фізика / 2 семестр 1 атестація К9 / тема 8 Ел струм різні серд / заняття 37
.docЗаняття 37
Електричний струм у газах
Мета: ознайомити з провідністю газів, газовим розрядом, самостійним та несамостійним, ознайомитися з четвертим станом речовини, з галузями застосування газового розряду.
-
Іонізація і провідність газів.
-
Несамостійний і самостійний розряд.
-
Тліючий, іскровий і дуговий розряди.
-
Плазма.
Ключові слова: іонізація, розряд, рекомбінація, струм насичення ударна іонізація, плазма, властивості плазми.
Іонізація і провідність газів
Приєднаємо до електрометру заряджений плоский повітряний конденсатор. При сухому повітрі конденсатор не розряджається. Провідність повітря при кімнатній температурі мала, і його можна вважати діелектриком. Нагріте повітря є провідником. Якщо запалити сірник і піднести її між пластинами конденсатора, то конденсатор розрядиться.
Процес протікання електричного струму через газ називається газовим розрядом.
За звичних умов гази майже повністю складаються з нейтральних атомів або молекул і, отже, є діелектриками. Унаслідок нагрівання або дії випромінюванням частина атомів іонізується - розпадається на позитивно заряджені іони і електрони. Негативні іони з'являються завдяки приєднанню електронів до нейтральних атомів. При нагріванні деякі молекули рухаються так швидко, що частина з них при зіткненнях розпадається, перетворюючись на іони і електрони. Тому в приміщеннях, де працюють прилади з випромінюванням, вжиті заходи по іонізуючій безпеці.
Провідність газів схожа на механізм провідності розчинів і розплавів електролітів, тільки негативний заряд переноситься в основному не негативними іонами, як у водних розчинах, а електронами. Таким чином, в газах поєднується електронна і іонна провідність. Є ще одна відмінність: в розчинах утворення електролітів відбувається унаслідок ослаблення внутрішньо молекулярних зв'язків під дією молекул розчинника (молекул води); в газах утворення іонів відбувається або при нагріванні, або за рахунок зовнішніх іонізаторів (наприклад, випромінюванні).
Після припинення дії газ перестає бути провідником. Струм припиняється, після того, як всі іони і електрони досягають електроди або при зближенні вони знов утворюють нейтральний атом, тобто після процесу рекомбінації заряджених частинок.
Несамостійний і самостійний розряд
Візьмемо трубку з двома електродами, заповнену газом. Хай за допомогою іонізатора в газі щомить утворюється певне число пар заряджених частинок: позитивних іонів і електронів. При невеликій різниці потенціалів в трубці виникає електричний струм, тобто відбувається газовий розряд. Не всі іони досягають електродів, вони можуть рекомбінувати. У міру збільшення різниці потенціалів частка заряджених частинок, що досягли електродів, збільшується. Нарешті, наступає такий момент, коли всі заряджені частинки, що утворюються в газі за секунду, досягають за цей час електрод. Струм досягає насичення.
Несамостійний розряд - це розряд, дія якого припиняється після дії іонізатора.
Розряд до струму насичення є несамостійним.
Досвід показує, що, починаючи з деякої напруги, сила струму знову росте. Це означає, що в газі з'являються додаткові іони, окрім тих, що з'явилися за рахунок іонізації. Якщо іонізуюче дію прибрати, то розряд не припиниться, і його називають самостійним.
При великій напрузі електрон розгониться електричним полем і досягає енергії, достатньої для вибивання електронів з нейтрального атома. Внаслідок цього число заряджених частинок різко зростає, виникає електронна лавина. Описаний процес називається іонізацією електронним ударом.
Тривалий самостійний розряд забезпечується емісією електронів з катода при ударах швидких іонів об катод.
Тліючий, іскровий і дуговий розряди
Тліючий розряд виникає в трубці при низькому тиску і високій напрузі. Прикладом можуть служити трубки для реклам, лампи денного світла, газові лазери.
Електрична дуга або дуговий розряд виникає при нормальному тиску між двома електродами у вигляді стовпа світла, що яскраво світить.
Коронний розряд виникає при атмосферному тиску поблизу загострених ділянок провідника.
Іскровий розряд виникає при великій напрузі між електродами.
При всіх видах розрядів в газах виникає плазма.
Плазма
При достатньо великих температурах починається іонізація газу за рахунок зіткнень швидко рухомих атомів і молекул. Речовина переходить в нове полягання, зване четвертим поляганням речовини.
Плазма - це частково або повністю іонізований газ, в якому густина позитивних і негативних зарядів практично співпадає. Таким чином, плазма - це електрично нейтральна система в цілому. Низькотемпературна плазма може бути викликаний різними випромінюваннями або бомбардуванням атомів газу швидкими зарядженими частинками.
Через велику рухливість заряджені частинки плазми легко переміщаються під дією електричного і магнітного полів. Виникаючі електричні поля (унаслідок порушення нейтральності) переміщають заряджені частинки до тих пір, поки електрична нейтральність не відновиться, і електричне поле не стане рівним нулю (прагнення плазми до електричної нейтральності).
Між зарядженими частинками плазми діють кулонівські сили, що порівняно поволі убувають з відстанню. Кожна частинка взаємодіє відразу з великою кількістю навколишніх частинок. Завдяки цьому разом з безладним (тепловим) рухом частинки плазми можуть брати участь в різноманітних впорядкованих (колективних) рухах. В плазмі легко збуджуються різного роду коливання і хвилі.
При високій температурі повністю іонізована плазма по своїй провідності наближається до надпровідників.
У космічному просторі в стані плазми знаходиться 99% речовини Всесвіту: Сонце і зірки. Простір між зірками і галактиками заповнений плазмою з густиною менше одного атома на 1 см3, викликаної випромінюванням зірок і космічним промінням. Це плазма малої температури.
Навкруги планети на висоті 100-300 км розташовується іоносфера, викликана випромінюванням Сонця і потоком заряджених частинок, Сонцем, що випускається. Вище розташовуються радіаційні пояси - плазма.
Питання для закріплення матеріалу
-
Що називається іонізацією?
-
Провідність газу? Що є носіями струму у газах?
-
Що називається газовим розрядом?
-
Що називається самостійним розрядом?
-
Що називається несамостійним розрядом?
-
Яки самостійні розряди ви знаєте і коли вони виникають? Наведіть приклади.
-
Що називається плазмою?
Вправа 37
1. Яка сила струму насичення при несамостійному газовому розряді, якщо іонізатор утворює 109 пар іонів в одному кубічному сантиметрі, площа кожного з двох плоских паралельних електродів 100 см2 а відстань між ними 5 см?
2. Як зміниться сила струму насичення , якщо при незмінній дії іонізатора зблизити пластини?
3. При якій напруженості поля почнеться самостійний розряд у повітрі, якщо енергія іонізації молекул дорівнює 2,4.10-18 Дж, а довжина вільного пробігу 5 мкм? Яка швидкість електронів при ударі об молекулу?