1199. Чем ионизация газов отличается от ионизации жидких растворов?

1200. Почему количество ионов в газе при действии постоянного ионизатора увеличивается только до определенного предела, а затем становится постоянным?

1201. Напряжение 40 – 50 В поддерживает дуговой разряд в газовом промежутке. Искровой разряд в том же промежутке требует напряжения в несколько тысяч вольт. Объясните почему.

1202. К массивной металлической детали нужно приварить тонкостенную деталь. Какую из них следует соединить с плюсом, а какую – с минусом дугового электросварочного генератора?

1203. Что произойдет с горящей электрической дугой, если сильно охладить отрицательный уголь? Что будет при охлаждении положительного угля?

1204. Разным участкам вольт-амперной характеристики газа (рис. 197) соответствует различное сопротивление. Почему сопротивление газа изменяется?

1205. От чего зависит ток насыщения в газе на участке АВ (см. рис. 197): от приложенного напряжения или от действия ионизатора?

1206. Как изменится ток насыщения, если при неизменном действии ионизатора сблизить пластины?

1207. Плоский конденсатор зарядили до разности потенциалов, очень близкой к пробойному значению, но еще не достигающей его, и отсоединили от источника напряжения. Наступит ли пробой, если пластины начать сближать?

1208. Плоский конденсатор подключен к источнику напряжением 6 кВ. При каком расстоянии между пластинами наступит пробой, если ударная ионизация воздуха начинается при напряженности поля 3МВ/м?

1209. Электрон со скоростью 1,83∙10 6 м/с влетел в однородное электрическое поле в направлении, противоположном направлению напряженности поля. Какую разн7ость потенциалов должен пройти электрон, чтобы ионизовать атом водорода, если энергия ионизации 2,18∙10 -18 Дж?

1210. Какова сила тока насыщения при несамостоятельном газовом разряде, если ионизатор образует ежесекундно 10 9 пар ионов в 1 см 3 , площадь каждого из двух плоских параллельных электродов 100 см 2 и расстояние между ними 5 см?

1211. Сколько пар ионов возникает под действием ионизатора ежесекундно в 1,0 см 3 разрядной трубки, в которой течет ток насыщения 2,0∙10 -7 мА? Площадь каждого плоского электрода 1,0дм 2 и расстояние между ними 5,0 мм.

1212. При каком расстоянии между пластинами площадью по 100 см 2 установится ток насыщения 1∙10 -10 А, если ионизатор образует в 1 см 3 газа 12,5∙10 6 пар ионов за 1 с?

1213. При какой напряженности поля начнется самостоятельный разряд в воздухе, если энергия ионизации молекул равна 2,4∙10 -18 Дж, а длина свободного пробега 5 мкм? Какова скорость электронов при ударе о молекулы?

1214. Расстояние между электродами в трубке, наполненной парами ртути. 10 см. Какова средняя длина свободного пробега электрона, если самостоятельный разряд наступает при напряжении 600 В? Энергия ионизации паров ртути 1,7∙10 -18 Дж. Поле считать однородным.

1215. К источнику высокого напряжения через проводник сопротивления R = 1 кОм подключен конденсатор электроемкостью 8 нФ с расстоянием между пластинами 3 мм (рис. 198). Воздух между пластинами конденсатора ионизируется рентгеновскими лучами так, что в 1 см 3 образуется 10 4 пар ионов за 1 с. Заряд каждого иона равен заряду электрона. Найдите падение напряжения на проводнике R, считая, что все ионы достигают пластин конденсатора, не успевая рекомбинировать.

1216. На рисунке 199 изображен счетчик Гейгера – Мюллера элементарных частиц. Между корпусом трубки А и тонкой проволоки ав создается высокое напряжение, лишь немного меньше «критического», необходимого для зажигания разряда. При попадании в счетчик заряженной частицы происходит ионизация молекул газа и начинается разряд. Прохождение по цепи тока сопровождается падением напряжения на проводнике с большим сопротивлением R. Это падение напряжения регулируется после усиления соответствующим устройством. Для того, чтобы счетчик отвечал своему назначению, необходимо быстрое гашение вызванного частицей разряда. Вследствие какой причины происходит гашение разряда в схеме?

Рассмотренный выше механизм прохождения электрического тока через газы при постоянном воздействии на газ внешнего ионизатора представляет собой несамостоятельный разряд, так как при прекращении действия ионизатора прекращается и ток в газе.

