Фізика і астрономія. Рівень стандарту. 11 клас. Сиротюк

§ 12. Електричний струм у газах

Гази, на відміну від металів та електролітів, за звичайних умов складаються з електрично нейтральних атомів та молекул і тому не є провідниками електрики. Наелектризоване тіло в сухому повітрі зберігає свій заряд довгий час. Гази стають електропровідниками внаслідок йонізації їх під дією зовнішніх збудників. При цьому їхні молекули перетворюються в позитивні йони. Електрон, який відділився від нейтральної молекули, стикаючись із другою нейтральною молекулою, може з’єднуватися з нею та утворювати негативний йон.

Щоб йонізувати атом (молекулу), треба виконати роботу (роботу йонізації) проти сил взаємодії електрона з іншими частинками атома (молекулами). Зовнішні збудники, або джерела енергії, які спричиняють йонізацію газу, називають йонізаторами.

Процес, який забезпечує йонізацію газу й подальший розвиток газового розряду, називають йонізованим.

Як йонізатор діють рентгенівські промені, а також радіоактивне випромінювання, яке вивчатимемо згодом. За нормальних умов оточуюче повітря завжди певною мірою йонізоване внаслідок сонячних променів і космічного випромінювання (потік швидких заряджених частинок, переважно протонів, які потрапляють на Землю з глибин Космосу).

Йонізація газу можлива також під дією прискорених електронів та йонів (ударна йонізація).

Дослід. Зарядимо (наприклад, від електрофорної машини) алюмінієві диски, з’єднані провідниками з виводами електрометра (мал. 1.56, а). Спостерігатимемо, що відхилення стрілки електрометра залишатиметься сталим, тому що електрична провідність повітря за умов кімнатної температури та сухого повітря дуже мала, і пластини помітно не розряджаються.

Мал. 1.56

Внесемо у простір між дисками полум’я від запаленого сірника або свічки (мал. 1.56, б). Побачимо, що електрометр швидко розрядився. Отже, повітря внаслідок значного підвищення температури набуло провідності й замкнуло коло, тобто в нагрітому газі проходить електричний струм.

Проходження електричного струму через газ називають газовим розрядом.

Залежно від механізму йонізації газу розрізняють самостійні і несамостійні газові розряди.

Самостійний газовий розряд підтримує сам себе і зберігається після припинення дії зовнішнього йонізатора, тобто під час розряду весь час утворюються вільні заряджені частинки. Вони можуть виникати внаслідок ударної йонізації.

Несамостійний газовий розряд не підтримує сам себе і відбувається під упливом зовнішнього йонізатора. Якщо йонізатор перестає діяти, то розряд припиняється.

Розглянемо види газових розрядів.

Тліючий розряд спостерігається за низьких тисків (десяті й соті частки міліметра ртутного стовпчика) і напруги між електродами в кілька сотень вольтів. Його використовують у рекламних трубках (мал. 1.57). Якщо трубка наповнена неоном, то виникає червоне світіння, якщо аргоном — синювато-зелене. У лампах денного світла використовують розряд у парі ртуті.

Мал. 1.57

Електрична дуга — явище виникнення яскравого світного стовпа газу між двома вугільними електродами за низької напруги.

Електричну дугу «запалюють» так. Спочатку зближують і вводять у контакт вугільні електроди, замикаючи коло. Унаслідок теплової дії струму, що проходить через точкові контакти з великим електричним опором, кінці електродів розжарюються до світіння. З поверхні електродів при цьому вилітають з великою швидкістю електрони й через зіткнення йонізують газ у прилеглому просторі. Якщо електроди розвести, то електричний струм у колі не зникає, він проходить через йонізований газ, що супроводжується його розжаренням і яскравим світінням.

Сила струму в невеликій дузі сягає кількох ампер, а в потужних дугах — кількох сотень ампер за напруги приблизно 50 В.

Під час горіння дуги повітря (або інший газ) у проміжку між вугільними електродами розігрівається до кількох тисяч градусів і, піднімаючись угору внаслідок конвекції, вигинає світний стовпчик у формі дуги, за що цей вид газового розряду й отримав свою назву (мал. 1.58). Дуговий розряд — потужне джерело світла. Його використовували у прожекторах, проекційних апаратах і кіноапаратах. У металургії досить поширені електропечі, у яких джерелом тепла є дуговий розряд. Дуговий розряд використовують для зварювання металів.

Мал. 1.58

Коронний розряд — це світна область, яка нагадує корону. Він утворюється за атмосферного тиску поблизу загострених частин провідника з великим електричним зарядом.

Газ у цьому разі йонізують ударом електрони, прискорені сильним неоднорідним електричним полем, яке виникає поблизу загострених заряджених провідників (мал. 1.59).

Мал. 1.59

Перед грозою або під час грози часто на вістрях і гострих кутах високо піднятих предметів спалахують схожі на щіточки конуси світла, наприклад на вістрях корабельних щогл (мал. 1.60). З давніх-давен це світіння називають вогнями святого Ельма.

