Загальна фізика / Теоретичні курси / Електрика та постійний електричний струм

Тлiючий розряд широко використовується в технiцi. Оскiльки свiчення позитивного стовпа має ха-

рактерний для кожного газу колiр, то його використовують в газосвiтних трубках для написiв i реклам,

(наприклад, неоновi газорозряднi трубки дають червоне свiчення, аргоновi синювато-зелене). У лам-

пах денного свiтла, економiчнiших, нiж лампи розжарювання, випромiнювання тлiючого розряду, що

вiдбувається в парах ртутi, поглинається нанесеною на внутрiшню поверхню трубки флуоресцiюючою

речовиною (люмiнофором), що починає пiд впливом поглиненого випромiнювання свiтитися. Спектр

свiчення при вiдповiдному пiдборi люмiнофорiв близький до спектру сонячного випромiнювання. Тлi-

ючий розряд використовується для катодного напилення металiв. Речовина катода в тлiючому розрядi

внаслiдок бомбардування позитивними iонами сильно нагрiвається i переходить в пароподiбний стан.

Розмiщаючи поблизу катода рiзнi предмети, їх можна покрити рiвномiрним шаром металу.

2. Iскровий розряд виникає при великих напруженостях електричного поля ( 3·106В/м) в газi,

що знаходиться пiд тиском порядку атмосферного. Iскра має вид тонкого каналу, що яскраво свiтиться,

складним чином зiгнутого i розгалуженого.

Пояснення iскрового розряду дається на основi стрiмерної теорiї, згiдно з якою виникненню кана-

лу iскри, що яскраво свiтиться, передує поява слабосвiтних скупчень iонiзованного газу стрiмерiв.

Стрiмери виникають не тiльки в результатi утворення електронної лавини за допомогою ударної iонiза-

цiї, але i в результатi фотонної iонiзацiї газу. Лавина, наздоганяючи одна одну, утворює провiднi мiстки

iз стрiмерiв, по яких в наступнi моменти часу i спрямовуються могутнi потоки електронiв, створюю-

чи канали iскрового розряду. В розглянутих процесах, через видiлення великої кiлькостi енергiї, газ в

iскровому промiжку нагрiвається до дуже високої температури (приблизно 104 К), що приводить до

його свiчення. Швидкий нагрiв газу веде до пiдвищення тиску i виникнення ударних хвиль, що пояс-

нюють звуковi ефекти при iскровому розрядi характерне потрiскування в слабких розрядах i могутнi

гуркоти грому у разi блискавки, що є прикладом могутнього iскрового розряду мiж грозовою хмарою

i Землею або мiж двома грозовими хмарами.

Iскровий розряд використовується для запалювання горючої сумiшi в двигунах внутрiшнього зго-

рання та оберiгання електричних лiнiй передачi вiд перенапружень (iскровi розрядники). При малiй

довжинi розрядного промiжку iскровий розряд викликає руйнування (ерозiю) поверхнi металу, тому

вiн застосовується для електроiскрової точної обробки металiв (рiзання, свердлення). Його використо-

вують в спектральному аналiзi для реєстрацiї заряджених частинок (iскровi лiчильники).

3. Дуговий розряд. Якщо пiсля запалення iскрового розряду вiд могутнього джерела поступово

зменшувати вiдстань мiж електродами, то розряд стає безперервним виникає дуговий розряд. При

цьому сила струму рiзко зростає, досягаючи сотень ампер, а напруга на розрядному промiжку падає

до декiлькох десяткiв вольт. Дуговий розряд можна одержати вiд джерела низької напруги минувши

стадiю iскри. Для цього електроди (наприклад, вугiльнi) зближують до зiткнення, вони сильно розжа-

рюються електричним струмом, потiм їх розводять i одержують електричну дугу (саме так вона була

вiдкрита В. В. Петровим). При атмосферному тиску температура катода приблизно дорiвнює 3900 К.

По мiрi горiння дуги вугiльний катод загострюється, а на анодi утворюється поглиблення кратер, що

є найгарячiшим мiсцем дуги.

За сучасними уявленнями, дуговий розряд пiдтримується за рахунок високої температури катода

через iнтенсивну термоелектронну емiсiю, а також термiчною iонiзацiєю молекул, обумовленою висо-

кою температурою газу. Дуговий розряд знаходить широке використання для зварки i рiзання металiв,

отримання високоякiсних сталей (дугова пiч) i освiтлення (прожектори, проекцiйна апаратура). Ши-

роко застосовуються також дуговi лампи з ртутними електродами в кварцевих балонах, де дуговий

розряд виникає в ртутнiй парi при вiдкачаному повiтрi. Дуга, що виникає в ртутнiй парi, є могутнiм

джерелом ультрафiолетового випромiнювання i використовується в медицинi (наприклад, кварцевi лам-

пи). Дуговий розряд при низькому тиску в парах ртутi використовується в ртутних випрямлячах для

випрямляння змiнного струму.