Несамостоятельный разряд - это разряд, который зависит от наличия ионизатора.

Исследуем зависимость силы тока от напряжения при несамостоятельном разряде в газе. Для этой цели удобно использовать стеклянную трубку с двумя впаянными в стекло металлическими электродами. Соберем цепь по схеме, изображенной на рисунке 2.

Пусть с помощью какого-нибудь ионизатора, например за счет воздействия рентгеновских лучей, в газе образуется ежесекундно определенное число пар заряженных частиц: электронов и положительных ионов.

При отсутствии напряжения на электродах (U = 0) гальванометр, включенный в цепь (см. рис. 2), 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 доходят до 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. 3). Объясняется это тем, что при большем напряжении между электродами ионы движутся с большей скоростью, поэтому им остается все меньше времени для воссоединения в нейтральные молекулы.

Наконец, при некотором определенном напряжении наступает такой момент, при котором все заряженные частицы, образующиеся в газе ионизатором за секунду, достигают за это же время электродов. Дальнейшее увеличение напряжения уже не может привести к увеличению числа переносимых ионов. Ток, как говорят, достигает насыщения (см. рис. 3, 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 станет резко возрастать (рис. 4). Это означает, что в газе появляются дополнительные ионы сверх тех, которые образуются за счет 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. Поэтому ионизатор можно теперь убрать. Поскольку разряд не нуждается для своего поддержания во внешнем ионизаторе, его называют самостоятельным разрядом.

Напряжение U = U пр, при котором несамостоятельный электрический разряд переходит в самостоятельный, называют напряжением пробоя газа , а сам процесс такого перехода - электрическим пробоем газа .

Электрон, ускоряясь электрическим полем, на своем пути к аноду сталкивается с ионами и нейтральными молекулами. В промежутках между двумя последовательными столкновениями энергия электрона увеличивается за счет работы сил электрического поля. Чем больше разность потенциалов между электродами, тем больше напряженность электрического поля.

Если кинетическая энергия электрона превосходит работу W i , которую нужно совершить, чтобы ионизовать нейтральный атом (или молекулу), то при столкновении электрона с атомом (или молекулой) происходит его (ее) ионизация, называемая ионизацией электронным ударом .

В результате столкновения электрона с атомом образуется еще 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 ионизуют 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 .

Лавинообразное нарастание числа заряженных частиц в газе может начаться под действием сильного электрического поля, если в газе окажется хотя бы один электрон. Ионизатор в этом случае не нужен. Так, например, в окружающем нас воздухе всегда имеется некоторое число ионов и электронов, возникающих под действием радиоактивных излучений земной коры, ультрафиолетового и рентгеновского излучений Солнца, а также других излучений, проникающих в земную атмосферу из космического пространства.

Обратим внимание на то, что роль электронов и ионов в образовании лавинного разряда в газах неодинакова. Основную роль в ударной ионизации играют свободные электроны.

Но ионизация только электронным ударом не может обеспечить длительный самостоятельный разряд. Действительно, ведь все возникающие таким образом электроны движутся по направлению к аноду и по достижении анода «выбывают из игры». Для поддержания разряда необходима эмиссия электронов с катода («эмиссия» означает «испускание»). Эмиссия электронов может быть обусловлена несколькими причинами.

Положительные ионы, образовавшиеся при столкновении электронов с нейтральными атомами, при своем движении к катоду приобретают под действием поля большую кинетическую энергию. При ударах таких быстрых ионов о катод с поверхности катода выбиваются электроны.

Катод может испускать электроны при нагревании до высокой температуры. Этот процесс называется термоэлектронной эмиссией. Его можно рассматривать как испарение электронов из металла. Во многих твердых веществах термоэлектронная эмиссия происходит при температурах, при которых испарение самого вещества еще мало. Такие вещества и используют для изготовления катодов.

При самостоятельном разряде нагрев катода может происходить за счет бомбардировки его положительными ионами. Если энергия ионов не слишком велика, то выбивания электронов с катода не происходит и электроны испускаются вследствие термоэлектронной эмиссии.

В газах при больших напряженностях электрических полей электроны достигают таких больших энергий, что начинается ионизация электронным ударом. Разряд становится самостоятельным и продолжается без внешнего ионизатора.