Мал. 1.60

Коронним розрядом не можна нехтувати, якщо висока напруга. Коли є частини, що виступають, або дуже тонкі дроти, то може виникнути коронний розряд. Це призводить до втрат електроенергії. Що вища напруга високовольтної лінії, то товщими мають бути дроти.

Іскровий розряд виникає за високої напруги між електродами в повітрі (мал. 1.61) і має вигляд пучка яскравих зигзагоподібних смужок, що відгалужуються від тонкого каналу.

Мал. 1.61

Під час іскрового розряду газ йонізують ударом прискорені сильним електричним полем електрони, що виникають в окремих місцях у проміжку між електродами внаслідок природної йонізації повітря.

За допомогою іскрового розряду можна обробляти деталі з тугоплавких металів, тому що велика енергія цього розряду виділяється в малому об’ємі за дуже малий інтервал часу. Тому теплообміну між зоною розряду і навколишнім середовищем практично немає. У місці розряду температура металу різко підвищується, і відбувається його випаровування.

Плазма — це газ у стані з високим ступенем йонізації. Плазма, наприклад, утворюється в позитивному стовпі тліючого розряду і в головних каналах іскрового розряду. У нейтральній плазмі концентрація електронів і позитивних йонів однакова.

Концентрація носіїв струму в плазмі невелика, але велика їхня рухливість, тому електропровідність плазми велика. За характером електропровідності плазма уподібнюється до металів, особливо за високої температури. За дуже високої температури (близько кількох мільйонів градусів) атоми повністю йонізуються — розщеплюються на електрони і ядра.

У природі плазма трапляється в космічних тілах. Надра зірок і Сонця складаються з водневої плазми. Завдяки своїм специфічним властивостям плазму розглядають як четвертий стан речовини.

Штучно плазма створюється у тліючому газовому розряді, газорозрядних лампах, мас-спектрометрах, термоядерному синтезі, під час роботи йонних двигунів, генераторів тощо. Зокрема, плазму застосовують у термоелектронних і магнітоплазмодинамічних (МПД) генераторах — перетворювачах тепла безпосередньо в електричну енергію (минаючи перетворення в механічну).

ЗАПИТАННЯ ДО ВИВЧЕНОГО

• 1. Чому за звичайних умов гази є діелектриками?
• 2. Поясніть, чому під час нагрівання чи опромінення газу рентгенівськими або ультрафіолетовими променями газ стає провідником?
• 3. Чому під час нагрівання газу він йонізується?
• 4. З припиненням дії йонізатора газ знову стає діелектриком. Чому?
• 5. Який газовий розряд називають самостійним? Несамостійним?
• 6. Опишіть процес виникнення електричної дуги.
• 7. Які ви знаєте види газових розрядів?
• 8. Коли виникає коронний розряд?
• 9. Що таке плазма?

ЧИ ЗНАЄТЕ ВИ, ЩО...

• Блискавка — досить часте явище на Землі. Як підрахували вчені, щодня на земній кулі відбувається близько 44 000 гроз або приблизно одна гроза через кожні 2 с. Грози найчастіше бувають у другій половині дня. Тривалість більшості гроз — близько 1 год. Однак у тропіках і горах вони іноді тривають до 12-13 год. Найбільшу кількість грозових днів — 220 на рік — зафіксовано на острові Ява. У місті Санта-Марія (штат Каліфорнія в США) гроза відбувається не частіше ніж один раз на 2 роки. Щодня на земній кулі спалахує близько 8 млн блискавок.

• Вольтів стовп і батарея відкрили можливості для широких експериментів із сильним електричним струмом. Багато вчених виготовляли такі джерела струму і проводили з ними цікаві досліди.

• У 1802 р. професор Петербурзької медико-хірургічної академії Василь Петров (1761-1834) сконструював найпотужнішу батарею того часу. Вона складалася із 4200 мідних і цинкових кружків, укладених у чотири дерев'яних ящики. Приєднавши мідною дротиною до полюсів батареї два вугільних стержні (електроди), учений наблизив стержні один до одного і побачив, що між ними раптом спалахнула яскрава дуга. Вона освітила лабораторію, поміщені в неї шматки металу дуже швидко стали плавитися. Так було відкрито електричну дугу.

Василь Петров

• Спосіб зварювання металів за допомогою електричної дуги запропонував у 1881 р. уродженець с. Мостового Миколаївської області винахідник Микола Бенардос (1842-1905). Він запатентував загалом близько 100 винаходів у галузі транспорту та енергетики. Так, учений сконструював вугільні електроди різних форм та комбіновані електроди (вуглець-метал); запропонував спеціальне пристосування для зварювання у вертикальному положенні; уперше використав електромагніт для закріплення деталей, що зварюються; створив кілька конструкцій зварювальних напівавтоматів та автоматів; розробив способи підводного зварювання та різання металів, зварювання в газовому струмені, точкового і шовного контактного зварювання.

Микола Бенардос