Фізика і астрономія. Профільний рівень. 11 клас. Засєкіна

§ 13. Електричний струм у газах

Механізм електропровідності газів. З курсу фізики 8 класу нам відомо, що в природі гази є діелектриками, бо за цих умов у газах майже немає вільних носіїв заряду, рух яких міг би створити електричний струм. Проте під зовнішнім впливом, наприклад, високої температури, у газі з'являються заряджені частинки. Вони виникають унаслідок відщеплення від атомів газу одного або кількох електронів, як результат — замість нейтрального атома виникають позитивний йон і електрони. Частина електронів, що утворилися, може бути при цьому захоплена іншими нейтральними атомами, і тоді з'являться ще й негативні йони. Розпад молекул газу на електрони та йони називають йонізацією газів.

Нагрівання газу до високої температури — не єдиний спосіб йонізації молекул або атомів газу. Йонізація газу може відбуватися під впливом інших зовнішніх чинників: рентгенівських променів; променів, що виникають під час радіоактивного розпаду; космічних променів (фотойонізація).

Разом процесом йонізації відбувається і процес рекомбінації: йони й електрони, що беруть участь у тепловому русі, стикаються один з одним і можуть з'єднатися в нейтральний атом.

Йонізований газ є провідником. Явище проходження електричного струму через газ називають газовим розрядом.

Несамостійний і самостійний газові розряди. Розглянемо схему, зображену на малюнку 56.

Мал. 56. Схема для дослідження розряду в газі

Між пластинами плоского конденсатора К міститься повітря за атмосферного тиску й кімнатної температури. Якщо до конденсатора прикладено напругу в кілька сотень вольт, а йонізатор S не працює, то гальванометр G струму не реєструє. Тільки-но простір між пластинами конденсатора починає йонізуватися (наприклад, потоком ультрафіолетового випромінювання від джерела S), гальванометр починає реєструвати струм. Цей струм і є несамостійним розрядом.

Отже, несамостійний розряд у газі є результатом перенесення заряду електронами, позитивними й негативними йонами, наявність і кількість яких зумовлені дією йонізатора (радіоактивного випромінювання, світла, космічних променів тощо), тиском газу й напруженістю електричного поля в газовому проміжку.

Одночасно з процесом йонізації в газі протікає і протилежний процес рекомбінації йонів. Якщо до конденсатора не прикладено зовнішньої напруги, то в певний момент часу в робочому об'ємі конденсатора встановлюється динамічна рівновага, за якої швидкість йонізації (кількість йонів, що утворюються за одиницю часу) починає дорівнювати швидкості рекомбінації йонів. Якщо між пластинами конденсатора існує електричне поле, то частина йонів досягне пластин, інша частина — рекомбінує. Зі збільшенням напруги між пластинами конденсатора процес йонізації молекул газу починає переважати процес рекомбінації.

На малюнку 57 зображено вольт-амперну характеристику газового розряду. З малюнка видно, що за невеликих напруг сила струму лінійно залежить від напруги (ділянка ОА), отже, тут справджується закон Ома. На ділянці АВ струм зростає повільніше від напруги — тут залежність нелінійна, і закон Ома не виконується. Ділянка ВС характеризується струмом насичення Iн — максимальною силою струму, можливою за даних інтенсивності йонізації, тиску газу та напруженості електричного поля, коли всі утворені йони й електрони, не встигаючи рекомбінувати, досягають електродів. Якщо й надалі підвищувати напругу, відбудеться пробій газового проміжку (ділянка CD) й несамостійний розряд перетвориться на самостійний, тобто такий газовий розряд, який відбувається й після припинення дії зовнішнього йонізатора.

Мал. 57 Вольт-амперна характеристика газового розряду

Електричний розряд у газі, що зберігається після припинення дії зовнішнього йонізатора, називається самостійним газовим розрядом.

Які саме причини різкого збільшення сили струму за великої напруги? Розглянемо пару заряджених частинок (позитивний йон і електрон), що утворилася завдяки дії зовнішнього йонізатора. Вільний електрон, що з'явився в такий спосіб, починає рухатися до позитивного електрода — анода, а позитивний йон — до катода. На своєму шляху електрон зустрічає йони та нейтральні атоми. У проміжках між двома послідовними зіткненнями енергія електрона збільшується завдяки роботі сил електричного поля.