При решении задач на материал этой главы к формулам, которыми мы пользовались в предыдущих двух главах, необходимо добавить закон электролиза в форме (3.5.6) или (3.5.8). Кроме того, надо четко представлять себе природу электрического тока в различных средах.
(брусок),

Металлический прямоугольный параллелепипед ребра которого имеют длину d, b, с (d^> с; с), движется с ускорением а в направлении, параллельном меньшему ребру (рис. 3.63). Найдите на-пряженность электрического поля, возникающего вследствие ускоренного движения металлического бруска, а также поверхностную плотность электрических зарядов на боковых гранях бруска, перпендикулярных направлению ускорения.
Задача 1
Решение. При ускоренном движении бруска свободные электроны «отстают» и накапливаются на задней его грани. В результате задняя грань заряжается отрицательно, а передняя - положительно, и между этими гранями внутри бруска возникает электрическое поле.
Перераспределение свободных электронов внутри бруска закончится тогда, когда возникшее электрическое поле будет в состоянии сообщать электронам ускорение а. Напряженность Е поля внутри бруска при этом достигнет максимального значения.
Согласно второму закону Ньютона
та = -вЕу
где т не - масса и заряд электрона. Отсюда
д т
Е = - а, е
или
г т
Е = - а.
е
Поверхностную плотность электрических зарядов на передней и задней гранях найдем из формулы напряженности поля между обкладками плоского конденсатора
Е-*.
Ч
Отсюда
г> т
а = е0Е = е0-а.
Задача 2
В электролитической ванне происходит покрытие детали никелем. Зная напряжение U между электродами, удельное сопротивление раствора электролита р, расстояние I между электродами, найдите скорость покрытия (т. е. скорость увеличения толщины h слоя никеля). Электрохимический эквивалент никеля k, плотность никеля - рн.
Решение. Согласно закону электролиза
m = kIAt. (3.21.1)? Масса никеля, выделившегося при электролизе,
т = р HSh, (3.21.2)
где S - площадь поверхности покрываемой никелем детали. Сила тока в растворе электролита, согласно закону Ома,
1=4-
1 R"
где R = р ^ . Отсюда
(3.21.3)
Подставляя выражение для массы (3.21.2) и силы тока (3.21.3) в соотношение (3.21.1), получим:
Рн Sh-k^At.
Отсюда
А = ML
Аt р*рн
Задача 3
= IR, вну-
R
Решение. По закону Ома искомое падение напряжения U = где I - сила тока в цепи. Ток одинаков во всех сечениях три конденсатора. На положительную пластину этот ток обусловлен только отрицательными ионами, а на отрицательную - только положительными. Через произвольное сечение внутри конденсатора проходит некоторая доля как положительных, так и отрицательных ионов.
К источнику высокого напряжения через резистор сопротивлением R = 103 Ом подключен конденсатор емкостью С = = 10"11 Ф с расстоянием между пластинами d = 3 мм (рис. 3.64). Воздух в пространстве между пластинами конденсатора ионизуется рентгеновскими лучами так, что в 1 см3 ежесекундно образуется п = 104 пар ионов. Заряд каждого иона равен по модулю заряду электрона. Найдите падение напряжения на резисторе R, считая, что все ионы достигают пластин конденсатора, не успевая рекомбинировать.
Сила тока I = enSd, где е - заряд электрона, a S - площадь пластин. Из формулы для емкости плоского конденсатора
Cd
2
Sd =
находим: Следовательно 2
enCd Ч
и =
1,6 ю-11 в. Задача 4
Вычислите чувствительность электронно-лучевой трубки к напряжению, т. е. значение отклонения пятна на экране, вызванного разностью потенциалов на управляющих пластинах в1В. Длина управляющих пластин Z, расстояние между ними d, расстояние от конца пластин до экрана L и ускоряющая разность потенциалов UQ.
Решение. На рисунке 3.65 схематически изображены управляющие пластины A vs. В трубки, экран MN и траектория электрона ОС. Начало системы координат находится в точке О.
При движении между пластинами в направлении оси Y
электрон находится под действием силы F = е^, где U - разность потенциалов между пластинами Л и В. Эта сила сообща-
М
С
О

