mozok.click » Фізика » Електричний струм у газах
Інформація про новину
  • Переглядів: 332
  • Автор: admin
  • Дата: 12-02-2018, 19:22
12-02-2018, 19:22

Електричний струм у газах

Категорія: Фізика

Механізм електропровідності газів. З курсу фізики 9-го класу нам відомо, що в природі гази є діелектриками, бо за цих умов у газах майже немає вільних носіїв заряду, рух яких міг би створити електричний струм. Проте, під зовнішнім впливом, наприклад високої температури, у газі з'являються заряджені частинки внаслідок відщеплення від атомів газу одного або декількох електронів. Як результат - замість нейтрального атома маємо позитивний йон і електрони. Частина електронів, що утворилися, може бути захоплена іншими нейтральними атомами, і тоді з’являться ще й негативні йони. Розпад молекул газу на електрони та йони називається йонізацією газів.

Нагрівання газу до високої температури не є єдиним способом йонізації молекул або атомів газу. Йонізація газу може відбуватися під впливом інших зовнішніх чинників: рентгенівських променів, променів, що виникають під час радіоактивного розпаду, космічних променів (фотойонізація).

Кількісною характеристикою процесу йонізації є інтенсивність йоніза ції, вимірювана кількістю пар протилежних за знаком заряджених частинок, що утворюються в одиниці об’єму газу за одиницю часу.

Йонізація атома вимагає витрати певної енергії - енергії йонізації. Для йонізації атома (чи молекули) необхідно виконати роботу проти сил взаємодії між вирваним електроном та іншими частинками атома (чи молекули). Ця робота називається роботою йонізації (А,). Величина роботи йонізації залежить від хімічної природи газу і енергетичного стану вирваного електрона в атомі або молекулі.



Після припинення дії йонізатора кількість йонів в газі з часом зменшується і, врешті-решт, йони зникають зовсім. Зникнення йонів пояснюється рекомбінацією. Йони й електрони беруть участь у тепловому русі, а тому стикаються один з одним. Зіткнувшись, позитивний йон й електрон можуть з’єднатися в нейтральний атом. Так само при зіткненні позитивного і негативного йонів негативний йон може віддати свій надлишковий електрон позитивному йону і обидва йони перетворяться на нейтральні атоми.

У процесі рекомбінації позитивного йона й електрона або двох йонів вивільняється певна енергія, рівна енергії, затраченій на йонізацію. Частково

вона випромінюється у вигляді світла, саме тому рекомбінація йонів супроводжується свіченням (свічення рекомбінації).

Йонізований газ є провідником.

Електричний струм, що проходить через газ, називають газовим розрядом.

Електричним струмом у газі є спрямований рух позитивних йонів до катода, а негативних йонів і електронів - до анода. Повний струм у газі складається з двох потоків заряджених частинок: потоку, що йде до анода, і потоку, спрямованого до катода. На електродах відбувається нейтралізація заряджених частинок, як і у випадку проходження електричного струму через розчини і розплави електролітів. Проте у газах відсутнє виділення речовин на електродах, як це має місце в розчинах електролітів. Газові йони, підійшовши до електродів, віддають їм свої заряди, перетворюючись на нейтральні молекули, і дифундують назад у газ. Ще одна відмінність струму в йонізованих газах від струму в розчинах (розплавах) електролітів полягає в тому, що негативний заряд в газах перенбситься переважно електронами, а не негативними йонами, хоча провідність за рахунок негативних йонів також може відігравати певну роль.

У газах поєднується електронна провідність, подібна до провідності металів, з йонною провідністю, подібною до провідності водних розчинів і розплавів електролітів.

Несамостійний та самостійний газові розряди. Розглянемо схему, зображену на мал. 91.

Між пластинами плоского конденсатора К міститься повітря під атмосферним тиском за кімнатної температури. Якщо до конденсатора прикладена напруга у декілька сотень вольт, а йонізатор S не працює, то гальванометр G струму не реєструє. Як тільки простір між пластинами конденсатора починає йонізуватися (наприклад, потоком ультрафіолетового випромінювання від джерела S), гальванометр починає реєструвати струм. Цей струм і є несамо cmiuHUM розрядом.

