Фізика і астрономія. Рівень стандарту. 11 клас. Головко

§ 11. Електричний струм у газах та його застосування. Плазма

Опрацювавши цей параграф, ви зможете пояснювати природу електричного струму в газах, особливості несамостійного та самостійного газових розрядів, оцінювати перспективи їх використання в техніці.

ЙОНІЗАЦІЯ ГАЗУ. НЕСАМОСТІЙНИЙ ГАЗОВИЙ РОЗРЯД. Із курсу фізики та власного досвіду ви знаєте, що гази є діелектриками. Цю властивість можна спостерігати в будь-якій кімнаті: повітря не проводить електричний струм, підведений до розеток. Тобто за звичайних умов у газах майже відсутні вільні носії заряду, які б створювали електричний струм. Підтверджується цей висновок і дослідом із двома зарядженими різнойменно металевими пластинами та електрометром (рис. 11.1).

Рис. 11.1. За звичайних умов у повітрі майже відсутні вільні носії заряду, які б створювали електричний струм

Якщо пластини розташувати паралельно та з'єднати одну зі стрижнем електрометра, а іншу з його корпусом (рис. 11.1, а), то можна помітити, що електрометр не розряджається. Молекули газів, які утворюють повітря, у природному стані є електрично нейтральними.

Якщо нагрівати повітря між пластинами полум'ям спиртівки (рис. 11.1, б), то кут відхилення стрілки електрометра буде зменшуватися, що вказує на зменшення різниці потенціалів між пластинами. Тобто нагріте повітря між пластинами стало провідником електричного заряду.

Під час нагрівання газу відбувається йонізація його молекул чи атомів, у результаті чого утворюються вільні електрони та позитивні йони. Деякі електрони можуть приєднуватися до нейтральних атомів та утворювати негативні йони.

Електричний струм у газах створюється позитивними і негативними йонами та вільними електронами.

Йонізація газу може відбуватися не тільки під час нагрівання, а й під впливом ультрафіолетового, рентгенівського, радіоактивного, космічного випромінювання. Такий процес називається фотойонізацією. Чинники, що зумовлюють йонізацію газу, називаються йонізаторами.

Явище виникнення електричного струму в газі під дією йонізатора називається несамостійним розрядом.

Особливістю несамостійного розряду в газі є те, що він з часом припиняється. Якщо йонізатор перестає діяти, кількість носіїв заряду з часом зменшується, оскільки вільні електрони та позитивні йони можуть об'єднуватися в нейтральні атоми. Так само негативні йони можуть віддавати надлишковий електрон позитивним йонам, тобто рекомбінувати. Відповідно, й струм із часом припиняється.

Зверніть увагу! Пропонуємо вам ознайомитися з особливостями залежності струму від прикладеної напруги під час газового розряду (вольт-амперною характеристикою — ВАХ).

САМОСТІЙНИЙ РОЗРЯД У ГАЗІ ТА ЙОГО ЗАСТОСУВАННЯ В ТЕХНІЦІ Й ТЕХНОЛОГІЯХ. Включимо в електричне коло замість повітряного конденсатора скляний балон, заповнений газом, що має два електроди (рис. 11.2.).

Рис. 11.2. Умови виникнення самостійного розряду в газі

Якщо напругу між електродами збільшувати, то сила струму може зрости в сотні й тисячі разів, а кількість заряджених частинок, що виникають у процесі розряду, може збільшитися настільки, що для його підтримки не буде вже потрібний зовнішній йонізатор.

Електричний розряд у газі, що зберігається після припинення дії зовнішнього йонізатора, називають самостійним.

На відміну від електролітів, під час проходження електричного струму в газах не відбувається виділення речовин на електродах. На них здійснюється нейтралізація заряджених частинок. Газові йони віддають електродам власні заряди, перетворюються на нейтральні молекули і дифундують знову в газ.

Основними видами самостійного розряду в газах є тліючий, коронний, іскровий розряди, електрична дуга.

