Електричний струм у газах

1-й семестр

ЕЛЕКТРОМАГНІТНІ ЯВИЩА

2. Електричний струм

Урок 28/34

Тема. Електричний струм у газах

Мета уроку: роз’яснити учням фізичну природу електропровідності газів.

Тип уроку: урок вивчення нового матеріалу.

План уроку

Контроль знань	5 хв.	1. Яка природа носіїв заряду в електролітах? 2. Що таке електролітична дисоціація? 3. Що таке електроліз? Сформулюйте закон електролізу. 4. Які вам відомі застосування електролізу?
Демонстрації	7 хв.	1. Іонізація газів. 2. Несамостійний заряд. 3. Самостійний розряд у газах.
Вивчення нового матеріалу	25 хв.	1. Іонізація газів. 2. Несамостійний і самостійний розряди. 3. Іонізація електронним ударом
Закріплення вивченого матеріалу	8 хв.	1. Контрольні питання. 2. Навчаємося розв’язувати задачі

ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ

1. Іонізація газів

Гази, на відміну від металів та електролітів, складаються з електрично нейтральних атомів і молекул і за нормальних

умов не містять вільних носіїв струму (електронів і іонів). За звичайних умов гази є діелектриками.

Однак в окремих випадках можна помітно підвищити електропровідність газу. Достатньо, наприклад, піднести полум’я сірника до зарядженого електроскопа, як він відразу ж розряджається.

З цього досліду доводить висновок, що під дією полум’я повітря втрачає свої ізоляційні властивості, тобто в ньому з’являються вільні заряди. Повітря, як і інші гази, можна зробити електропровідним, діючи на нього ультрафіолетовим, рентгенівським і радіоактивним випромінюванням.

Для відривання електрона від атома необхідна визначена енергія, що називається енергією іонізації.

O Іонізація газів – відривання від їхніх атомів чи молекул електронів.

Протилежним процесу іонізації газів є процес рекомбінації – возз’єднання протилежно заряджених частинок у нейтральні молекули.

Іонізатор щомиті створює в просторі між електродами певне число іонів і електронів. Стільки ж іонів і електронів, з’єднуючись між собою, утворюють нейтральні атоми. Така динамічна рівновага існує доти, поки між електродами немає електричного поля. Як тільки між електродами буде створене поле, відразу ж на частинки, що несуть заряди різного знака, почнуть діяти сили, спрямовані в протилежні боки. Тому, нарівні з безладним рухом, заряджені частинки будуть переміщатися в напрямку дії на них електричного поля. Це спрямований рух частинок під дією електричного поля й являє собою струм у газі.

O Процес протікання електричного струму через газ називають газовим розрядом.

2. Несамостійний і самостійний розряди

Іонізація газу може відбуватися під впливом різних зовнішніх впливів (сильне нагрівання газу, рентгенівське чи радіоактивне випромінювання, космічне випромінювання, бомбардування електронами або іонами, що швидко рухаються), що називаються зовнішніми іонізаторами.

Існує 2 види газового розряду: несамостійний і самостійний. Якщо електропровідність газу виникає під дією іонізаторів, а з видаленням останнього зникає, то має місце несамостійний розряд.

O Газовий розряд, який можна спостерігати тільки за наявності зовнішнього іонізатора, називають несамостійним газовим розрядом.

За певних умов струм у газах може проходити і без зовнішнього іонізатора.

O Газовий розряд, що продовжується після того, як припиняється дія зовнішнього іонізатора, називають самостійним газовим розрядом.

Яка ж причина появи носіїв заряду в цьому випадку?

Електричне поле діє на заряджені частинки, що знаходяться в газі (електрони й іони). Якщо поле достатньо сильне, то електрони розганяються полем до такої швидкості, що внаслідок зіткнень з атомами чи молекулами, відбувається їхня іонізація.

Внаслідок іонізації з’являються нові заряджені частинки – іони й електрони Вони так само розганяються полем, електрони іонізують нові атоми чи молекули, що, у свою чергу, створює додаткове збільшення кількості заряджених частинок.

У результаті кількість заряджених частинок різко зростає – це явище одержало назву електронної лавини. Саме нею і пояснюється самостійний розряд у газах.

3. Іонізація електронним ударом

Отже, вільний електрон, що з’явився завдяки дії зовнішнього іонізатора, починає рухатися до анода, а позитивний іон – до катода. У проміжках між двома послідовними зіткненнями енергія електрона збільшується за рахунок роботи сил електричного поля.

Щоб електрон зміг під час зіткнення вибити електрон з нейтрального атома, він повинен набрати достатню швидкість. Досягти значної швидкості електрон може у двох випадках: якщо розганятися або довго, або сильно.

За атмосферного тиску електрон зазнає багатьох зіткнень, тому поле, у якому він рухається, має бути дуже сильним, щоб електрон устиг набути необхідної швидкості за короткий проміжок часу між зіткненнями. Наприклад, самостійний газовий розряд в атмосфері – блискавка – виникає за напруги в сотні тисяч вольт.

Якщо кінетична енергія електрона перевищує роботу, яку треба виконати, щоб іонізувати нейтральний атом, тобто

M2/2 ? A,

То під час зіткнення електрона з атомом відбувається іонізація. У результаті замість одного вільного електрона з’являються два. Ці електрони, у свою чергу, одержавши енергію в полі, іонізують зустрічні атоми тощо. Унаслідок цього число заряджених частинок різко зростає, виникає електронна лавина.

У газах за великих напруженостей електричних полів електрони досягають таких великих енергій, що починається іонізація електронним ударом. Розряд стає самостійним і продовжується без зовнішнього іонізатора.

Питання до учнів у ході викладу нового матеріалу

– Яка природа струму в газах?

– Наведіть приклади, що ілюструють відсутність провідності газу за звичайних умов.

– У чому подібність і відмінність провідності газів й електролітів?

– Чим відрізняється іонізація газу від електролітичної дисоціації?

ЗАКРІПЛЕННЯ ВИВЧЕНОГО МАТЕРІАЛУ

1). Якісні питання

1. Чому при менших густинах повітря електричний розряд відбувається за нижчих напруг?

2. Якщо балон неонової лампи потерти, то можна помітити, що лампа певний час світиться. Як пояснити це явище?

3. Від чого залежить сила струму насичення в газі – від прикладеної напруги чи від дії іонізатора?

4. Чи виконується закон Ома для струму в газах?

2). Навчаємося розв’язувати задачі

1. У чому відмінність провідності газів при самостійному та несамостійному розрядах?

2. Які умови виконуються для того, щоб несамостійний розряд став самостійним?

3. Іонізуюче випромінювання щосекунди створює в 1 см3 газу в трубці n = 5-109 пар однозарядних іонів. Яка сила струму насичення при несамостійному розряді, якщо об’єм трубки V = 600 см3?

Розв’язок. Сила струму Слід звернути увагу на те, що пара однозарядних іонів переносить з катода на анод один електрон.

Підставивши числові дані, одержуємо: I = 480 нА.

Що ми дізналися на уроці

– Іонізація газів – відривання від їхніх атомів чи молекул електронів.

– Процес протікання електричного струму через газ називають газовим розрядом.

– Газовий розряд, який можна спостерігати тільки за наявності зовнішнього іонізатора, називають несамостійним газовим розрядом.

– Газовий розряд, що продовжується після того, як припиняється дія зовнішнього іонізатора, називають самостійним газовим розрядом.

Домашнє завдання

1. Підр.: § 21.

2. Зб.: № 11.10; 11.11; 11.12; 11.29.