"Физика (базовый уровень)", Пурышева Н.С., Важеевская Н.Е., Исаев Д.А., Чаругин В.М.
Газовый разряд — прохождение электрического тока через газ, в котором появились свободные электроны и ионы. При столкновениях частицы могут возбуждать атомы, а те испускают свет; в некоторых режимах разряд сильно нагревает газ и электроды. Эти свойства используют в газоразрядных и люминесцентных лампах, световых трубках, электрической сварке и свечах зажигания. Чтобы понять работу устройств, важно различать устойчивую горячую дугу и кратковременную искру, а также знать, как состав газа влияет на свечение.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Дуговой разряд — устойчивый электрический разряд в газе между электродами. Он поддерживается током и сопровождается сильным нагреванием как газа, так и электродов. Поэтому дуга способна передавать металлу большое количество тепла. Это свойство используют, когда требуется расплавить металл в ограниченной области.
Газоразрядная лампа — источник света, в котором свет возникает при прохождении электрического тока через газ или его пары. Ток возбуждает атомы, а при возвращении в исходное состояние они испускают излучение. Устройство позволяет получать свет не за счёт нагрева нити накала. Вид свечения зависит от того, какой газ или пар находится внутри.
Люминесцентная лампа — газоразрядная лампа, в которой ультрафиолетовое излучение разряда вызывает свечение люминофора на внутренней поверхности колбы. Люминофор — специальное вещество, которое поглощает излучение и испускает свет, видимый человеку. Благодаря этому лампа превращает невидимый ультрафиолет в освещение. Такое преобразование помогает использовать энергию разряда для получения видимого света.
Неоновая лампа — газоразрядная лампа, в которой свечение разреженного газа в трубке используют для световых надписей и сигналов. При электрическом разряде атомы газа излучают свет, а форма трубки позволяет составить буквы или контуры. Цвет свечения связан с составом газа. Поэтому такие трубки используют там, где нужен заметный световой знак.
В газе без разряда большинство электронов связано с атомами, поэтому свободных носителей заряда мало и ток проходит плохо. Когда между электродами возникает электрическое поле, имеющиеся свободные электроны начинают двигаться и разгоняются. При достаточно энергичных столкновениях электрон может выбить электрон из атома: это явление называют ионизацией. Новые электроны тоже разгоняются, а образовавшиеся положительные ионы и электроны поддерживают ток.
Столкновения не всегда ионизируют атом: часть из них переводит атом в возбуждённое состояние, то есть на более высокий энергетический уровень. Возвращаясь к обычному состоянию, атом отдаёт избыток энергии в виде светового излучения. Набор возможных переходов определяется строением атомов конкретного газа, поэтому меняется и спектр, и воспринимаемый цвет свечения. Это объясняет, почему световые трубки с разными газами могут светиться по-разному.
В люминесцентной лампе электроды помогают создать и поддерживать разряд внутри колбы с парами ртути. Столкновения электронов с атомами ртути возбуждают их, и при переходах атомов возникает преимущественно ультрафиолетовое излучение. Оно попадает на люминофор, покрывающий внутреннюю поверхность колбы, и тот переизлучает энергию в видимом диапазоне. Пускорегулирующее устройство создаёт условия для запуска лампы и ограничивает ток после зажигания, потому что без ограничения ток мог бы чрезмерно возрасти.
При дуговой сварке источник тока поддерживает горячий разряд между электродом и металлической деталью. Энергия разряда выделяется в виде тепла в малой области, поэтому металл у места контакта нагревается и плавится. Когда расплавленные участки остывают, они соединяются в общий шов. Значит, детали плавит высокая температура дуги, а электрический ток нужен, чтобы поддерживать разряд.
Свеча зажигания создаёт искровой разряд между двумя электродами, расположенными в цилиндре двигателя. Для этого требуется высокое импульсное напряжение: оно создаёт сильное электрическое поле в небольшом промежутке и запускает ионизацию газа. Возникшая короткая искра нагревает топливовоздушную смесь и поджигает её. Импульс нужен именно для надёжного пробоя промежутка, а не для длительной работы разряда.