Дуговий розряд використовують в електрозварюванні — процесі, у якому за рахунок тепла, що виділяється електричною дугою між електродом і поверхнею металу, метал починає плавитися.

Температура в місці зварювання за атмосферного тиску досягає 4000 °С.

Детальніше...

Борис Євгенович Патон (нар. 1918 р.), президент НАН України, директор Інституту електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, всесвітньо відомий учений у галузі технологій електрозварювання

Євген Оскарович Патон (1870—1953), український інженер, засновник Інституту електрозварювання HAH України. Здійснив дослідження наукових основ електрозварювання, розрахунку й міцності зварних конструкцій, механізації зварювальних процесів

Україна є світовим лідером сучасного електрозварювання. Учені Інституту електрозварювання НАН України імені Є. О. Патона розробили методи зварювання, які широко використовуються в різних галузях техніки, а також унікальні технології електрозварювання в різних середовищах, зокрема під водою та в космосі, а також технологію зварювання м'яких тканин. Сьогодні Інститут очолює всесвітньо відомий учений, президент НАН України, академік Борис Євгенович Патон (син Є. О. Патона). Сайт інституту елктрозварювання: http://paton.kiev.ua/

ПЛАЗМА ТА ЇЇ ВЛАСТИВОСТІ. При високих температурах (у декілька десятків тисяч Кельвінів) більшість атомів будь-якого газу будуть йонізованими. Наприклад, за T = 30 000 К на 20 000 позитивних йонів припадає лише один нейтральний атом. При цьому газ переходить у стан, який називають плазмою.

Електронна оболонка атома Гідрогену містить тільки один електрон, а тому з його втратою йонізація завершується. В атомах інших елементів електронна оболонка містить електрони, що мають різні зв'язки з атомом. Чим більший порядковий номер елемента, тим більша кількість електронів у атомі і тим міцніші зв'язки вони мають з атомним ядром. Повна йонізація важких елементів можлива лише за надвисоких температур (десятки мільйонів Кельвінів). За таких умов подальша йонізація відбувається за рахунок зіткнення атомів або молекул, які швидко рухаються. Майже всі речовини за поступового підвищення їх температури послідовно проходять твердий, рідкий, газоподібний стани і перетворюються в плазму.

Плазма існує у вигляді сонячного вітру, що заповнює магнітосферу та іоносферу Землі. Вони захищають її від жорсткого космічного випромінювання та забезпечують стійкий радіозв'язок (рис. 11.3).

Рис. 11.3. Зміна форми магнітного поля Землі під дією сонячного вітру

Під дією сонячного вітру відбувається йонізація атомів і молекул газів, що входять до складу атмосфери Землі, зумовлюючи магнітні бурі. Випромінювання збуджених атомів спостерігається як полярне сяйво.

! Головне в цьому параграфі

Електричний струм, що проходить через газ, називають газовим розрядом. Електричний розряд у газі, що зберігається після припинення дії зовнішнього йонізатора, називається самостійним.

Широкого застосування в техніці та технологіях набув дуговий розряд, який є основою електрозварювання.

Плазма — це четвертий агрегатний стан речовини. Більшість атомів будь-якого газу у стані плазми є йонізованими.

? Знаю, розумію, вмію пояснити

1. Чим зумовлений електричний струм у газах? 2. Як відбувається йонізація газів? 3. Наведіть приклади йонізаторів газу. 4. Який розряд називають самостійним? За яких умов він виникає та підтримується? 5. Поясніть основні відмінності несамостійного та самостійного розрядів у газах. 6. Які особливості протікання електричного струму в газах порівняно зі струмом у металах та електролітах? 7. Назвіть основні види самостійного газового розряду, опишіть їх прояв у природі та використання в техніці і технологіях. 8. Що називають плазмою та які властивості відрізняють її від газу? 9. Чим відрізняється високотемпературна плазма від низькотемпературної? 10. Наведіть приклади речовини, яка перебуває в стані плазми у Всесвіті.