Що більша різниця потенціалів між електродами, то більшою буде напруженість електричного поля. Кінетична енергія електрона перед черговим зіткненням пропорційна напруженості поля та довжині вільного пробігу електрона. Якщо кінетична енергія електрона перевищує енергію йонізації, то, зіткнувшись з атомом (або молекулою), він їх йонізує. У результаті замість одного електрона матимемо два (другий — вибитий з атома). Уже два електрони прискорюються полем та йонізують зустрічні атоми й т. д. Унаслідок цього кількість заряджених частинок швидко наростає, виникає електронна лавина (мал. 58). Що стосується йонів, то вони, рухаючись в електричному полі, також збільшують свою енергію. Але повністю віддати її нейтральному атому (молекулі), тим самим йонізуючи його, йон не може, оскільки має масу, майже однакову з масою атома. Під час зіткнення відбувається лише передавання частини кінетичної енергії (як між більярдними кулями). Легенький же електрон налітає на атом, як на стіну, повністю віддаючи йому свою набуту енергію.

Мал. 58. Схема процесу йонізації електронним ударом

Описаний процес називають йонізацією електронним ударом. Але йонізація електронним ударом не може забезпечити підтримки самостійного розряду. Справді, адже всі електрони, що виникають у такий спосіб, рухаються в напрямку до анода і, після досягнення анода, «вибувають із гри». Для підтримки розряду необхідна емісія електронів з катода, якої можна досягти кількома способами.

Залежно від властивостей і стану газу, характеру й розташування електродів, а також від прикладеної до електродів напруги виникають різні види самостійного розряду: тліючий, коронний, іскровий та дуговий (табл. 5).

Таблиця 5

Тліючий розряд спостерігається в газах або парах за низького тиску (в межах кількох десятків міліметрів ртутного стовпа та меншого)

За нормального тиску в газі, що перебуває в сильно неоднорідному електричному полі (наприклад, біля загострень або дротів ліній високої напруги), спостерігається розряд, світна область якого часто нагадує корону. Тому його й назвали коронним розрядом

Іскровий розряд виникає в газі за нормального тиску й наявності електричного поля напруженістю, не меншою від напруження пробою

Якщо приєднати до полюсів великої електричної батареї два шматочки деревного вугілля, доторкнути їх, а потім злегка розсунути, то між кінцями вуглин утворюється яскраве полум'я, а кінці шматочків вугілля розжарюються, випускаючи дуговий розряд (або електричну дугу)

Плазма. За подальшого нагрівання газу (або опромінення) можна отримати такий його стан, у якому атоми й молекули будуть частково або повністю йонізованими, а густина позитивних і негативних зарядів — практично однаковою. Такий газ називають плазмою. Плазма має специфічні властивості, що дає змогу розглядати її як особливий — четвертий — стан речовини. На відміну від нейтрального газу, між молекулами якого існують короткодіючі сили, між зарядженими частинками плазми діють кулонівські сили, що порівняно повільно зменшуються з відстанню. Кожна частинка взаємодіє відразу з великою кількістю навколишніх частинок. Завдяки цьому разом з хаотичним тепловим рухом частинки плазми можуть брати участь у різноманітних упорядкованих рухах. У плазмі легко збуджуються різного роду коливання та хвилі.

Плазма характеризується ступенем йонізації: відношенням об'ємної концентрації заряджених частинок до загальної об'ємної концентрації частинок. Залежно від ступеня йонізації плазма поділяється на слабко йонізовану (становить частки відсотків), частково йонізовану (порядку кількох відсотків) і повністю йонізовану (близька до 100 %). Слабо йонізованою плазмою в природних умовах є верхні шари атмосфери — йоносфера. Сонце, гарячі зорі й міжзоряна речовина — це повністю йонізована плазма, яка утворюється за високих температур. Зважаючи на масштаби Всесвіту, можемо стверджувати, що основним станом речовини є стан плазми.

Розглядають високотемпературну (Т > 106 °C) і низькотемпературну (Т < 105 °C) плазми. Низькотемпературна плазма застосовується в газорозрядних джерелах світла. У сучасних плоских екранах моніторів і телевізорів використовують або рідкокристалічні матриці, або пікселі, наповнені плазмою. Кожний піксель містить капсули, покриті червоним, синім і зеленим люмінофором, що світяться завдяки вміщеній у них плазмі, свічення якої регулює подачу електричних сигналів.

Як ми знаємо, щоб існував електричний струм, необхідні вільні носії електричного заряду. Що ж є носієм заряду у вакуумі? Хочете дізнатися — читайте електронний додаток.

ЗНАЮ, ВМІЮ, РОЗУМІЮ

1. Як відбувається йонізація газів? Наведіть приклади йонізаторів газу. 2. Поясніть вольт-амперну характеристику несамостійного розряду в газі. 3. Поясніть явище ударної йонізації. 4. Який розряд називають самостійним? Наведіть приклади самостійних розрядів і поясніть умови їх виникнення.