Фізика 11 клас (Остапенко Т.М.)

У звичайному, природному стані гази не проводять електричний струм, тобто є діелектриками. Ізолюючі властивості газу пояснюються тим, що атоми і молекули газів у природному стані є нейтральними частинками. Тому за нормальних умов у газі практично немає вільних носіїв заряду, рух яких міг би створити електричний струм.

   Тому для того, щоб зробити газ провідником, потрібно якимось чином внести в нього або створити в ньому вільні носії заряду (іони, електрони тощо). При цьому можливі два шляхи:

• заряджені частинки створюються дією якогось зовнішнього фактору або вводяться у газ ззовні - в цьому випадкупровідність газу називають несамостійною;
• заряджені частинки створюються у газі під дією самого електричного поля, яке існує між електродами - в цьому випадкупровідність газу називають самостійною.

Несамостійна провідність газів

   Яким же чином у газовому проміжку між двома електродами можна створити вільні носії заряд?

   Одним з способів є нагрівання газу до досить високої температури. Внаслідок нагрівання частина молекул газу буде розпадатись на позитивні  і негативні частинки, тобто в газі з'являються вільні іони. Процес утворення іонів у деякому газі називають іонізацією цього газу.

Іонізація газу - процес утворення у газі вільних іонів.

   Слід зауважити, що утворені таким чином іони в газі можуть переміщуватись разом з самим газом. При створенні у газі вільних іонів у ньому починає протікати електричний струм, оскільки позитивні частинки рухаються до катода, а негативні - до анода.

   Якщо прибрати полум'я, яке нагріває газ у проміжку між електродами, то струм припиниться, це пояснюється тим, що без дії зовнішніх факторів іони будуть рекомбінувати у молекули і газ знову стане діелектриком.

   Таким чином, для отримання тривалого струму необхідно, щоб у газі неперервно проходила іонізація. Вільними носіями заряду у газах можуть бути як електрони, так й іони.

   Нагрівання газу до високої температури є не єдиним способом іонізації молекул і атомів газу. Ще одним способом іонізації молекул є їх опромінення рентгенівське випромінювання.

   У чому ж відмінність між провідністю газів та електролітів?

   Утворені у газі іони можуть об'єднуватись, «злипатись» з нейтральними молекулами, утворюючи такі собі групи. Завдяки цьому, хоча заряд кожного іона дорівнює одному, двом, інколи більшому числу елементарних зарядів, маси їх можуть значно відрізнятись від мас окремих атомів і молекул. Цим газові іони суттєво відрізняються від іонів електролітів, які завжди являють собою частини окремих атомів чи молекул.

   У зв'язку з цією різницею при іонній провідності газів закони Фарадея застосовувати не можна, оскільки маса газового іона може в багато разів перевищувати масу окремої молекули чи атома.

   Друга суттєва відмінність іонної провідності газів від провідності електролітів полягає в тому, що для газів не завжди можна застосовувати закон Ома. Залежність струму від напруги носить складний нелінійний характер, оскільки число іонів, яке проходить за одиницю часу через поперечний переріз провідника, не може бути більшим за число іонів, яке утворилось у газовому проміжку за цей час під дією зовнішнього іонізуючого фактора.

   При досить високій різниці потенціалів саме електричне поле між електродами може розганяти електрони й іони до таких величезних швидкостей, що при співударах цих заряджених частинок з нейтральними молекулами газу останні розбиваються на іони. І загальна кількість вільних носіїв заряду визначається вже не іонізуючим фактором (наприклад, температурою), а дією електричного поля, яке саме може підтримувати процес іонізації за рахунок розгону заряджених частинок. В цьому випадку несамостійна провідність газів стає самостійною.

  Описане явище раптового виникнення самостійної провідності, що має характер пробою газового проміжку між електродами, називають самостійним газовим розрядом.

Перейдемо до розгляду різних видів газових розрядів.

ІСКРОВИЙ РОЗРЯД

   В лабораторний умовах іскровий розряд можна створити з допомогою електрофорної машини. По мірі обертання дисків електрофорної машини, електричні заряди будуть стікатись на металеві кульки. При цьому різниця потенціалів між ними збільшуватиметься, а, отже, збільшуватиметься і напруженість електричного поля у газовому проміжку між ними. В результаті, в певний момент між електродами (кульками) з'явиться електрична іскра. Газ поблизу іскри сильно нагрівається і досить швидко розширюється, в результаті чого виникає різкий звук, який ми чуємо у вигляді тріску.

   При іскровому розряді газ миттєво, стрибком втрачає свої діелектричні властивості і стає гарним провідником. Напруженість поля при іскровому розряді може мати різні значення в залежності від виду газу та його властивостей (температури, тиску тощо).