У
L
N
F eU _
ет электрону ускорение a - - = . Здесь m - масса электрона.
Расстояние l вдоль оси X электрон проходит за время t^ - - ;
vx
vx - проекция скорости электрона на ось X, определяемая из
2
mvx
условия -g- = eU0. За время электрон отклоняется в направ-лении оси У на величину
at\ eUl2 У і = - = 2
1 2 2dmvx
Движение электрона вне пластин происходит с постоянной
L
скоростью в течение времени І2 - - .
vx
Проекция скорости на ось Y равна vy = atv Отклонение в области вне пластин
eUlL
У2 = vy4 = 2
" dmvx
Полное отклонение
eUlL UIL
2
dmvx 2 U0d
, eUlil , r\ У = Ух+У2= 2 12 + L) ~
dmvr J
Чувствительность
У _ IL U 2Und"
Задача 5
Концентрация электронов проводимости в германии при комнатной температуре пе = 3 1019 м-3. Какую часть это число составляет от общего числа атомов? Плотность германия р = 5400 кг/м3, молярная масса германия М = 0,073 кг/моль. Во сколько раз увеличится концентрация электронов проводимости при введении в германий примеси мышьяка, составляющей по массе р = 10_5% ? Молярные массы мышьяка и германия считать одинаковыми.
Решение. Число атомов германия определяется по формуле
М А
Следовательно, концентрация атомов германия
N Р П ~ V = М А"
Отношение концентраций
п„ п.М 1Л
- = =6,7 Ю-10. п р Na
Концентрация электронов проводимости примеси мышьяка П1 = nAs + Пе-
а общая концентрация электронов проводимости Отсюда +1«150.
П! ppNA
пе Мпе 1. Концентрация электронов проводимости возросла в 150 раз. Упражнение 7
Сплошной металлический цилиндр радиусом R вращается с постоянной угловой скоростью со. Найдите зависимость напряженности возникающего поля от расстояния г до оси цилиндра и разность потенциалов между поверхностью цилиндра и осью.

С какой частотой п следует вращать металлический диск радиусом R = 25 м (рис. 3.66), чтобы можно было обнаружить разность потенциалов между осью и краем диска, возникшую при его вращении? Чувствительность гальванометра U = Ю-5 В/дел. Отношение за-
е
ряда электрона к его массе - = = 1,76 1011 Кл/кг. Рис. 3.66
Один полюс источника тока к электрической лампочке присоединили медным проводом, а другой полюс - алюми-ниевым проводом; диаметры проводов одинаковые. Сравните скорости упорядоченного движения электронов в подводящих проводах, считая, что на каждый атом приходится один электрон проводимости. Плотности алюминия и меди соответственно равны 2,7 103 кг/м3 и 8,9 103 кг/м3, их относительные атомные массы 27 и 64.
При электролизе раствора серной кислоты за время t = = 50 мин выделился водород массой т = 3 Ю-4 кг. Определите количество теплоты, выделившееся при этом в растворе электролита, если его сопротивление R = 0,4 Ом, а электрохимический эквивалент водорода k = Ю-8 кг/Кл.
Три электролитические ванны соединены так, как показано на рисунке 3.67. В двух из них имеется раствор AgN03, а в третьей - раствор CuS04. Сколько серебра выделилось в первой ванне, если во второй выделилось т2 = 60,4 мг серебра, а в третьей - т3 = 41,5 мг меди? Электрохими-ческий эквивалент серебра kc = 1,118 мг/Кл, меди - feM = 0,329 мг/Кл.
Чему равна масса серебра, выделившегося за 1 ч при электролизе раствора AgN03? Сопротивление раствора
электролита 1,2 Ом, напряжение на зажимах ванны 1,5 В, а электродвижущая сила поляризации 0,8 В.
При электролизе положительные и отрицательные ионы непрерывно нейтрализуются на соответствующих элект-

