Fizika 10 klas - Goncharenko S.U.

процеси, пов'язані з виникненням ионно-електронних лавин у газі, розглянемо в наступному параграфі.

Звернемо увагу, що хоча струм в газах, як і в електролітах, зумовлений переміщенням йонів під дією електричного поля, між ними є ряд істотних відмінностей. По-перше, в газах, особливо при малих тисках, поряд з йонами в створенні електропровідності мають велике значення і вільні електрони; по-друге, струм у газах не супроводжується перенесенням речовини, тобто електролізом. Йони в газі не є звичайними «хімічними» йонами. Йони газів — це атоми або молекули, які або втратили один чи кілька електронів, або ж набули їх. Тому під час нейтралізації газового йона біля електродів він перетворюється на нейтральну молекулу, яка повертається назад у газ і виділення речовини не відбувається. Таким чином, газова молекула йонізується не обов'язково шляхом її дисоціації, як у рідин. Йонізуються всі гази, в той час як дисоціювати можуть далеко не всі рідини.

? 1. Яка природа струму в газах? 2. Чим відрізняється йонізація газу від електролітичної дисоціації? 3. Якщо гарячий газ охолодити, то він втрачає провідність. Чому? 4. Чи підлягає струм у газах закону Ома?

§92. Самостійний електричний розряд

угазах. Види розрядів

Угазах за певних умов можливе збудження великої провідності за рахунок дії електричного поля. В цьому випадку маємо явище самостійного розряду і самостійну провідність. Самостійним називають розряд у газах, який зберігається й після припинення дії зовнішнього йонізатора. Під час будь-якого самостійного розряду має місце йонізація газу електронними ударами, однак наявність йонізації внаслідок електронного удару ще не веде до самостійного розряду. Дійсно, якщо прибрати зовнішній йонізатор, всі йони лавини врешті-решт будуть нейтралізовані на електродах і розряд припиниться. Щоб розряд був самостійним, треба, щоб і позитивні йони набували в електричному полі достатньої енергії для вибивання вільних електронів з молекул або з катода.

Залежно від стану газу (температури і тиску), від напруги, форми й розмірів електродів самостійні газові розряди можуть відрізнятися один від одного як за зовнішнім виглядом, так і за характером фізичних процесів, які зумовлюють їх виникнення й проходження. Всі види газових

270

Джерело

високої

напруги

> До насоса

Мал. 203

розрядів супроводжуються своєрідними, властивими лише їм явищами. Це різноманітні свічення, характерний звук (шипіння, тріск), наявність певних реакцій (наприклад, утворення озону). За зовнішніми ознаками розпізнають, який з видів газового розряду має місце. Розглянемо характерні види розрядів у газах.

Тліючий розряд. Цей вид розряду спостерігається в газах за низьких тисків (порядку 0,1 мм рт. ст.). Такий розряд ви можете спостерігати за допомогою скляної трубки (мал. 203) з впаяними електродами А і Я, до яких прикладено сталу напругу в кілька сот вольтів. З трубки за допомогою насоса можна поступово відкачувати повітря.

Коли тиск газу в ній дорівнює атмосферному, прикладеної напруги недостатньо для пробою газу, і трубка залишається темною. Зі зменшенням тиску газу (до порядку 100 мм рт. ст.) між анодом і катодом виникає розряд, що має вигляд світного шнура, який з'єднує анод і катод трубки. Починається самостійний газовий розряд. Якщо далі зменшувати тиск, цей шнур розширюється і заповнює весь переріз трубки. Коли значення тиску досягає порядку 0,1 мм рт. ст., розряд має вигляд, показаний на малюнку 204. Безпосередньо до катода прилягає тонкий світний шар 1 (перше катодне свічення або катодна плівка), простір за ним має незначну інтенсивність свічення — катодний темний простір 2. Він поступово переходить у новий світний шар 3 (тліюче свічення), який має чітку межу з боку катода і поступово зникає з боку анода. За тліючим свіченням спостерігається знову темний проміжок 4, який називається другим, або фарадеєвим, темним простором. Решта трубки до анода заповнена червоним свіченням 5, яке дістало назву додатного стовпа.

У разі збільшення розрідження додатний стовп розпадається на окремі, розділені темними проміжками ділянки — страти, а потім картина починає помітно тьмяніти, темний

271

До насоса

Мал. 204

простір поширюється майже на всю трубку. Коли значення тиску становить близько 0,001 мм рт. ст., газ перестає світитися, а розташована проти катода ділянка скла помітно світиться жовто-зеленим світлом. Нарешті, за тиску менше 0,001 мм рт. ст. катодний темний простір поширюється в зону анода, і тліючий розряд припиняється. При цьому відсутнє будь-яке свічення газу і стінок трубки.

