Несамостійний і самостійний розряди

Опишіть коротко механізм провідності твердих і рідких тіл, а також струму у вакуумі.

Нагрітий газ є провідником і в ньому встановлюється електричний струм
Електричний розряд в газі. Візьмемо електрометрії з приєднаними до нього дисками плоского конденсатора і зарядимо його (рис. 16.26, а). При кімнатній температурі, якщо повітря досить сухий, конденсатор розряджається дуже повільно.

Це показує, що електричний струм, викликаний різницею потенціалів в повітрі між дисками, дуже малий. Отже, електрична провідність повітря при кімнатній температурі мала і повітря можна вважати діелектриком.

Тепер нагріємо повітря між дисками палаючим сірником (рис. 16.26, б). Зауважимо, що стрілка електрометра швидко наближається до нуля, значить, конденсатор розряджається. Отже, нагрітий газ є провідником і в ньому встановлюється електричний струм.

Запам’ятай
Процес проходження електричного струму через газ називають газовим розрядом.

Іонізація газів
Іонізація газів. При звичайних умовах гази майже повністю складаються з нейтральних атомів або молекул і, отже, є діелектриками. Внаслідок нагрівання або впливу випромінюванням частина атомів ионизуется (рис. 16.27).

У газі можуть утворюватися і негативні іони, які з’являються завдяки приєднанню електронів до нейтральних атомів.

Запам’ятай
Процес розпаду атомів і молекул на іони і електрони називається іонізацією.

При кімнатній температурі повітря є дуже поганим провідником. При нагріванні провідність повітря зростає. Збільшення провідності повітря можна викликати і іншими способами, наприклад дією випромінювань: ультрафіолетового, рентгенівського, радіоактивного та ін.

Іонізація газів при нагріванні пояснюється тим, що в міру нагрівання молекули рухаються все швидше і швидше. При цьому деякі молекули починають рухатися так швидко, що частина з них при зіткненнях розпадається, перетворюючись на іони. Чим вище температура, тим більше утворюється іонів.

Провідність газів. Механізм провідності газів схожий на механізм провідності розчинів і розплавів електролітів. Різниця полягає в тому, що негативний заряд переноситься в основному не негативними іонами, як у водних розчинах чи розплавах електролітів, а електронами.

Важливо
Таким чином, в газах поєднується електронна провідність, подібна провідності металів, з іонною провідністю, подібної провідності водних розчинів або розплавів електролітів. Є ще одна відмінність. У розчинах електролітів утворення іонів відбувається внаслідок ослаблення внутрішньомолекулярних зв’язків під дією молекул розчинника (молекул води). У газах утворення іонів відбувається або при нагріванні, або за рахунок дії зовнішніх іонізаторів, наприклад випромінювань.

Рекомбінація
Рекомбінація. Якщо іонізатор перестане діяти, то можна помітити, що заряджений електрометрії знову буде зберігати заряд. Це показує, що після припинення дії іонізатора газ перестає бути провідником. Струм припиняється після того, як всі іони і електрони досягнутий електродів. Крім того, при зближенні електрона і позитивно зарядженого іона вони можуть знову утворити нейтральний атом. Схематично це зображено на малюнку (16.28).

Запам’ятай
Процес утворення з іонів і електронів нейтральних атомів і молекул називають рекомбінацією заряджених частинок.

У відсутність зовнішнього поля заряджені частинки зникають лише внаслідок рекомбінації, і газ стає діелектриком. Якщо дія іонізатора не переривається, то встановлюється динамічна рівновага, при якому середнє число знову утворюються пар заряджених частинок дорівнює середньому числу пар, зникаючих внаслідок рекомбінації. Розряд в газі може відбуватися і без зовнішнього іонізатора.

Несамостійний розряд. Для дослідження розряду в газі при різних тисках зручно використовувати скляну трубку з двома електродами (рис. 16.29).