AgNOa
родах. Почему концентрация ионов в растворах электро-литов поддерживается на постоянном уровне? В каких участках раствора происходит пополнение убыли ионов?
Полная плотность тока в растворах электролитов опреде-ляется как сумма плотностей двух токов - плотности тока положительных ионов и плотности тока отрицательных ионов:
j = e(n+v+ + n_vj,
где е - модуль заряда иона, пи и с соответствующими индексами - концентрации и скорости положительных и отрицательных ионов. Почему же масса вещества, выделившегося, к примеру, на катоде, считается пропорциональной полной плотности тока, а не плотности тока en+v+l
При никелировании детали в течение 2 ч на ней отложился слой никеля толщиной d = 0,03 мм. Электрохимический эквивалент никеля k = 3 10~7 кг/Кл. Плотность никеля р = 8,9 103 кг/м3. Определите плотность тока при электролизе.
При электролизе за 20 мин при силе тока 2,5 А на катоде выделилось 1017 мг двухвалентного металла. Какова его относительная атомная масса? "г
Сколько пар ионов возникает ежесекундно под действием ионизатора в 1 см3 газоразрядной трубки, в которой течет ток насыщения 4 Ю-8 мА? Площадь каждого плоского электрода равна 1 дм2, а расстояние между ними 5 мм. Считать, что заряд каждого иона равен заряду электрона.
При какой напряженности поля начнется самостоятельный разряд в воздухе, если энергия ионизации молекул равна 2,4 10~18 Дж, а средняя длина свободного пробега 4 мкм? Какова скорость электронов при столкновении с молекулой? К электростатической машине подключены соединенные параллельно лейденская банка и разрядник. Сила тока электростатической машины I = 10~5 А. Емкость лейденской банки С = 10~8 Ф. Чтобы произошел искровой разряд, машина должна работать t = 30 с. Длительность раз- ряда т = 10 6 с. Определите среднюю силу разрядного тока I и напряжение зажигания искрового разряда С/ .
Что произойдет с горящей электрической дугой, если сильно охладить «отрицательный» уголь; «положительный» уголь?
--Ч

Рис. 3.68
Между нитью накала, испускаю- ~ щей электроны, и проводящим кольцом создана разность потенциалов U (рис. 3.68). Электроны _ движутся ускоренно вдоль оси кольца. При этом их кинетическая энергия увеличивается, в то время как батарея, создающая разность потенциалов U, не совершает работы, так как ток в цепи не идет.
(Предполагается, что электроны не попадают на кольцо.) Как это согласовать с законом сохранения энергии?
Три одинаковых диода, анодные характеристики которых могут быть приближенно представлены отрезками прямых:
1& = 0 при ил 0,
где k = 0,12 мА/В, включены в цепь, как показано на рисунке 3.69.

Рис. 3.69
Начертите график зависимости силы тока I в цепи от напряжения U, если ft = 2 В, ft = 5 В, ft = 7 В, a U может меняться от -10 до +10 В.
Триод прямого накала включен в цепь (рис. 3.70). ЭДС анодной батареи = 80 В, батареи накала ё2 = 6 В и сеточной батареи?3 = 2 В. С какими энергиями электроны будут достигать анода лампы? Как изменится энергия электронов, достигающих анода, если ЭДС?3 будет изменяться по модулю или даже переменит знак? Анодный ток считать малым по сравнению с током накала.
В электронно-лучевой трубке поток электронов с кинетической энергией Wk = 1,28 Ю-15 Дж движется между вертикально отклоняющими пластинами плоского конденсатора длиной I = 4 см. Расстояние между пластинами d = 2 см, а разность потенциалов между ними U = 3,2 кВ. Найдите вертикальное смещение у электронного пучка на выходе из пространства между пластинами.
Пучок электронов, ускоренных в поле с разностью потен-циалов U = 300 В, влетает в плоский конденсатор парал-лельно его пластинам; пластины расположены горизон-тально. Найдите разность потенциалов Uv приложенную к пластинам конденсатора, если пучок смещается на экране на расстояние h - 3,6 см. Длина пластин конденсатора I - 4 см, расстояние от конца конденсатора до экрана
= 10 см, расстояние между пластинами конденсатора d = 1,2 см.
Пучок электронов влетает в конденсатор параллельно его пластинам со скоростью vQ. Конденсатор включен в цепь, как показано на рисунке 3.71. ЭДС источника тока 6, его внутреннее сопротивление г, длина пластин конденсатора I и расстояние между ними d считаются известными величинами. Резистор какого сопротивления R надо подсоеди-

7, мА І
800 600 400 200
-400 -300 -200 -100 о
0,4 0,8 jjt в -0,4 2. Рис. 3.72
нить параллельно конденсатору, чтобы пучок электронов вылетел из него под углом а к пластинам?
Сколько процентов (по массе) индия необходимо ввести в германий, чтобы концентрация дырок была nIn = 1022 м-3? Концентрацию собственных свободных носителей заряда в германии считать пренебрежимо малой. Молярная масса индия AfIn = 0,115 кг/моль. Плотность германия pGe =
= 5400 кг/м3.
Получится ли р-га-переход, если вплавить олово в германий или кремний?
Какая часть вольт-амперной характеристики германиевого диода (рис 3.72) отражает зависимость силы тока от на-пряжения в пропускном направлении? Какая - в запи-рающем направлении? Найдите внутреннее сопротивление диода при прямом напряжении 0,4 В и при обратном напряжении 400 В.?

