"Физика. Базовый уровень", Андрюшечкин С.М.
Газ обычно почти не проводит электрический ток, потому что в нём мало свободных заряженных частиц. Ионизация создаёт электроны и ионы, которые под действием электрического поля начинают двигаться и переносят заряд. Если носители возникают только благодаря внешнему источнику, разряд прекращается после его отключения. При сильном поле газ может сам поддерживать разряд. По условиям возникновения и проявлениям различают искровой, дуговой, тлеющий и коронный разряды.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Ионизация газа — превращение нейтрального атома или молекулы в положительный ион и свободный электрон. Частица теряет один электрон, поэтому остаётся положительно заряженной. Ионизация важна потому, что создаёт носителей, без которых газ почти не может проводить ток.
Рекомбинация — соединение свободного электрона с положительным ионом с образованием нейтральной частицы. При этом число свободных носителей уменьшается. Понятие помогает объяснить, почему ток в газе может ослабевать и прекращаться.
Газовый разряд — прохождение электрического тока через газ. Заряд переносят электроны и ионы: электроны движутся к положительному электроду, а положительные ионы — к отрицательному. Это определение показывает, что газовый ток, как и ток в других средах, связан с направленным движением зарядов.
Самостоятельный газовый разряд — разряд, который продолжается после прекращения действия внешнего ионизатора. Его отличительный признак не просто наличие тока, а способность газа самому создавать новые носители, например при ударной ионизации. Это позволяет отличить его от несамостоятельного разряда, существующего только при внешней ионизации.
В обычных условиях почти все частицы газа нейтральны, поэтому свободных электронов и ионов мало. Без них электрическое поле почти не может создать заметный направленный перенос заряда. Когда газ ионизируют, появляются электроны и положительные ионы; чем больше таких частиц, тем больше носителей может участвовать в токе.
После появления заряженных частиц на них действует электрическое поле. Электроны и ионы получают направленное движение, хотя одновременно продолжают беспорядочно перемещаться и сталкиваться с частицами газа. Именно направленная составляющая их движения переносит электрический заряд и образует ток.
В несамостоятельном разряде новые носители создаёт внешний ионизатор, например излучение или нагрев. Если источник убрать, образование носителей резко уменьшается, а уже имеющиеся электроны и ионы исчезают из области газа: они рекомбинируют или достигают электродов. Поэтому число носителей становится недостаточным и ток прекращается.
При достаточно сильном электрическом поле электрон успевает разогнаться между столкновениями. Ударяясь о нейтральную частицу, он может выбить из неё электрон и создать новую пару — положительный ион и свободный электрон. Новые электроны также разгоняются и ионизируют следующие частицы, поэтому процесс размножения носителей поддерживает ток без внешнего ионизатора.
Вид самостоятельного разряда зависит от условий, в частности от давления газа, напряжения и силы тока. Искровой разряд возникает как кратковременный пробой, дуговой поддерживается длительным током и нагревом газа, а тлеющий характерен для разреженного газа. Коронный разряд появляется около электродов, где электрическое поле особенно сильно и неоднородно; такие разряды встречаются, например, у высоковольтных проводов.
| Вид разряда | Условия возникновения | Особенности | Пример или применение |
|---|---|---|---|
| Искровой | Сильное поле и кратковременный пробой газа | Короткая яркая вспышка, разряд быстро прекращается | Молния, искра между электродами |
| Дуговой | Большой ток и нагрев газа между электродами | Длительное яркое свечение, высокая температура | Электродуговая сварка |
| Тлеющий | Разреженный газ и напряжение между электродами | Свечение газа при сравнительно небольшом токе | Газоразрядная трубка |
| Коронный | Сильное неоднородное поле около электрода | Свечение и ионизация сосредоточены возле электрода | Разряд около высоковольтного провода |
Сначала сравните условия в строках: давление, поле и сила тока помогают определить, какой разряд возможен. Затем сверьте характер свечения и длительность, поскольку одного факта свечения недостаточно для точного ответа. Примеры показывают, где соответствующий вид разряда встречается или применяется.
Задача 1. В газе под действием внешнего ионизатора возник ток. Объясните, почему после отключения ионизатора ток прекращается.
Ответ: ток прекращается из-за рекомбинации носителей и их ухода к электродам.
Задача 2. При увеличении напряжения между электродами ток в газе резко возрастает и сохраняется после отключения внешнего ионизатора. Определите, какой процесс начался.
Ответ: начался самостоятельный газовый разряд, поддерживаемый ударной ионизацией.
Задача 3. Сравните разряд между электродами при кратковременном пробое воздуха, длительном токе через нагретый газ и свечении разреженного газа в трубке.
Ответ: это соответственно искровой, дуговой и тлеющий разряды; их различают по длительности, нагреву газа и давлению.
Считать газ проводником в обычных условиях — ошибка: нейтральных частиц много, а свободных носителей мало. Так думают, перенося на газ свойства металла. Проверьте себя вопросом: какие частицы в газе могут переносить заряд? Если свободных электронов и ионов почти нет, ток будет очень слабым.
Ионизацию иногда смешивают с рекомбинацией, потому что оба процесса связаны с электронами и ионами. Но ионизация создаёт заряженные частицы, а рекомбинация уменьшает их число. Чтобы проверить ответ, проследите, стало ли после процесса больше или меньше свободных носителей.
Наличие тока само по себе не означает, что разряд самостоятельный. Путаница возникает, если не учитывать источник носителей. Проверьте, продолжается ли ток после отключения внешнего ионизатора: если прекращается, разряд был несамостоятельным.
Полагать, что все газовые разряды возникают одинаково, тоже неверно. Их условия и проявления зависят, в частности, от напряжения, давления и силы тока. При классификации сопоставьте эти условия с характером разряда: кратким пробоем, длительным нагревом, свечением разреженного газа или разрядом у электрода.
Для понимания газового тока нужны знания об электрическом токе, напряжённости поля, заряде электрона и иона, а также о движении зарядов в поле. Сравнение с током в металлах и электролитах помогает увидеть, что переносчики заряда зависят от среды: в газе ток несут электроны и ионы. Эти знания пригодятся при изучении плазмы, молнии и газоразрядных приборов, где ионизованный газ играет основную роль.
Почему обычный воздух почти не проводит электрический ток?
В обычном воздухе очень мало свободных электронов и ионов: большинство частиц нейтральны. Поэтому носителей заряда недостаточно для заметного тока.
Чем ионизация отличается от рекомбинации?
При ионизации нейтральная частица превращается в положительный ион и свободный электрон. При рекомбинации электрон соединяется с положительным ионом, образуя нейтральную частицу.
Почему ток в несамостоятельном разряде исчезает после отключения ионизатора?
После отключения ионизатора новые носители заряда почти не образуются. Оставшиеся электроны и ионы рекомбинируют или достигают электродов, поэтому ток прекращается.
Как возникает самостоятельный газовый разряд?
При достаточно сильном электрическом поле электроны разгоняются и при столкновениях ионизируют атомы газа. Новые электроны тоже ускоряются и вызывают ионизацию, поэтому разряд может продолжаться без внешнего ионизатора.
Чем искровой разряд отличается от дугового?
Искровой разряд — кратковременный пробой газа, например вспышка молнии. Дуговой разряд поддерживается длительным током через сильно нагретый газ и обычно имеет устойчивое свечение.
§ 24. Ток в газах