4. Коронний розряд високовольтний електричний розряд при високому (наприклад, атмосфер-

ному) тиску в рiзко неоднорiдному полi поблизу електродiв з великою кривизною поверхнi (наприклад,

вiстря). Коли напруженiсть поля поблизу вiстря досягає 30 кВ/см, то навкруги нього виникає свiчення,

що має вид корони, цим i викликана назва цього виду розряду. Залежно вiд знаку коронуючого елек-

троду розрiзняють негативну або позитивну корону. У разi негативної корони народження електронiв,

що викликають ударну iонiзацiю молекул газу, вiдбувається за рахунок емiсiї їх з катода пiд дiєю по-
зитивних iонiв, у разi позитивної внаслiдок iонiзацiї газу поблизу анода. В природних умовах корона
виникає пiд впливом атмосферної електрики на вершинах щогл (на цьому заснована дiя громовiдводiв),
дерев. Шкiдлива дiя корони навкруги дротiв високовольтних лiнiй передачi виявляється у виникненнi
шкiдливих струмiв витоку. Для їх зниження дроти високовольтних лiнiй робляться товстими. Коронний
розряд, будучи переривистим, стає також джерелом радiоперешкод.
Використовується коронний розряд в електрофiльтрах для очищення промислових газiв вiд домi-
шок. Газ, що очищається, рухається у вертикальному цилiндрi, по осi якого розташований коронуючий
дрiт. Iони, що є у великiй кiлькостi в зовнiшнiй частинi корони, осiдають на частинках домiшок i за-
хоплюються полем до зовнiшнього некоронуючого електрода i на ньому осiдають. Коронний розряд
застосовується також при нанесеннi порошкових i лакофарбних покриттiв.
3.7. Плазма та її властивостi
Плазмою називається сильно iонiзованний газ, в якому концентрацiї позитивних i негативних зарядiв
практично однаковi. Розрiзняють високотемпературну плазму, що виникає при надвисоких тем-
пературах, i	газорозрядну плазму, що виникає при газовому розрядi. Плазма характеризується
ступенем iонiзацiї α вiдношенням числа iонiзованних частинок до повного їх числа в одиницi
об’єму плазми. Залежно вiд величини α говорять про слабо (α складає частки вiдсотка), помiрно (α
декiлька вiдсоткiв) i повнiстю (α близько до 100%) iонiзованої плазми.
Зарядженi частинки (електрони, iони) газорозрядної плазми, знаходячись в прискорюючому елек-
тричному полi, мають рiзну середню кiнетичну енергiю. Це означає, що температура Te електронного
газу одна, а iонного Ti iнша, причому Te > Ti. Невiдповiднiсть цих температур указує на те, що
газорозрядна плазма є нерiвноважною, тому вона називається також неiзотермiчною. Спад числа
заряджених частинок в процесi рекомбiнацiї в газорозряднiй плазмi поповнюється ударною iонiзацiєю:
електронами, прискореними електричним полем. Припинення дiї електричного поля приводить до зник-

нення газорозрядної плазми.

Високотемпературна плазма є рiвноважною, або iзотермiчною, тобто при певнiй температурi

спад числа заряджених частинок поповнюється в результатi термiчної iонiзацiї. В такiй плазмi дотри-

мується рiвнiсть середнiх кiнетичних енергiй рiзних частинок, що складають плазму. В станi подiбної

плазми знаходяться зiрки, зорянi атмосфери, Сонце. Їх температура досягає десяткiв мiльйонiв гра-

дусiв.

Умовою iснування плазми є деяка мiнiмальна густина заряджених частинок, починаючи з якої мож-

на говорити про плазму як таку. Ця густина визначається у фiзицi плазми з нерiвностi L D, де L

лiнiйний розмiр системи заряджених частинок, D так званий дебаєвськiй радiус екранування,

що є тiєю вiдстанню, на якiй вiдбувається екранування кулонiвського поля будь-якого заряду плазми.

Плазма має такi основнi властивостi: висока ступiнь iонiзацiї газу, аж до повної iонiзацiї; рiвнiсть

нулю результуючого просторового заряду (концентрацiя позитивних i негативних частинок в плазмi

практично однакова); велика електропровiднiсть, причому струм в плазмi створюється в основному

електронами, як найрухомiшими частинками; свiченням; сильна взаємодiя iз електричним i магнiтним

полями; коливання електронiв у плазмi з великою частотою 108 Гц, що викликають загальний вiбра-

цiйний стан плазми; "колективна" одночасна взаємодiя величезного числа частинок (у звичних газах

частинки взаємодiють одна з одною попарно). Цi властивостi визначають якiсну своєрiднiсть плазми,

що дозволяє вважати її особливим, четвертим, станом речовини.

