг і колега М. В. Ломоносова російський учений Георг Ріхман (1711-1753).

3. Дізнаємося про коронний газовий розряд

Перед грозою або під час грози біля гострих виступів предметів іноді можна спостерігати слабке фіолетове світіння у вигляді корони, що охоплює вістря. Дослідження показують, що причиною цього явища є самостійний газовий розряд, який називають коронним (рис. 40.6). З’ясуємо, чому і як виникає коронний газовий розряд.

Рис. 40.6. «Вогні святого Ельма» — коронний розряд біля гострих кінців корабельних щогл — багато століть сповнювали жахом мореплавців, які не могли правильно пояснити їхню природу

На поверхні Землі під дією електричного поля грозової хмари накопичуються (індукуються) заряди, за знаком протилежні заряду хмари. Особливо щільно такі заряди розташовані на гострих частинах предметів. У результаті електричне поле біля вістря виявляється настільки сильним, що заряд стікає із загостреного предмета, йонізуючи довколишнє повітря. Оскільки поле є досить сильним тільки навколо вістря, то коронні розряди спостерігаються лише біля гострих частин предметів.

На виникненні коронного розряду ґрунтується дія блискавковідводу. Блискавковідвід являє собою загострений металевий стрижень, з’єднаний товстим провідником із металевим предметом (див. рис. 40.7). Стрижень установлюють вище за найвищу точку будинку, який захищають, а металевий предмет закопують глибоко в землю (на рівні ґрунтових вод). Під час грози на кінці блискавковідводу виникає коронний розряд. У результаті заряд не накопичується на будинку, а стікає з вістря блискавковідводу.

Рис. 40.7. Блискавковідвід (громовідвід): 1 — загострений металевий стрижень; 2 — провідник — товстий з’єднувальний провід; 3 — металевий предмет, закопаний глибоко у землю

Вважається, що блискавковідвід винайшов Бенджамін Франклін у 1752 р. Проте подібні конструкції існували й раніше. Наприклад, щоб захиститися від блискавки, моряки Давньої Греції прив’язували мотузку до леза меча, меч прикріплювали до щогли, а кінець мотузки опускали в море.

4. Спостерігаємо дуговий газовий розряд

У 1802 р. російський фізик Василь Володимирович Петров (1761-1834) провів такий дослід. Він приєднав два вугільні електроди до полюсів великої електричної батареї, з’єднав електроди один з одним, а потім трохи розсунув. Між кінчиками електродів учений спостерігав яскраве дугоподібне полум’я, а самі кінчики розжарювалися, випромінюючи сліпуче біле світло. Так було отримано ще один вид самостійного газового розряду — дуговий газовий розряд (електрична дуга) (рис. 40.8). З’ясуємо причину його виникнення.

Рис. 40.8. Дуговий газовий розряд

Коли електроди з’єднані, електричне коло є замкненим і в ньому йде досить сильний електричний струм. У місці з’єднання опір кола найбільший, отже, саме тут відповідно до закону Джоуля — Ленца виділяється найбільша кількість теплоти. Кінці електродів розжарюються до 4000-7000 °С, і з поверхні катода починають вилітати електрони (відбувається термоелектронна емісія).

Тепер, навіть якщо електроди розвести, через газовий проміжок між ними проходитиме струм, оскільки в газі між електродами буде достатня кількість вільних заряджених частинок (вільні електрони, що «випарувалися» з катода, а також вільні електрони та йони, що з’явилися внаслідок йонізації газу через високу температуру). Надалі висока температура катода й анода підтримується бомбардуванням електродів позитивними і негативними йонами та електронами, прискореними електричним полем.

Висока температура йонізованого газу у випадку дугового розряду, а також випромінювання світла, яке супроводжує такий розряд, забезпечили широке застосування електричної дуги в науці, техніці, промисловості. Електрична дуга «працює» як потужне джерело світла в прожекторах. У металургії застосовують електропечі, в яких використовують дуговий розряд; жаром електричної дуги зварюють метали тощо (рис. 40.9).

Рис. 40.9. Застосування дугового газового розряду для плавлення (а) та зварювання (б) металів

5. З’ясовуємо умови виникнення тліючого газового розряду

За низького тиску, що становить близько 5 мм рт. ст., можна спостерігати світіння розрідженого газу — тліючий газовий розряд. Нагадаємо, що за низького тиску відстань між частинками є настільки великою, що навіть у слабкому електричному полі електрони встигають за час між зіткненнями з атомами і молекулами газу набути енергії, достатньої для ударної йонізації.

Тліючий розряд використовують у лампах денного світла (люмінесцентних трубках), у квантових джерелах світла — газових лазерах. Крім того, його застосовують у кольорових газорозрядних трубках: колір світіння у випадку тліючого розряду визначається природою газу, а отже, може бути різним.

НЕБЕЗПЕЧНО

наближатися до високовольтних пристроїв (напругою тисячі й десятки тисяч вольтів), адже повітря, особливо вологе, може проводити електричний струм: залежно від напруги й умов, у яких перебувають обладнання та людина, ураження може відбутися на відстані в кілька десятків сантиметрів.

Підбиваємо підсумки

Розрізняють чотири основні види самостійних газових розрядів.

Іскровий газовий розряд виникає за атмосферного тиску та великої напруги між електродами. Він являє собою яскраві розгалужені зиґзаґоподібні смужки. Прикладом гігантського іскрового розряду є блискавка. Удар блискавки може призвести до загибелі, тому під час грози необхідно суворо дотримуватися правил безпеки.

Самостійний газовий розряд, що виникає в сильному електричному полі біля гострих виступів предметів, називають коронним газовим розрядом.

За температури між електродами 4000-7000 °С, розведеними на невелику відстань, виникає газовий розряд, що супроводжується дуже яскравим світінням у формі дуги, — дуговий газовий розряд.

За низького тиску (близко 5 мм рт. ст.) можна спостерігати світіння розрідженого газу внаслідок тліючого розряду.

Контрольні запитання

1. Назвіть основні види самостійних газових розрядів. 2. Наведіть приклади іскрового газового розряду. За яких умов він виникає? 3. Що таке блискавка? Коли й чому вона виникає? 4. Назвіть основні правила безпеки, яких слід дотримуватися під час грози. 5. Що являє собою коронний розряд? 6. Які особливості дугового розряду забезпечили його широке застосування? 7. Де застосовують електричну дугу? 8. За яких умов виникає тліючий розряд? Де його використовують?