Колір світних шарів газового розряду залежить від самого газу. Світіння повітря має бузковий відтінок, неону — оранжево-червоний, аргону — зеленуватий тощо.

Тліючий розряд у розріджених газах знаходить широке застосування як джерело світла в різних газосвітних трубках. У лампах денного світла тліючий розряд звичайно відбувається в парі ртуті. Випромінювання ртутної пари поглинається шаром спеціальної речовини, нанесеної на внутрішню поверхню трубки, яка під дією поглинутого випромінювання світиться видимим світлом. Можна підібрати речовину, щоб вона світилася світлом, близьким до денного. Такі трубки в три-чотири рази економічніші за зврічайні лампи розжарення.

Газосвітні трубки застосовуються для рекламної і декоративної мети (для чого їм надають обрисів різних фігур і літер). Заповнюючи трубки різними газами (неоном, аргоном, криптоном тощо), можна дістати свічення різного кольору.

Тліючий розряд використовується також для катодного розпилення металів. Речовина катода у разі тліючого розряду внаслідок бомбардування позитивними йонами сильно нагрівається і поступово переходить у газоподібний стан, а потім осідає у вигляді металевого нальоту на стінках трубки. Поміщаючи в тліючому розряді поблизу катода різні предмети, їх можна покрити рівномірним шаром металу. Катодним розпиленням користуються для виготовлення високоякісних дзеркал.

Іскровий розряд. Самостійні електричні розряди можуть відбуватися в газах і за нормальних та великих тисків. Одним

272

із таких розрядів, якии має важливі застосування в техніці, є іскровий.

Якщо поступово збільшувати напругу між двома вміщеними в атмосферне повітря електродами, за певної напруги між електродами проскакує електрична іскра. Вона має вигляд тонкого, яскраво світного, зігнутого і розгалуженого шнура (мал. 205). При цьому іскровий розряд з величезною швидкістю пронизує проміжок між електродами, гасне і знову виникає, так що око бачить одну суцільну іскру. Розряд звичайно супроводжується характерним тріском і блакитнуватим свіченням.

Характерним прикладом потужного іскрового розряду є блискавка — електричний розряд між негативно зарядженою хмарою і позитивно зарядженою поверхнею землі або між двома хмарами, які мають різні потенціали. Максимальна сила струму в блискавці досягає десятків і сотень ампер, її тривалість порядку 10 :> с, різниця потенціалів між хмарою і землею іноді перевищує 15 • 107 В, а довжина блискавки може становити десятки кілометрів.

Якщо проміжок між електродами невеликий, іскровий розряд викликає специфічне руйнування анода, яке називається електричною ерозією. Явище електричної ерозії застосовується в техніці для обробки металів.

Коронний розряд. За атмосферного тиску в дуже неоднорідних електричних полях, наприклад поблизу проводів ліній високої напруги, спостерігається розряд, світна ділянка якого часто нагадує корону. Тому цей розряд і називають коронним.

поле. Якщо напруженість цього поля перевищить 3- 10е В/м, настає розряд і біля дротини винрікає свічення. Коли провідник заряджений негативно, наявні у повітрі позитивні й о н р і бомбардують його і врібивають електронрі. Ці електрони, потрапивши в с р і л ь н є електричне поле провідника, йонізують

Мал. 169

273

молекули повітря і спричиняють його свічення. У разі позитивного заряду провідника електричне поле розганяє наявні в повітрі (за рахунок різних йонізаторів) електрони поблизу цього провідника до такої швидкості, що вони можуть у результаті ударів йонізувати молекули. В міру віддалення від поверхні провідника напруженість швидко зменшується. Тому йонізація і пов'язане з нею свічення повітря спостерігаються лише поблизу провідника.

Іноді коронний розряд виникає в природі під впливом атмосферної електрики. Перед грозою чи під час неї нерідко на вістрях і гострих кутах високо піднятих предметів (вершинах дерев, шпилях башт, антенах тощо) спалахують схожі на китиці конуси свічення. В давнину це свічення дістало назву вогнів святого Ельма. Особливо часто це свічення спостерігається високо в горах.

Виникнення коронного розряду доводиться завжди враховувати в техніці високих напруг. Так, виникаючи на високовольтних лініях передач, такий розряд призводить до втрат електроенергії. Щоб коронний розряд не міг виникнути, провідники високовольтних ліній повинні мати досить великий діаметр, тим більший, чим вища напруга лінії.

Дуговий розряд. Якщо одержати іскровий розряд, а потім поступово зменшувати електричний опір кола, зменшуючи відстань між електродами, розряд перейде з переривчастого у безперервний — виникає новий вид газового розряду, який дістав назву дугового. При цьому сила струму різко зростає, досягаючи десятків і сотень амперів, а напруга на розрядному проміжку падає до кількох десятків вольтів.