   З електростатики відомо, що напруженість поля між електродами тим більша, чим менша відстань між ними, для заданої різниці потенціалів. Тому, чим ближче розташовані одна до одної кульки електрофорної машини, тим швидше буде виникати розряд і тим менша різниця потенціалів між кульками.

Блискавка - приклад іскрового розряду у природі	Блискавки над містом	Потужний іскровий розряд

Пояснимо фізичні процеси, які виникають при іскровому газовому пробої.

   У газі завжди є деяка кількість вільних електронів й іонів, які виникли в результаті випадкових причин. Зазвичай їх кількість настільки мала, що газ не проводить електричний струм. При порівняно невеликих значеннях напруженості електричного поля співудари іонів і нейтральних молекул носять пружний характер (як співудари більярдних куль). При таких співударах рухомі частинки обмінюються частинами своїх кінетичних енергій, але ніяких внутрішніх змін з самими частинками не відбувається.

   Зі збільшенням напруженості електричного поля кінетична енергія рухомих іонів зростає і в результаті взаємодії з нейтральною молекулою цієї енергії виявляється достатньо, щоб іонізувати нейтральну молекулу газу (розбити її на заряджені частинки). В результаті цього, зазвичай, утворюється новий іон і електрони. Такий процес іонізації називають ударним, а ту роботу, яку необхідно виконати, щоб провести розрив електрона і атома (молекули) - роботою іонізації. Для забезпечення ударної іонізації кінетична енергія електрона має бути неменшою за роботу іонізації:

   Робота іонізації залежить від стану і виду атома, тому для різних газів різна.

   Утворені в результаті ударної іонізації електрони і іони збільшують кількість зарядів у газі. Причому вони самі теж розганяються під дією електричного поля, набуваючи значних кінетичних енергій, достатніх для іонізації нових молекул та атомів. Таким чином, процес ударної іонізації є лавиноподібним, тобто підсилює сам себе, в результаті чого іонізація в газі досягає досить значних величин.

  Утворення іонної лавини - це і є процес іскрового пробою. Мінімальна напруга, при якій виникає пробій, називають напругою пробою.

   Отже, при іскровому пробої причина іонізації газу полягає у руйнуванні атомів і молекул при їх співударах з вільними  іонами чи електронами, які розганяються електричним полем.

КОРОННИЙ РОЗРЯД

   Виникнення іонної лавини не завжди призводить до іскри, а може викликати і розряд іншого типу - коронний розряд.

   Якщо на двох ізольованих підставках натягнути дротину, яка в діаметрі сягає декількох десятих міліметра, з'єднати цю дротину з негативним полюсом генератора, що дає напругу декілька тисяч вольт, а другий полюс генератора з'єднати із Землею, то між дротиною і Землею виникне різниця потенціалів. Між Землею і дротиною утвориться неоднорідне електричне поле, напруженість якого буде найбільшою біля самої дротини. Якщо поступово збільшувати напругу і спостерігати за дротиною в темряві, то можна помітити, що за певної напруги біля дротини з'явиться слабке свічення (так звана «корона»), що охоплює дротину з усіх боків. Це свічення супроводжується шиплячим звуком і легким потріскуванням. Якщо між дротиною і Землею розташувати чутливий гальванометр, то він зафіксує електричний струм, що йде від дротини до Землі. Струм у повітрі між дротиною і Землею переноситься іонами, які утворені в результаті ударної іонізації.

Вогні святого Ельма	Коронний розряд

   Коронний розряд може виникнути не лише поблизу дротини, але й на вістрі чи взагалі близь будь-яких електродів, біля яких утворюється дуже сильне неоднорідне електричне поле.

   За часів Середньовіччя коронний розряд, який виникав на верхівках корабельних щогл, списів, алебард називався вогнями святого Ельма. З вогнями святого Ельма пов'язані і легенди про Летючого Голландця.

ЕЛЕКТРИЧНА ДУГА (ДУГОВИЙ РОЗРЯД)

   У 1802 році російський фізик Василь Володимирович Петров встановив, що коли приєднати до полюсів великої електричної батареї два шматочки деревного вугілля і, привівши вугілля у дотик, трішки їх розсунути, то між зближеними кінцями вугільних стержнів утвориться яскраве полум'я, а самі кінці розігріються настільки, що стануть білого кольору і будуть випромінювати світло (електрична дуга). Сім років потому це ж явище незалежно від В.В. Петрова спостерігав англійський фізик Г. Деві, який запропонував назвати цю дугу на честь А. Вольта «вольтовою».

