§ 4. ЕЛЕКТРИЧНИЙ СТРУМ У ГАЗАХ

• До змісту відповідей

ПИТАННЯ ДЛЯ ОБГОВОРЕННЯ

За яких умов гази можуть ставати провідниками?

Гази стають провідниками за умови появи в них вільних заряджених частинок у процесі йонізації, що відбувається під впливом зовнішніх чинників, як-от нагрівання або випромінювання.

1) За допомогою якого приладу з’ясували, що за звичайних умов повітря не проводить електричний струм?

Відсутність провідності повітря за звичайних умов з’ясували за допомогою гальванометра, підключеного до електричного кола.

2) Що було зроблено, щоб повітря стало провідником струму?

У повітряний прошарок між двома металевими пластинами внесли полум’я запаленої спиртівки.

Висуньте припущення, які частинки при цьому є вільними носіями заряду.

Вільними носіями заряду в газах є позитивні іони, негативні іони та вільні електрони.

1. Який механізм провідності газів?

Механізм провідності газів полягає в процесі йонізації, під час якого внаслідок нагрівання або випромінювання нейтральні молекули (атоми) газу втрачають або набувають електрони, перетворюючись на позитивні та негативні іони. Під дією зовнішнього електричного поля ці заряджені частинки починають рухатися впорядковано, утворюючи газовий розряд.

А ЯК НАСПРАВД?

Чи є між відповідями протиріччя?

Між наведеними відповідями немає протиріччя. Перша відповідь описує загальну властивість плазми як електронейтрального середовища, а друга уточнює, що негативний заряд може бути представлений не лише вільними електронами, а й негативними іонами.

А як насправді?

Насправді плазма є макроскопічно нейтральною системою, у якій сумарний позитивний заряд іонів дорівнює сумарному негативному заряду вільних електронів та негативних іонів. У складі плазми одночасно можуть перебувати електрони, позитивні та негативні іони, а також нейтральні частинки.

3. Як утворюється електронна лавина?

Електронна лавина утворюється внаслідок процесу ударної іонізації, коли вільний електрон, прискорений електричним полем, зіштовхується з нейтральним атомом або молекулою та вибиває з них ще один електрон. Обидва вільні електрони продовжують рух до анода, знову прискорюються полем і іонізують наступні нейтральні частинки, що призводить до лавиноподібного збільшення кількості зарядів.

Як відбувається самостійний газовий розряд?

Самостійний газовий розряд відбувається завдяки поєднанню ударної іонізації та електронної емісії з поверхні катода. Позитивні іони, які утворилися внаслідок іонізації газу, рухаються до катода і при зіткненні з ним вибивають нові електрони (вторинна електронна емісія), що забезпечує безперервне підтримання розряду без дії зовнішнього іонізатора.

4. За яких умов можлива іонізація електронним ударом?

Іонізація електронним ударом можлива за умови, що вільний електрон до моменту зіткнення з нейтральною частинкою встигає набути кінетичної енергії, яка перевищує енергію іонізації цієї частинки. Це досягається або у дуже сильному електричному полі, де електрон швидко прискорюється, або у розрідженому газі (за низького тиску), де через велику відстань між молекулами електрон довше рухається під дією поля без зіткнень і встигає розвинути необхідну швидкість.

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

1. Чому за звичайних умов газ не проводить електричний струм?

За звичайних умов гази складаються з електрично нейтральних атомів і молекул, тому в них відсутні вільні носії електричного заряду, необхідні для проходження струму.

2. Який газ називають йонізованим?

Йонізований газ називають плазмою.

3. Що таке йонізація?

Йонізація — це процес утворення позитивних і негативних йонів, а також вільних електронів із електрично нейтральних атомів і молекул.

4. Який розряд у газі називають несамостійним?

Несамостійним називають газовий розряд, який відбувається тільки за наявності зовнішнього йонізатора.

5. Чому після закінчення дії йонізатора несамостійний газовий розряд швидко припиняється?

Після припинення дії йонізатора кількість вільних заряджених частинок швидко зменшується внаслідок рекомбінації (об’єднання електронів і позитивних йонів у нейтральні молекули) та поглинання зарядів електродами.

6. Дайте означення самостійного газового розряду.

Самостійний газовий розряд — це газовий розряд, який продовжується після припинення дії зовнішнього йонізатора.

7. Опишіть механізм ударної йонізації.

Вільний електрон, розігнаний електричним полем, зіштовхується з нейтральним атомом або молекулою та вибиває з них електрон. Унаслідок цього зіткнення утворюються позитивний іон і два вільні електрони, які продовжують рух і знову йонізують інші нейтральні частинки, створюючи електронну лавину.

ВПРАВА № 4

1. В електричному полі, створеному двома різнойменно зарядженими пластинами (рис. 1), міститься йонізований газ. Перенесіть рисунок до зошита. Зобразіть силові лінії електричного поля між пластинами. Покажіть напрямок руху електронів і йонів. Яким буде рух нейтральних частинок?

Силові лінії електричного поля спрямовані від додатно зарядженої пластини (ліворуч) до від’ємно зарядженої пластини (праворуч). Електрони та негативні іони під дією поля рухаються до додатної пластини, а позитивні іони — до від’ємної пластини. Нейтральні частинки продовжують здійснювати хаотичний тепловий рух, оскільки електричне поле на них не діє.

2. Чому, на вашу думку, швидке збільшення кількості вільних електронів під час самостійного газового розряду назвали лавиною (див. заставку до § 4)?

Процес назвали лавиною через подібність до снігової лавини: один вільний електрон під час руху вибиває інші електрони, кількість яких зростає у геометричній прогресії, що призводить до стрімкого збільшення кількості заряджених частинок у всьому об’ємі газу.

3. Чому в разі охолодження газів їхня провідність падає?

При охолодженні зменшується середня кінетична енергія молекул, що унеможливлює термічну йонізацію, а також зростає інтенсивність рекомбінації — процесу об’єднання іонів і електронів у нейтральні молекули, через що кількість вільних носіїв заряду зменшується.

4. Чим йонізація газів відрізняється від електролітичної дисоціації?

Йонізація газів потребує витрат енергії зовнішнього йонізатора (нагрівання, випромінювання або удар електрона) для відриву електронів від нейтральних атомів, тоді як електролітична дисоціація відбувається самовільно під дією молекул розчинника. У результаті йонізації газів носіями заряду стають вільні електрони, позитивні та негативні іони, а внаслідок дисоціації утворюються лише іони.

5. Що спільного і в чому різниця між електричним струмом у газах, рідинах і металах?

Спільним для цих середовищ є те, що електричний струм — це впорядкований рух вільних заряджених частинок під дією електричного поля. Різниця полягає у природі носіїв заряду та механізмі провідності, що відображено у таблиці:

6. Цікавим прикладом несамостійного газового розряду є газовий розряд у плазмовій кулі (рис. 2). Розріджений газ у кулі йонізується електричним струмом дуже високої частоти. Якщо кулі торкнутися рукою, то промені притягуються до руки. Дізнайтеся, чому це відбувається, що є спільним між цим явищем і роботою сенсорного екрана, хто був винахідником плазмової кулі та ін.

Промені притягуються до руки, оскільки людське тіло має велику електричну ємність і є провідником, що змінює розподіл змінного електричного поля та створює шлях із меншим опором для струму високої частоти. Спільним із роботою ємнісного сенсорного екрана є принцип реагування пристрою на зміну електричної ємності системи під час наближення або дотику провідника (пальця). Винахідником першої плазмової лампи був Нікола Тесла, а сучасний дизайн плазмової кулі розробив Білл Паркер у 1971 році.