В таблице сопоставлены условия в газе и полезный результат каждого устройства. Сравнивая строки, обращай внимание на длительность разряда и на то, используется ли его свет или тепло. Это помогает отличить, например, сварочную дугу от искры свечи.
| Вид разряда или устройство | Что происходит в газе | Полезный эффект | Применение |
|---|---|---|---|
| Дуговой разряд | Устойчивый ток через горячий ионизированный газ между электродами | Выделяется много тепла, металл плавится | Электрическая сварка |
| Разряд в люминесцентной лампе | Разряд в парах ртути создаёт ультрафиолет | Люминофор преобразует ультрафиолет в видимый свет | Освещение помещений |
| Разряд в неоновой трубке | Возбуждённые атомы разреженного газа излучают свет | Получается заметное свечение заданной формы | Световые надписи и сигналы |
| Искровой разряд | Кратковременный пробой газа между электродами | Искра поджигает горючую смесь | Свеча зажигания двигателя |
Задача 1. Объясните, почему дуговой разряд подходит для сварки металлических деталей.
Ответ: дуговой разряд подходит для сварки, потому что поддерживает высокую температуру и плавит металл у места соединения.
Задача 2. В люминесцентной лампе разряд излучает преимущественно ультрафиолет. Объясните, почему человек видит свет.
Ответ: человек видит свет, потому что люминофор преобразует ультрафиолетовое излучение разряда в видимое.
Задача 3. Сравните работу неоновой трубки и свечи зажигания: почему первая светится продолжительно, а вторая создаёт короткую искру?
Ответ: различие связано с режимом и назначением: трубка поддерживает разряд для постоянного светового сигнала, а свеча создаёт короткую искру для зажигания смеси.
Ошибка: считать, что газ проводит ток только после нагревания. Так думают, потому что дуга действительно сильно нагревает газ. Однако сам ток обеспечивают свободные электроны и ионы, возникающие при ионизации; нагревание не является единственным условием проводимости. Проверь себя вопросом: какие заряженные частицы движутся в электрическом поле?
Ошибка: приписывать видимый свет люминесцентной лампы непосредственно ультрафиолету. Ультрафиолет возникает в разряде, но глаз его почти не видит. Иногда путают источник энергии с тем, что непосредственно светится для человека. Чтобы проверить объяснение, найди в нём роль люминофора: именно он преобразует ультрафиолет в видимый свет.
Ошибка: смешивать дуговой и искровой разряды. Оба являются разрядами в газе, поэтому их можно ошибочно считать одинаковыми. Но дуга поддерживается длительно, а искра обычно кратковременна. Проверка простая: сопоставь длительность и назначение — сварка требует устойчивого нагрева, а свече нужен короткий импульс.
Ошибка: считать, что при сварке металл плавится из-за самого тока в детали. Такое объяснение возникает из-за того, что сварочный процесс связан с электрической цепью. Но соединяемый металл плавит высокая температура дуги, а ток нужен для поддержания разряда. Проверь себя: назови источник тепла непосредственно у места сварки — это дуга.
Чтобы понять газовый разряд, нужны знания о строении атома: без них трудно объяснить ионизацию и возбуждение. Также пригодятся понятия электрического тока и действия тока, потому что заряженные частицы движутся в электрическом поле, а энергия разряда проявляется в виде света и тепла. Применения связывают тему с источниками света, электрической сваркой и работой двигателя внутреннего сгорания. В каждом случае одно явление используется для своей практической задачи.
Почему газ, который обычно не проводит ток, может проводить его в лампе?
В обычном газе мало свободных заряженных частиц, поэтому он плохо проводит ток. В сильном электрическом поле электроны разгоняются и ионизируют атомы при столкновениях, создавая электроны и положительные ионы. Эти частицы движутся в поле и поддерживают ток.
Зачем в люминесцентной лампе нужен люминофор?
Разряд в парах ртути создаёт преимущественно ультрафиолетовое излучение, которое глаз почти не воспринимает. Люминофор на внутренней поверхности колбы поглощает его и испускает видимый свет. Поэтому именно свечение люминофора освещает помещение.
Почему при сварке используют именно электрическую дугу?
Дуга выделяет много тепла и поддерживает высокую температуру в небольшой области между электродом и деталью. Этого достаточно, чтобы расплавить металл у места соединения. После остывания расплав образует прочное соединение деталей.
Чем искровой разряд отличается от дугового?
Искровой разряд обычно кратковременный: он возникает импульсом и быстро прекращается. Дуга может поддерживаться длительно, пока сохраняются подходящие условия и источник тока. Поэтому искра подходит для зажигания смеси, а дуга — для сварки.
Почему газ в световых трубках может светиться разными цветами?
При возбуждении атомы газа излучают свет, причём набор излучаемых частот зависит от состава газа. Поэтому разные газы дают разные цвета свечения. Цвет также может зависеть от вещества покрытия внутренней поверхности трубки.
§ 9. Применение газовых разрядов