В нормальных условиях все газы являются изолятора­ми. Например, размыкание любой цепи рубильником сво­дится к тому, что в эту цепь вводится прослойка воздуха. Провода высоковольтных линий передач надежно изолиро­ваны друг от друга и от земли только слоем воздуха. Опыты по электростатике (с которых начинают обычно изучение электричества) были бы невозможны, если бы воздух не об­ладал изолирующими свойствами (возникшие на разных те­лах заряды сразу бы перемешивались). Но при некоторых условиях любой газ может стать проводником. Это под­тверждается существованием молнии, электрической дуги, ламп дневного света и т. п. Отсюда следует, что в обычных условиях в газах нет сколько-нибудь заметного количества свободных зарядов, но при некоторых условиях они могут возникнуть.

Исследования привели к выводу, что свободные заря­ды в газах возникают в результате отрыва электронов от нейтральных атомов. Этот процесс называется ионизацией газа. Чтобы вырвать из атома электрон, надо передать ему определенную энергию – энергию ионизации, и еслиатом получит энергию меньше, чем энергия ионизации, то электрон из атома не вылетит. Энергию, нужную для ионизации, атом может получить либо столкнувшись с электроном, либо столкнувшись с другими атомами, либо поглощая энергию от рентгеновских или других лучей (ультрафиолетовых, гамма-лучей).

Из сказанного следует, что сделать газ проводящим можно разными способами:

а) сильно его накалить (до нескольких тысяч градусов);

б) облучить газ ультрафиолетовыми, рентгеновскими, или гамма-лучами;

в) поместить газ в сильное электрическое поле. Если в газе имеется хотя бы ничтожное количество свободных электронов, то в сильном поле они получат кинетическую энергию, достаточную для ионизации газа. Число заряженных частиц может резко возрасти, и газ станет хорошим проводником.

СТОП! Решите самостоятельно: А1, А2.

Газовый разряд

Прохождение тока через газ называют газовым разря­дом. Слабый разряд возникает в воздухе даже при неболь­шой разности потенциалов между электродами, так как в воздухе всегда присутствует небольшое количество электро­нов и ионов. Эти ионы возникают под действием излучений радиоактивных примесей земной коры и под действием космических лучей, приходящих из космоса. Число возникающих ежесекундно ионов настолько ничтожно (несколь­ко пар в каждом кубическом сантиметре), что обнаружить разрядный ток обычными приборами невозможно. Такой разряд не сопровождается световыми (и звуковыми) эффек­тами. Примером является саморазряд воздушного конденса­тора. Происходит он настолько медленно, что воздух по справедливости считают хорошим изолятором.

Рассмотрим, как зависит ток разряда от приложенно­го к электродам напряжения (рис. 21.1).Вид типичной вольт-амперной характеристики газового разряда приведен на рис. 21.2. Вначале с ростом напряжения ток растет (учас­ток 0А графика), так как с ростом напряжения растет ско­рость, а стало быть, и число заряженных частиц, успевших достигнуть электродов. Затем рост тока прекращается, наступает насыщение (участок АВ ). Объясняется это тем, что в промежутке между элек­тродами ежесекундно нарождается вполне определенное ко­личество свободных электронов и ионов, например, 400 пар. Ясно, что количество ежесекундно прибывающих на каждый электрод заряженных частиц не может превысить этой величины.

Рис. 21.1 Рис. 21.2

Если теперь изолировать разрядный промежуток от кос­мических лучей и других ионизаторов (но не отключать приложенного напряжения), то разряд прекратится. Разря­ды, прекращающиеся при отключении внешних ионизато­ров, называют несамостоятельными.

При дальнейшем возрастании напряжения ток снова на­чинает расти (участок ВС ). Объясняется это тем, что при достаточно большой напряженности поля кинетическая энергия электронов, разгоняемых полем, становится доста­точной для ионизации атомов. Вырванные при этом из ато­мов электроны в свою очередь ускоряются полем и ионизи­руют новые атомы. Число заряженных частиц растет подоб­но лавине. Однако разряд продолжает оставаться несамо­стоятельным, так как если прекратить действие внешнего ионизатора, то лавины перестанут зарождаться.

