11 класс
§ 11. Электрический ток в газах
Электрический разряд в газах.
Все газы (в том числе и воздух) в естественном состоянии не проводят электрический ток, т. е. являются изоляторами.
Исследования физических явлений опытным путём
Убедимся в этом на опыте. Возьмём электрометр с присоединёнными к его стержню и корпусу дисками плоского конденсатора, которые разделены воздушным промежутком (рис. 2.11).
Сообщим им разноимённые заряды с помощью источника высокого напряжения.
При комнатной температуре, если воздух достаточно сухой, конденсатор заметно не разряжается — положение стрелки электрометра не изменяется. Для того чтобы заметить уменьшение угла отклонения стрелки электрометра, требуется длительное время. Следовательно, электрический ток в воздухе между дисками очень мал. Изолирующие свойства воздуха (газов) объясняются отсутствием в нём свободных электрических зарядов: атомы и молекулы газов в естественном состоянии являются нейтральными.
Внесём в пространство между дисками зажжённую спиртовку (рис. 2.12).
Мы заметим, что угол отклонения стрелки электрометра быстро уменьшается, конденсатор разряжается. Таким образом, нагретый воздух между дисками стал проводником и в нём установился электрический ток.
Процесс протекания электрического тока через газы называют электрическим разрядом в газах.
Ионизация газов.
Рассмотренный опыт показывает, что в воздухе между дисками под действием пламени появились заряженные частицы. В ходе многочисленных исследований было установлено, что носителями электрических зарядов в газах являются ионы (как положительные, так и отрицательные) и электроны. Как они возникают?
При нагревании воздуха (газа) молекулы начинают двигаться быстрее. При этом некоторые молекулы могут двигаться так быстро, что часть из них при столкновениях распадается на положительно заряженные ионы и электроны (рис. 2.13).
Распад молекул газа на электроны и положительные ионы называют ионизацией газа.
Факторы, вызывающие ионизацию газа, называют ионизаторами. Нейтральные атомы или молекулы газа могут ионизироваться под воздействием рентгеновских и ультрафиолетовых лучей, излучения радиоактивных веществ и т. д. Чем выше температура, тем больше образуется ионов. Отрицательные ионы появляются благодаря присоединению электронов к нейтральным атомам или молекулам газа (рис. 2.14).
Процесс ионизации газа сопровождается противоположным ему процессом восстановления нейтральных молекул из разноимённо заряженных ионов (или из положительных ионов и электронов) вследствие их электрического (кулоновского) притяжения (рис. 2.15).
Такой процесс называют рекомбинацией заряженных частиц. При этом концентрация заряженных частиц в ионизированном газе сохраняется неизменной. Если прекратить действие ионизатора, то рекомбинация начнёт преобладать над ионизацией и число ионов уменьшится почти до нуля.
Механизм электропроводности газов.
При отсутствии внешнего электрического поля заряженные частицы, как и нейтральные молекулы, движутся хаотически. Если ионы и свободные электроны оказываются во внешнем электрическом поле, то они приходят в направленное движение и создают электрический ток в газах (рис. 2.16).
Электрический ток в газе представляет собой направленное движение положительных ионов к катоду, а отрицательных ионов и электронов — к аноду.
На электродах происходит нейтрализация заряженных частиц, как и при прохождении электрического тока через растворы и расплавы электролитов. Однако в газах отсутствует выделение веществ на электродах. Ионы газа, достигнув электродов, отдают им свои заряды, превращаются в нейтральные молекулы и диффундируют обратно в газ.
Несамостоятельный разряд.
В том случае, когда действует ионизатор, газовый разряд называют несамостоятельным. При прекращении действия ионизатора такой разряд прекратится, и газ перестанет быть проводником тока.
Для исследования зависимости силы тока от напряжения при несамостоятельном разряде в газе удобно использовать стеклянную трубку с двумя впаянными в стекло металлическими электродами. Соберём цепь по схеме, изображённой на рисунке 2.17.
Пусть с помощью какого-нибудь ионизатора, например за счёт воздействия рентгеновских лучей, в газе образуется ежесекундно определённое число пар заряженных частиц: электронов и положительных ионов.
При отсутствии напряжения на электродах (U = 0) гальванометр, включённый в цепь (см. рис. 2.17), покажет нуль (I = 0). При небольшой разности потенциалов между электродами трубки положительно заряженные ионы начнут перемещаться к отрицательному электроду (катоду), а электроны и отрицательно заряженные ионы — к аноду, т. е. возникнет газовый разряд. Однако вследствие рекомбинации не все образующиеся под действием ионизатора ионы достигнут электродов. Часть их, рекомбинируя, образует нейтральные молекулы.
По мере увеличения разности потенциалов между электродами трубки доля заряженных частиц, достигающих электродов, увеличивается, т. е. сила тока в цепи возрастает (рис. 2.18).
Объясняется это тем, что при большем напряжении между электродами ионы движутся с большей скоростью, поэтому им требуется меньше времени для воссоединения в нейтральные молекулы. Наконец, при некотором определённом напряжении наступает момент, при котором все заряженные частицы, образующиеся в газе под действием ионизатора за секунду, достигают за это же время электродов. Дальнейшее увеличение напряжения не приводит к увеличению числа переносимых ионов. Ток, как говорят, достигает насыщения (см. рис. 2.18, горизонтальный участок графика).