Отже, несамостійний розряд в газі є результатом перенесення заряду електронами, позитивними і негативними йонами, наявність і кількість яких зумовлені дією йонізатора (радіоактивного випромінювання, світла, космічних променів тощо), а також залежать від тиску газу і напруженості електричного поля в газовому проміжку.


Одночасно з процесом йонізації в газі протікає і протилежний процес рекомбінації йонів. Якщо до конденсатора не прикладена зовнішня напруга, то у певний момент часу в робочому об’ємі конденсатора встановлюється динамічна рівновага, за якої швидкість йонізації (кількість йонів, що утворюються в одиницю часу) стає рівною швидкості рекомбінації йонів. Якщо між пластинами конденсатора існує електричне поле, то частина йонів досягне пластин, інша частина рекомбінує. Із збільшенням напруги між пластинами конденсатора процес йонізації молекул газу починає переважати процес рекомбінації.

На мал. 92 зображено вольт амперну характеристику галового розряду. З малюнка видно, що за невеликих напруг сила струму лінійно залежить від напруги (ділянка ОА), отже тут справджується закон Ома. На ділянці АВ струм зростає повільніше - тут залежність нелінійна і закон Ома не виконується. Ділянка ВС характеризується струмом насичення /,, -максимальною силою струму, можливою за даних інтенсивності йонізації, тиску газу і на-пруженостіелектричного поля, коливсі утворені йони й електрони, не встигаючи рекомбінувати, досягають електродів. Якщо й далі підвищувати напругу, відбудеться пробій газового проміжку (ділянка СД) й несамостійний розряд перейде у самостійний, тобто такий газовий розряд, який відбувається й після припинення дії зовнішнього йонізатора.

Електричний розряд у газі, що зберігається після припинення дії зовнішнього йонізатора, називається самостійним газовим розрядом.

Які саме причини різкого збільшення сили струму за великої напруги? Розглянемо пару заряджених частинок (позитивний йон і електрон), що утворилася завдяки дії зовнішнього йонізатора. Вільний електрон, що з’явився у такий спосіб починає рухатися до позитивного електрода - анода, а позитивний йон - до катода. На своєму шляху електрон зустрічає йони і нейтральні атоми. У проміжках між двома послідовними зіткненнями енергія електрона збільшується за рахунок роботи сил електричного поля.

Чим більша різниця потенціалів між електродами, тим більша напруженість електричного поля Е . Кінетична енергія електрона перед черговим зіткненням пропорційна напруженості поля і довжині вільного пробігу

електрона


Якщо кінетична енергія електрона перевищує потенціал йонізації At, то, зіткнувшись з атомом або молекулою, він їх йонізує. У результаті замість одного електрона матимемо два (другий - вибитий з атома). Уже два електрони прискорюються полем та йонізують зустрічні атоми і т. д. Внаслідок цього кількість заряджених частинок швидко зростає, виникає електронна лавина (мал. 93). Що стосується йонів, то вони, рухаючись в електричному полі, також збільшують свою енергію.

Але повністю віддати її нейтральному атому (молекулі), тим самим йонізу-ючи його, йон не може, оскільки має масу сумірну з масою атома. Під час зіткнення відбувається лише передавання частини кінетичної енергії (як між більярдними шарами).

Описаний процес називають йонізаціею електронним ударом. Але сама йонізація електронним ударом не може забезпечити підтримку самостійного розряду. Справді, адже всі електрони, що виникають у такий спосіб, рухаються до анода і, після досягнення анода, ♦ вибувають з гри». Для підтримки розряду необхідна емісія електронів з катода, якої можна досягти кількома способами.

Дайте відповіді на запитання

1. Як відбувається йонізація газів? Наведіть приклади йонізаторів газу.

2. Поясніть вольт-амперну характеристику несамостійного розряду в газі.

3. Поясніть явище ударної йонізації.

4. Який розряд називають самостійним?






^