Дуговий розряд можна одержати, обминувши стадію іскри. Для цього електроди зближують до дотику, в місцях контакту вони розжарюються струмом, потім їх розсовують і одержують між електродами електричну дугу. Основною причиною дугового розряду є інтенсивне випускання термоелектронів розжареним електродом. Ці електрони прискорюються електричним полем і здійснюють ударну йонізацію молекул газу. Важливе значення має при цьому також термічна йонізація молекул навколишнього середовища.

Від горіння дуги вугільний електрод загострюється, а на аноді утворюється заглиблення — кратер. Температура кратера за атмосферного тиску становить близько 4000 С, а під тиском 20 атм перевищує 7000 °С, тобто вища за температуру зовнішньої поверхні Сонця (близько 6000 С). Катод дуги має нижчу температуру, за атмосферного тиску його температура дорівнює приблизно 3500 С.

274

дається така піч із стального кожуха розміром в кілька метрів (мал. 206), викладеного зсередини вогнетривкою цеглою. Верхня частина печі знімна, подібна до кришки. Через отвори в ній пропускаються вугільні або графітові електроди, діаметр яких може перевищувати півметра. Горить дуга між електродами й металом. У дугових печах виплавляють сталь, чавун, бронзу та інші метали.

? 1. За яких умов виникає самостійний електричний розряд в газах? 2. Який механізм розвитку самостійного електричного розряду?

3. Чому електричний розряд між грозовою хмарою і Землею відбувається за дуже короткий час? 4. Які характерні ознаки дугового електричного розряду? 4. За яких умов виникає коронний

розряд?

§ 93Поняття про плазму

Розглядаючи електричні розряди в газах, ми говоримо про те, що газ у міжелектродному просторі сильно йонізований. За високого ступеня йонізації газ набуває нових властивостей і фактично є особливим станом речовини, відмінним від газоподібного, рідкого чи кристалічного. Тому такий сильно йонізований газ дістав назву плазми — четвертого стану речовини. Таким є, наприклад, стан газу в стовпі тліючого розряду, дуговому розряді, каналі іскрового розряду. Оскільки концентрація електронів та йонів у плазмі однакова, то сумарний об'ємний заряд у ній, як і в металах, дорівнює нулю. Це дуже важлива властивість плазми. Взагалі йонізований газ можна назвати плазмою тільки в тому випадку, коли він у цілому електрично нейтральний.

Властивості плазми як сильно йонізованого газу істотно відрізняються від властивостей слабо йонізованого, а тим більше нейонізованого газу. Які ж саме властивості плазми?

Звичайно ступінь йонізації газу в плазмі становить відсотки і навіть десятки відсотків. Тому плазма має дуже

275

велику електропровідність і за характером своєї електропровідності наближається до металів. Завдяки високій електропровідності плазма сильно взаємодіє із зовнішніми електричними і магнітними полями і саме ці поля сильно впливають на її властивості.

Плазма має деяку схожість зі звичайними газами і підлягає багатьом газовим законам. Проте між плазмою та звичайними газами є великі відмінності. У плазмі йони й електрони сильно взаємодіють між собою внаслідок дії кулонівських сил. Оскільки ці сили є більше далекодіючими (обернена пропорційність г2), ніж сили взаємодії між нейтральними молекулами (звичайно обернена пропорційність г7 для сил притягання), то плазма є своєрідним пружним середовищем, в якому можуть легко збуджуватися і поширюватися різноманітніші, ніж у звичайному газі, коливання і хвилі. Особливо різко відрізняється плазма від звичайного газу, коли є зовнішнє електричне або магнітне поле. В цьому випадку на частинки плазми (йони й електрони) діють збоку полів великі сили, яких не існує в газі нейтральних атомів і молекул.

Обидві ці обставини в поєднанні з великою електропровідністю плазми приводять до того, що властивості плазми за наявності електричних полів різко відрізняються від властивостей звичайних газів і рідин.

Одержують плазму не тільки за допомогою газового розряду. Всі методи йонізації газу (теплова, або термічна йонізація, фотойонізація за допомогою радіоактивного випромінювання тощо) можуть бути використані для добування плазми.

Газорозрядна плазма стійка лише за наявності електричного поля. З припиненням дії електричного поля майже миттєво зникає й газорозрядна плазма (внаслідок рекомбінації електронів і позитивних йонів). Газорозрядну плазму називають низькотемпературною — температура її становить близько 100 000 °С.