Вивчення фiзичних властивостей плазми дозволяє, з одного боку, вирiшувати багато проблем аст-

рофiзики, оскiльки в космiчному просторi плазма найпоширенiший стан речовини, а з iншого

вiдкриває принциповi можливостi здiйснення керованого термоядерного синтезу. Основним об’єктом

дослiджень по керованому термоядерному синтезу є високотемпературна плазма (≈ 108 К) з дейтерiю

i тритiю.

Низькотемпературна плазма (< 105 К) застосовується в газових лазерах, в термоелектронних пе-

ретворювачах i магнiтогiдродинамiчних генераторах (МГД-генераторах) установках для безпосеред-

нього перетворення теплової енергiї в електричну, в плазмових ракетних двигунах, перспективних для

тривалих космiчних польотiв.

Низькотемпературна плазма, яка одержується в плазмотронах, використовується для рiзання i зварки металiв, для отримання деяких хiмiчних з’єднань (наприклад, галогенiдiв iнертних газiв), якi не вдається одержати iншими способами, i т. iн.

3.8.Питання для самоконтролю теоретичної пiдготовки

•Порiвняйте порядок середнiх швидкостей теплового i впорядкованого руху електронiв в металах (за умов, близьких до нормальних i прийнятних в електротехнiцi.

•Чому тепловий рух електронiв не може привести до виникнення електричного струму?

•Якi iснують рiзновиди емiсiйних явищ? Дайте їх визначення.

•Виведiть на основi класичної теорiї електропровiдностi металiв диференцiальну форму законiв Ома i Джоуля Ленца.

•Як класична теорiя електропровiдностi металiв пояснює залежнiсть опору металiв вiд температури?

•У чому полягають труднощi елементарної класичної теорiї електропровiдностi металiв? Якi межi її використання?

•Пояснiть вольт-амперну характеристику для вакуумного дiода.

•Що називається роботою виходу електрона?

•Чи можна змiнювати силу струму насичення вакуумного дiода? Якщо так, то як?

•Яким чином можна вирвати електрони з холодного катода? Як називається це явище?

•Дайте пояснення якiсної залежностi коефiцiєнта вторинної електронної емiсiї дiелектрика вiд енергiї падаючих електронiв.

•До якого типу газового розряду вiдноситься блискавка?

•Чи може виникнути струм насичення при самостiйному газовому розрядi?

•Охарактеризуйте типи самостiйного газового розряду. У чому їх особливостi?

•Охарактеризуйте процес iонiзацiї; рекомбiнацiї.

•У чому вiдмiннiсть самостiйного газового розряду вiд несамостiйного? Якi умови, необхiднi для його iснування?

•У чому вiдмiннiсть рiвноважної плазми вiд нерiвноважної?

•Приведiть основнi властивостi плазми. Якi можливостi її використання?

3.9.Задачi для самоконтролю практичної пiдготовки

13.1. Концентрацiя електронiв провiдностi в металi дорiвнює 2,6·1022 см−3. Визначити середню швидкiсть їх впорядкованого руху при густинi струму 1 А/мм2. [25 мм/с]

13.2Робота виходу електрона з вольфраму складає 4.5 еВ. Визначити, у скiльки разiв збiльшиться густина струму насичення при пiдвищеннi температури вiд 2000 до 2500 К. [У 290 разiв]

13.3.Робота виходу електрона з металу дорiвнює 2,5 еВ. Визначити швидкiсть електрона, що вилiтає

зметалу, якщо вiн володiє енергiєю 10−18 Дж. [1,15 Мм/с]

13.4.Повiтря мiж пластинами плоского конденсатора iонiзується рентгенiвським випромiнюванням. Сила струму, що проходить мiж пластинами, 10 мкА. Площа кожної пластини конденсатора дорiвнює

200 см3, вiдстань мiж ними 1 см, рiзниця потенцiалiв 100 В. Рухливiсть позитивних iонiв b+ = 1,4 см2/(В·с) i негативних b− = 1,9 см2/(В·с); заряд кожного iона дорiвнює елементарному заряду. Визначити концентрацiю пар iонiв мiж пластинами, якщо струм далекий вiд насичення. [9,5 1014 м−3]

13.5.Струм насичення при несамостiйному розрядi дорiвнює 9,6 пА. Визначити число пар iонiв, створюваних в 1 с зовнiшнiм iонiзатором. [3·107]