Запам’ятай
Якщо дія іонізатора припинити, то припиниться і розряд. Такий розряд називають несамостійним розрядом.
Нехай за допомогою якого-небудь іонізатора в газі утворюється в секунду певне число пар заряджених частинок: позитивних іонів і електронів.

При невеликої різниці потенціалів між електродами трубки позитивно заряджені іони переміщуються до негативного електроду, а електрони і негативно заряджені іони – до позитивного електрода. У результаті в трубці виникає електричний струм, т. Е. Відбувається газовий розряд.

Струм досягає насичення
Не всі утворюються іони досягають електродів; частина їх возз’єднується з електронами, утворюючи нейтральні молекули газу. У міру збільшення різниці потенціалів між електродами трубки частка заряджених частинок, що досягають електродів, збільшується. Зростає і сила струму в ланцюзі. Нарешті настає момент, при якому всі заряджені частинки, що утворюються в газі за секунду, досягають за цей час електродів. При цьому подальшого зростання сили струму не відбувається (рис. 16.30). Струм досягає насичення.

Самостійний розряд. Що буде відбуватися з розрядом в газі, якщо продовжувати збільшувати різницю потенціалів на електродах?

Самостійний розряд
Здавалося б, сила струму і при подальшому збільшенні різниці потенціалів повинна залишатися незмінною. Проте досвід показує, що в газах при збільшенні різниці потенціалів між електродами, починаючи з деякого її значення, сила струму знову зростає (рис. 16.31). Це означає, що в газі з’являються додаткові іони крім тих, які утворюються за рахунок дії іонізатора. Сила струму може зрости в сотні і тисячі разів, а число іонів, що виникають у процесі розряду, може стати таким великим, що зовнішній іонізатор буде вже не потрібен для підтримки розряду. Якщо прибрати зовнішній іонізатор, то розряд може не припинитися.

Запам’ятай
Розряд, що відбувається в газі без зовнішнього іонізатора, називається самостійним розрядом.

Іонізація електронним ударом. Які ж причини різкого збільшення сили струму в газі при великих напругах?

Розглянемо яку-небудь пару заряджених частинок (позитивний іон і електрон), що утворилася завдяки дії зовнішнього іонізатора. З’явився таким чином вільний електрон починає рухатися до позитивного електрода – анода, а позитивний іон – до катода. На своєму шляху електрон зустрічає іони і нейтральні атоми. У проміжках між двома послідовними зіткненнями кінетична енергія електрона збільшується за рахунок роботи сил електричного поля. Чим більше різниця потенціалів між електродами, тим більше напруженість електричного поля.

У результаті замість одного вільного електрона утворюються два (налетающий на атом і вирваний з атома).

Ці електрони, в свою чергу, отримують енергію в поле і ионизуют зустрічні атоми і т. Д. Число заряджених частинок різко зростає, виникає електронна лавина.

Але одна іонізація електронним ударом не може забезпечити тривалий самостійний розряд. Дійсно, адже всі виникаючі таким чином електрони рухаються у напрямку до анода і по досягненні анода «вибувають з гри». Для існування розряду необхідна емісія електронів з катода (нагадаємо, що слово емісія означає «випускання»). Емісія електронів може бути обумовлена ​​декількома причинами. Позитивні іони, що утворилися при зіткненні вільних електронів з нейтральними атомами, при своєму русі до катода набувають під дією поля велику кінетичну енергію. При ударах таких швидких іонів про катод з поверхні останнього вибиваються електрони.

Крім того, катод може випускати електрони при нагріванні його до високої температури. При самостійному розряді нагрів катода може відбуватися за рахунок бомбардування його позитивними іонами, що відбувається, наприклад, при дуговому розряді.

Отже, в газах при великих напруженості електричного полів електрони досягають таких великих енергій, що починається іонізація електронним ударом. Розряд стає самостійним і продовжується без зовнішнього іонізатора.

Author: Олександр
Фанат своєї справи і просто крутий чувак.