При дальнейшем возрастании напряжения (участок правее точки С ) разряд переходит в самостоятельный, т. е. продолжается и после того, как выключат внешний ионизатор. Объясняется это тем, что ионы, ударяющиеся о катод, могут выбивать из него электроны. Если удары ста­нут настолько сильными и частыми, что вместо каждого выбывшего (в результате попадания на анод или рекомби­наций) электрона из катода будет выбит новый электрон, то разряд будет сам себя поддерживать и станет самостоятельным . Характер перехода от несамостоятельного разряда к самостоятельному зависит от давления газа, от расстояния между электродами, а также от мощности источником тока.

СТОП! Решите самостоятельно: А4, А5.

Энергия ионизации

Каждый газ характеризуется своей энергией ионизации , т. е. энергией, которую необходимо сообщить атому данного газа, чтобы он ионизовался – превратился в положительный ион.

Ясно, что при ударе электрона об атом часть энергии электрона (кинетической!) должна быть передана атому в качестве энергии ионизации, т.е. из механической энергии она должна превратиться во внутреннюю.

Такое, как мы знаем из механики, возможно лишь при неупругом ударе, так как при абсолютном упругом ударе механические энергии взаимодействующих тел сохраняются. Наибольший эффект достигается при абсолютно неупругом ударе, т.е. тогда, когда после взаимодействия частицы движутся как единое целое (рис. 21.3).

Рис. 21.3

При этом практически вся кинетическая энергия электрона переходит во внутреннюю энергию: это все равно как муха налетела на слона и прилипла к нему.

Для того чтобы произошла ионизация, необходимо, чтобы кинетическая энергия электрона была не меньше энергии W ионизации атома:

Читатель : А может ли атом ионизироваться, если на него налетит такой же атом?

Из закона сохранения импульса следует, что

Мυ 0 = 2Ми Þ и = υ 0 /2.

Убыль кинетической энергии составит

.

Только эта энергия может пойти на ионизацию атома.

Задача 21.1. При какой напряженности поля начнется самостоятельный разряд в воздухе, если энергия ионизации молекул равна W = 2,4×10 –18 Дж, а средняя длина свободного пробега l = 5,0 мкм? Какова скорость электронов при ударе о молекулы?

работу А = еЕ l, которая пошла на увеличение его кинетической энергии А = K = еЕ l. При ударе о молекулу вся эта энергия перешла в энергию ионизации:

K = еЕ l = W В/м.

Скорость электрона найдем из соотношения

» 2,3×10 6 м/с.

Ответ : В/м; » 2,3×10 6 м/с.

СТОП! Решите самостоятельно: А7, А9, В2, В4, В5, С1.

Рекомбинация

Процесс ионизации газа всегда сопровождается противопо­ложным ему процессом восстановления нейтральных молекул из разноименно заряженных ионов (или из положительных ионов и электронов) вследствие их электрического (кулоновского) притяжения. Такой процесс называют рекомбинацией заряженных частиц . Если дейст­вие ионизатора неизменно, то в ионизованном газе устанавли­вается динамическое равновесие, при котором в единицу вре­мени восстанавливается столько же молекул, сколько их рас­падается на ионы. При этом концентрация заряженных час­тиц в ионизованном газе сохраняется неизменной. Если же прекратить действие ионизатора, то рекомбинация начнет преобладать над ионизацией и число ионов быстро уменьшит­ся почти до нуля. Следовательно, наличие заряженных час­тиц в газе – явление временное (пока действует ионизатор).

Задача 21.2. Число пар (электронов и ионов), возникающих в 1 см 3 воздуха над сушей за 1 с (под действием радиоактив­ных примесей и космических лучей) в среднем равно a = 8,0 1/(с×см 3). Определите равновесную концентрацию ионов в воздухе, считая, что число рекомбинирующих в секунду пар Dп = 0,01п , где п – концентрация пар.

в 1 см 3 за 1 с при динамическом равновесии, должно в среднем равняться числу рекомбинированных пар, поэтому

a = Dп Þ a = 0,01п

1/см 3 .

Ответ : 1/см 3 .

СТОП! Решите самостоятельно: А10, С3.

Задача 21.3. Какова сила тока насыщения при несамостоятельном газовом разряде, если ионизатор образует ежесекундно a = 1,0´ ´10 9 1/(с×см 3) пар ионов и электронов в одном кубическом сантиметре, площадь каждого из двух плоских параллельных электродов S = 100 см 2 и расстояние между ними d = 5,0 см?

a = 1,0×10 9 1/(с×см 3) d = 5,0 см S = 100 см 2	Решение. Объем, в котором образуются заряженные частицы, V = Sd . За время Dt образуются N = aV Dt = aSd Dt пар ионов.	Рис. 21.5
I = ?