Таким образом, вольт-амперная характеристика при несамостоятельном разряде в газах является нелинейной, т. е. закон Ома для газов выполняется только при малых напряжениях.
Самостоятельный разряд.
Если после достижения насыщения продолжать увеличивать разность потенциалов между электродами, то сила тока при достаточно большом напряжении начнёт резко возрастать (рис. 2.19).
Это означает, что в газе появляются дополнительные ионы сверх тех, которые образуются за счёт действия ионизатора. Сила тока может возрасти в сотни и тысячи раз, а число заряженных частиц, возникающих в процессе разряда, может стать таким большим, что внешний ионизатор будет уже не нужен для поддержания разряда. Такой разряд называют самостоятельным.
Ионизация электронным ударом.
В чём состоит причина резкого увеличения числа заряженных частиц при больших напряжениях? Электрон, ускоряясь электрическим полем, на своём пути к аноду сталкивается с ионами и нейтральными молекулами. В промежутках между двумя последовательными столкновениями энергия электрона увеличивается за счёт работы сил электрического поля. Чем больше разность потенциалов между электродами, тем больше напряжённость электрического поля.
Кинетическая энергия электрона перед очередным столкновением пропорциональна напряжённости ноля и длине свободного пробега электрона (пути между двумя последовательными столкновениями):
Если кинетическая энергия электрона превосходит работу Ai, которую нужно совершить, чтобы ионизировать нейтральный атом (или молекулу), т. е.
то при столкновении электрона с атомом (или молекулой) происходит его (её) ионизация, называемая ионизацией электронным ударом.
Для её характеристики вводят потенциал ионизации Ui. Он представляет собой наименьшую разность потенциалов, которую должен пройти электрон в ускоряющем его электрическом поле, чтобы приобрести энергию, достаточную для ионизации невозбуждённого атома (или молекулы) электронным ударом. При этом Ai = eUi, Ui = El. В результате столкновения электрона с атомом (рис. 2.20) образуется ещё один электрон и положительный ион.
Таким образом, вместо одной заряженной частицы появляются три ион и два электрона. Эти электроны, в свою очередь, получают энергию в поле и ионизируют новые атомы и т. д. Вследствие этого число заряженных частиц очень быстро возрастает.
Описанный процесс имеет сходство с образованием снежной лавины в горах и поэтому получил название электронной (или ионной) лавины.
Но ионизация только электронным ударом не может обеспечить длительный самостоятельный разряд. Ведь все возникающие таким образом электроны движутся по направлению к аноду и по достижении анода «выбывают из игры». Для поддержания разряда необходима эмиссия (от лат. «imissio» — испускание) электронов с катода.
Вопросы:
1. Какое явление называют:
а) электрическим разрядом в газах;
б) ионизацией газа?
2. В чём состоит процесс рекомбинации заряженных частиц в газах?
3. Объясните механизм электропроводности газов.
4. Какой газовый разряд называют:
а) несамостоятельным;
б) самостоятельным?
5. Как возникает ионизация электронным ударом?
6. Что представляет собой потенциал ионизации? Как его можно определить?
Вопросы для обсуждения:
Помещая пламя спиртовки в зазор между пластинами заряженного конденсатора, присоединёнными к электрометру (см. рис. 2.12), можно видеть, что заряд конденсатора уменьшается.
Какой тип газового разряда при этом наблюдается?
Как изменится скорость разрядки конденсатора, если:
а) увеличить пламя спиртовки;
б) убрать спиртовку?
Пример решения задачи
Электрический пробой воздуха наступает при напряжённости электрического поля, модуль которой равен 3 МВ/м. Определите потенциал ионизации воздуха и скорость электронов перед ударом о молекулы, если длина свободного пробега электронов равна 5 мкм.
C учётом числовых данных
Ответ: Ui = 15 В; υ ≈ 2,3 ∙ 10 6 м/с.
Упражнения:
1. Плоский конденсатор подключён к источнику с напряжением 6 кВ. При каком расстоянии между пластинами произойдёт пробой, если ударная ионизация воздуха начинается при напряжённости электрического поля 3 МВ/м?
2. Потенциал ионизации атома ртути равен 10,4 В. Какой наименьшей скоростью должен обладать электрон, чтобы ионизировать атом ртути при ударе?
3. Электрон со скоростью 1,83 ∙ 106 м/с влетел в однородное ускоряющее электрическое поле. Какую разность потенциалов должен пройти электрон, чтобы ионизировать атом водорода, если энергия ионизации равна 2,18 ∙ 10 -18 Дж?
4. Молния представляет собой прерывистый разряд, состоящий из отдельных импульсов длительностью примерно 1 мс. Модуль заряда, проходящего по каналу молнии за один импульс, равен 20 Кл, а среднее напряжение на концах канала составляет 2 ГВ. Определите силу
тока и мощность одного импульса. Какая энергия выделяется при вспышке молнии, если она состоит из трёх разрядов?
