Фізика. 8 клас. Пістун

§ 40. Електричний струм у газах

1. Гази за звичайних умов є хорошими ізоляторами. У них немає вільних електричних зарядів. Однак за певних умов гази можуть стати провідниками електричного струму.

Оскільки молекули газу електрично нейтральні, то для того, щоб газ став провідником електричного струму, необхідно будь-яким способом отримати деяке число вільних електричних зарядів: електронів і позитивних йонів.

Створити вільні електричні заряди в газі можна різними способами. Досить, наприклад, у проміжок між металевими дисками (рис. 135) внести полум’я спиртівки, як стрілка гальванометра, яка до цього стояла на нульовій поділці, відхилиться, що свідчить про проходження електричного струму по колу.

Рис. 135

2. Пояснимо явище, яке ми спостерігали. Вам відомо, що повітря складається з атомів і молекул різних газів, які у звичайному стані нейтральні. При нагріванні збільшується швидкість теплового руху молекул, і деякі молекули при зіткненні розпадаються на позитивні йони і електрони. Відбувається йонізація газу. Нейтральні атоми або молекули газу можуть приєднати до себе електрони і перетворитися в негативні йони. Роль йонізатора в даному випадку виконувало полум’я сірника. Іонізаторами можуть виступати також ультрафіолетове, рентгенівське і космічне випромінювання. Одночасно з процесом йонізації відбувається рекомбінація газу — утворення нейтрального атома при зближенні позитивного йона і електрона.

Отже, електричний струм у газах — напрямлений рух позитивних і негативних йонів та електронів. Протікання струму через газ називають газовим розрядом.

Існує два типи газових розрядів: несамостійний і самостійний.

3. Несамостійний газовий розряд спостерігався в описаному досліді (див. рис. 135). Цей розряд відбувся завдяки тому, що використовувався йонізатор, який сприяв утворенню йонів у повітрі.

Розглянемо, як сила струму в газі залежить від прикладеної напруги. Проведемо дослід. Установка являє собою скляну трубку з повітрям, в яку впаяні два металеві електроди. Електрод и підключені до джерела струму (рис. 136). За допомогою випромінювання газ йонізують, а потім, змінюючи напругу, що подається на трубку, спостерігають за змінами сили струму.

Рис. 136

Дослід показує, що спочатку при збільшенні напруги між електродами сила струму зростає (рис. 137). Це відбувається до деякого значення напруги. Подальше збільшення напруги не призводить до зміни сили струму, вона залишається сталою. Спостерігається струм насичення.

Рис. 137

Це відбувається тому, що при невеликих значеннях напруги не всі йони та електрони досягають електродів. Деякі з них рекомбінують і утворюють нейтральні молекули. Чим більша напруга, тим більше заряджених частинок досягає електродів. Нарешті, напруга набуває такого значення, при якому всі йони і електрони, що утворилися під дією даного йонізатора, беруть участь у напрямленому русі. Тепер деяке збільшення напруги не впливатиме на силу струму.

Рис. 138

Якщо після досягнення силою струму насичення продовжувати збільшувати напругу, то настане момент, коли сила струму різко зросте (рис. 138). Це означає, що кількість заряджених частинок у трубці збільшилася, тобто з’явилися нові йони і електрони. Причиною цього є те, що електрони набувають в електричному полі більшу енергію, якої достатньо для того, щоб йонізувати нейтральний атом. Таким чином, подальша йонізація атомів і молекул здійснюється за рахунок зіткнення з ними електронів, що мають достатню для йонізації енергію. Внаслідок цього кількість заряджених частинок швидко зростає.

Оскільки розряд буде існувати, навіть якщо прибрати йонізатор, його називають самостійним

4. В залежності від властивостей і стану газу, прикладеної напруги та розміщення і типу електродів можливі різні типи самостійного розряду. Тліючий розряд — розряд, що відбувається в трубці, заповненій газом, за зниженого тиску порядку десятих і сотих частки міліметра ртутного стовпа (рис. 139).

Рис. 139

Тліючий розряд можна спостерігати в газорозрядній трубці, приєднаній до джерела постійної напруги близько 1000 В.

За атмосферного тиску розряд у трубці відсутній.