За надвисоких температур порядку мільйонів градусів атоми газу повністю йонізуються. Властивості такої високотемпературної плазми і способи її одержання набули останнім часом надзвичайно важливого значення у зв'язку з проблемою здійснення керованих термоядерних реакцій — реакцій злиття двох ядер дейтерію (одного з ізотопів Гідрогену) з утворенням ядер Гелію і тритію (також ізотопу Гідрогену), які супроводжуються виділенням величезних кількостей внутрішньоядерної енергії. Розв'язання проблеми керованих термоядерних реакцій відкрило б доступ людству

276

до величезних запасів енергії, зосередженої в ядрах елементів, широко розповсюджених у природі. Некерована термоядерна реакція є джерелом енергії у водневих бомбах.

Низькотемпературну плазму широко застосовують у різних газорозрядних приладах. Перспективним напрямом використання низькотемпературної плазми є створення магнітогідродинамічних генераторів (МГД-генераторів), принцип дії яких буде розглянуто пізніше.

Досить перспективним є також створення плазмових реактивних двигунів. Основна їх перевага — високі швидкості витікання робочого тіла (плазми).

Як відомо, сила тяги ракети визначається добутком маси викинутої речовини на швидкість її витікання. Під час розряду в газі можна одержати дуже високі температури, а значить, і високі швидкості витікання йонізованого газу, тому плазмовий реактивний двигун може значно економніше витрачати робочу речовину, досягаючи одночасно набагато більших швидкостей польоту. Основою плазмового двигуна є електричний розряд у газі або сукупність розрядів, внаслідок яких утворюється, а потім розганяється плазма.

Висновки

Електропровідність металів зумовлена вільними електронами. У металах майже всі атоми йонізовані, тому концентрація електронів провідності в них дуже висока. Сила струму в металевому провіднику І =

Опір металів у широких межах прямо пропорційний абсолютній температурі: В = Е0 (1 + аДТ). За температур, близьких до абсолютного нуля, багато металів і сплавів стають надпровідниками.

Опір напівпровідників різко змінюється під дією зовнішніх впливів — нагрівання, освітлення, а також завдяки введенню певних домішок. У напівпровідників існують два типи провідності: електронна, здійснювана електронами провідності, і діркова, створювана електронами, які беруть участь у взаємодії між атомами. Введенням відповідних домішок молена створити в напівпровіднику переважно електронну (тг-типу) або діркову (р-типу) провідність.

Контакт напівпровідників п- і р-типу гіо суті є діодом, який добре проводить струм в одному напрямі і майже не проводить у протилежному. Напівпровідники з двома р—/ьнереходами є тріодами транзисторами. Транзистори широко застосовують у радіотехніці для підсилення і генерації електричних коливань.

277

Електричний струм у вакуумі можна створити за рахунок введення в нього носіїв заряду. Для цього використовують електронну емісію. Струм через вакуумний діод проходить лише в тому випадку, коли розжарюваний електрод є катодом, а холодний — анодом. Вакуумний діод застосовують для випрямлення змінного струму.

За малих напруг сила струму у вакуумі зростає зі збільшенням напруги, але нелінійно. За певної напруги, коли всі випущені катодом електрони досягають анода, настає насичення. Дальше збільшення напруги не приводить до зростання сили струму.

Електропровідність водних розчинів електролітів зумовлена позитивними і негативними йонами (йонна провідність). Під час проходження струму крізь електроліти разом із зарядом переноситься і речовина. Маса речовини, що виділяється

Фарадея). Для електролітів, як і для металів, справедливий закон Ома.

Гази в звичайних умовах складаються з нейтральних молекул і не проводять електричний струм (є діелектриками). Внаслідок зовнішніх впливів (полум'я, ультрафіолетове і рентгенівське випромінювання тощо) відбувається йонізація газів і в них з'являються вільні носії заряду — електрони та йони обох знаків. Йонізація газу виникає також внаслідок зіткнень електронів з нейтральними атомами і молекулами.

Розряд, який зникає після припинення дії йонізатора, називають несамостійним. У разі самостійного розряду йони й електрони утворюються внаслідок йонізації електронним ударом, термоелектронної емісії тощо.

В розріджених газах розряд відбувається за нижчих напруг, ніж у газах за атмосферного тиску.

За умов великої концентрації заряджених частинок (понад 1018 частинок в 1 м3) газ утворює плазму. За температур 106—107 К будь-яка речовина перебуває в стані плазми. У високотемпературній плазмі можливі реакції термоядерного синтезу, за яких виділяється значна енергія.

і' ± 'к

Ви ознайомилися з особливостями проходження електричного струму в різних середовищах. Однак цим не завершується вивчення електродинаміки. Було розглянуто лише електромагнітні явища, пов'язані з нерухомими електричними зарядами (постійне електричне або електростатичне поле) і зарядами, що рухаються зі сталою швидкістю

278