   Отримати електричну дугу можна наступним чином. Беруть і закріплюють два шматка вугілля або краще стрижні, які зазвичай виготовлені з пресованої суміші графіту, сажі та скріплюючих речовин. Ці стрижні підключають до мережі постійної напруги так, що один з них є катодом, а інший анодом, то між стержнями утвориться електрична дуга - газовий проміжок, розігрітий до величезних температур, який добре проводить електричний струм. Анод має більш високу температуру і згоряє швидше катода. Через це на позитивно зарядженому стержні утворюється заглиблення - позитивний кратер, який є найгарячішою частиною електродів.

   Температура кратера в повітрі  за атмосферного тиску досягає 4000 ⁰С. В зв'язку з цим анод завжди роблять трохи товщим за катод. Дуга може горіти і між металевими  електродами. При цьому електроди плавляться і швидко випаровуються, на що витрачається багато тепла. Тому температура кратера металевого електрода зазвичай нижче, ніж вугільного (2000 - 2500 ⁰С). На сьогоднішній день створена у газі під великим тиском електрична дуга дала можливість досягти температури до 5900 ⁰С (температура поверхні Сонця). Саме тому у такому газовому стовпі практично всі речовини плавляться і випаровуються.

Електрична дуга

   Для підтримання дугового розряду потрібна невелика напруга (40-45 В). Струм у електричній дузі досить суттєвий - до сотень ампера.

   Така сильна іонізація газу можлива тільки завдяки тому, що катод дуги випромінює величезне число електронів, які внаслідок зіткнення з молекулами газу іонізують його. Це явище випускання електронів з катода називається емісією (термоемісією) і відбувається через те, що температура самого катода досягає  2200 - 3500 ⁰С  в залежності від матеріалу.

   Для запалювання самої дуги слід спочатку звести стержні разом. При цьому  у місці їх контакту (яке має значний опір) виділяється велика кількість тепла за рахунок проходження електричного струму. Тому кінці стержнів сильно розігріваються, цього досить, щоб при їх розсування між ними виникла електрична дуга. В подальшому висока температура катода підтримується за рахунок струму, який проходить через дугу. Головну роль тут відіграє бомбардування катода іонами, які утворюються у дузі.

   Електричну дугу широко використовують для освітлення (прожектори, потужні лампи для кінозйомок), для плавлення чи зварювання металів. Під час електричної дуги випромінюється ультрафіолетове світло, яке шкідливо впливає на шкіру та зір людини, тому при роботі з дугою застосовують спеціальні світлові фільтри та засоби захисту.

ТЛІЮЧИЙ РОЗРЯД

   Крім іскри, корони та дуги, існує ще одна форма самостійного газового розряду - тліючий. Для отримання цього розряду використовують скляну трубку, у якій міститься два металевих електроди. Електроди приєднані до джерела з напругою у декілька тисяч вольт. З трубки відкачують повітря чи заповнюють її інертним газом при зниженому тиску, щоб легше було пробити газовий проміжок між електродами. При подачі на електроди напруги виникає пробій газового проміжку, який має вигляд тонкого шнура (у повітрі він має малиновий колір, а в інших газах - може мати різні кольори), який з'єднує обидва електроди. В такому стані газовий стовп добре проводить електричний струм.

   При відкачуванні повітря з колби «електричний» шнур розширюється і свічення заповнює всю трубку. При тиску газу у декілька десятків міліметра ртутного стовпчика (тисячі паскаль) розряд заповнює всю колбу.  Розрізняють дві головні частини розряду:

• темну частину, яка прилягає до катода, яка отримала назву темного катодного простору;
• стовпчик газу, який випромінює світло і заповнює іншу частину трубки аж до анода, - називається додатнім стовпом.

   При деяких значеннях тиску додатній стовп може розпадатись на такі собі шари, розділені темними проміжками - страти.

Тліючий розряд	Тліючий розряд

   Описана форма розряду називаються тліючим. Практично все світло, яке випромінюється при розряді, випромінюється саме у межах додатного стовпа. При цьому колір свічення залежить від виду газу. У наш час такі трубки набули широкої популярності для освітлення приміщень, реклам, вивісок, підсвітки назв ресторанів, магазинів тощо.

   Для освітлення приміщень широко використовуються газові трубки заповнені парами ртуті, причому шкідливе для очей ультрафіолетове випромінювання поглинається шаром спеціальної речовини, якою зсередини покривають стінки лампи. Ця речовина світиться білим світлом разом із свіченням самих газів, в результаті отримане світло найбільш близьке до денного звичайного світла. Тому такі лампи називають «лампи денного світла».

   При заповненні лампи різними газами можна отримати світло різного кольору: неон - червоно-помаранчевий, аргон - синій тощо.