Тліючий розряд використовують у газорозрядних лампах, які застосовуються в технічних пристроях як індикатори, для освітлення, для освітлювальної реклами.

Іскровий розряд відбувається за нормального атмосферного тиску і великої різниці потенціалів між електродами (рис. 140).

Кожен із вас неодноразово спостерігав блискавку. Блискавка — це приклад іскрового розряду в атмосфері. Іскровий розряд можна спостерігати в лабораторії: він виникає між кондукторами електрофорної машини.

Рис. 140

Іван Павлович Пулюй (1845-1918) - український фізик і електротехнік, народився у м. Гримайлів. Працював у галузі дослідження газорозрядних процесів, електротехніки та рентгенівських променів.

Євген Оскарович Патон (1870-1953) - український учений у галузі зварювальних процесів і мостобудування. Засновник вітчизняної школи електрозварювання. Автор та керівник проектів понад 100 суцільнозварних мостів. Серед них один з найбільших у світі — суцільнозварний міст через Дніпро, названий його ім’ям.

Борис Євгенович Патон (народився в 1918 р.) - український науковець у галузі зварювальних процесів. Досліджував процеси автоматичного і напівавтоматичного зварювання під флюсом. Перший започаткував дослідження у відкритому космосі в галузі технології металів, автор ідеї та один із розробників методу електрозварювання м’яких тканин. З 1962 р. — президент Національної академії наук України.

Іскровий розряд застосовується, наприклад, для обробки металів.

Дуговий розряд може так само, як і іскровий, відбуватися за атмосферного тиску (рис. 141). Його можна отримати, якщо два вугільних стержні (електроди), підключених до джерела струму, привести в зіткнення, а потім подати на них напругу порядку 40-50 В. Після того, як стержні розжаряться, їх розводять на деяку відстань, і між кінцями стержнів з’являється електрична дуга.

Рис. 141

При роботі дуги катод сильно розігрівається під дією позитивних йонів, що випускаються анодом і бомбардують катод. Сила струму при дуговому розряді досягає дуже великих значень.

Дуговий розряд за зниженого тиску використовується в дугових лампах. Дуговий розряд також використовують при зварюванні металів.

Величина електричного поля залежить від кривини поверхні зарядженого провідника, який це поле створює. Зокрема, воно (поле) може бути дуже великим біля ділянок провідника, що виступають, по якому протікає значний електричний заряд. У цьому випадку заряд «стікає» з провідника, і біля нього спостерігається область, яка світиться. Це — коронний розряд (рис. 142). Він виникає навколо проводів високовольтних ліній електропередач і призводить до втрат електроенергії. Для усунення цих втрат дроти повинні бути досить товстими.

Довгий час коронний розряд наводив жах на мореплавців, які спостерігали його на щоглах кораблів під час шторму чи грози (рис. 143). Не маючи можливості пояснити це явище, мореплавці вважали це знаменням і назвали його «вогні святого Ельма».

Рис. 142

Рис. 143

Запитання для самоперевірки

  • 1. Як створити вільні носії заряду у вакуумі?
  • 2. Які частинки створюють електричний струм у газах?
  • 3. У чому відмінність несамостійного газового розряду від самостійного?
  • 4. За яких умов виникає іскровий розряд? Де він спостерігається?
  • 5. Як виникає дуговий розряд? Де він застосовується?
  • 6. Як виникає коронний розряд?
  • 7. За яких умов виникає тліючий розряд? Де він застосовується?

Завдання 40

  • 1. Чим відрізняється утворення йонів в електролітах від йонізації газу?
  • 2. Яким чином можна несамостійний газовий розряд перевести в самостійний?
  • 3. Чи можна спостерігати блискавку на Місяці?
  • 4*. Де краще, на вашу думку, захищатися від блискавки: в долині, де є озеро або річка, чи на навколишніх кам’янистих горбах?
  • 5. Заповніть таблицю 17 порівняння газових розрядів, використовуючи матеріал параграфа та додаткову інформацію з мережі Інтернет.

Таблиця 17

Газовий розряд

Потреба в йонізаторі

Умови виникнення

Застосування, приклади спостереження

Несамостійний

Самостійний

Тліючий

Іскровий

Дуговий

Коронний