Электрический заряд электронов будет равен

q = eN = e aSd Dt .

Если все заряженные частицы достигают электродов, то сила тока будет равна .

Подставим численные значения:

1,6×10 –19 Кл × 1,0×10 9 ×100см 2 ×5,0 см » 8,0×10 –8 А.

Ответ : » 8,0×10 –8 А.

Читатель : Но ведь в данной задаче ионы и электроны рождались парами , т.е. всего заряженных частиц было в 2 раза больше: 2N . Наверное, и ток должен быть в 2 раза больше: I = ?

Автор : Ток – это отношение заряда, прошедшего через поперечное сечение проводника, ко времени. Рассмотрим рождение пары зарядов (положительного и отрицательного) и их последовательное движение до электродов (рис. 21.6).

Рис. 21.6

Мы видим, что через любое сечение нашего проводника прошел ровно один заряд (или е ): один – направо, другой – налево. Но движение отрицательного заряда в одном направлении эквивалентно движению положительного заряда в противоположном направлении, поэтому движение этих двух зарядов эквивалентно движению одного заряда от положительного электрода до отрицательного.

СТОП! Решите самостоятельно: А11, В6, С5.

Тлеющий разряд

Электроны могут приобрести энер­гию, необходимую для совершения ионизации, не только за счет увеличе­ния напряжения между электродами, но и за счет увеличения длины свободного пробега электронов. Последнее мож­но достигнуть путем разрежения газа.

Рис. 21.7

Для наблюдения разряда в разреженных газах удобно ис­пользовать стеклянную трубку длиной около полуметра с дву­мя электродами (анодом А и катодом К)и с патрубком для от­качивания воздуха (рис. 21.7). Присоединим электроды к ис­точнику постоянного тока с напряжением в несколько тысяч вольт (электрическая машина или высоковольтный выпрями­тель).

При атмосферном давлении тока в трубке нет, так как при­ложенного напряжения в несколько тысяч вольт недостаточ­но для того, чтобы пробить длинный газовый промежуток. Но если мы начнем откачивать воздух из трубки, ток вскоре по­явится, что можно обнаружить по свечению воздуха в трубке. При давлении порядка 100 мм рт. ст. между электродами по­является разряд в виде светящейся змейки (в воздухе – мали­нового цвета, в других газах – иных цветов), соединяющей оба электрода. По мере дальнейшей откачки воздуха светя­щаяся змейка расширяется, и свечение постепенно заполняет почти всю трубку.

Рис. 21.8 Рис. 21.9

При давлении 1–2 мм рт. ст. и ниже возникает тлею­щий разряд. В тлеющем разряде отчетливо выделяются четыре области (рис. 21.8): а – катодное темное пространст­во, б – тлеющее (отрицательное) свечение, в – фарадеево темное пространство, г – положительный столб разряда. Пер­вые три области находятся вблизи катода и образуют катод­ную часть разряда.

Если впаять по длине трубки ряд платиновых проволочек, то, присоединяя электрометр к различным проволочкам (рис. 21.9), можно измерить напряжение между различными точками разряда и катодом. Откладывая на графике по оси ординат это напряжение U, а по оси абсцисс – расстояние l от рассматриваемой точки от катода, получим кривую, изобра­женную на рис. 21.8 сверху.

Из графика видно, что вблизи катода на небольшом рас­стоянии происходит резкое падение потенциала – катодное падение потенциала. Здесь электрическое поле имеет боль­шую напряженность; в остальной части трубки напряжен­ность поля невелика.

Катодное падение потенциала обусловливает эмиссию электронов из металла катода. Положительные ионы, об­разующиеся в результате ионизации электронными ударами (в тлеющем свечении и в положительном столбе), движутся к катоду и, проходя через область катодного падения потенци­ала, приобретают значительную энергию. Ударяясь о катод, быстрые положительные ионы выбивают из него электроны (вторичная электронная эмиссия). Эти электроны в области ка­тодного падения потенциала сильно ускоряются и при после­дующих соударениях с атомами газа ионизуют их. В результа­те опять появляются положительные ионы, которые снова, устремляясь на катод, порождают новые электроны, и т. д. Та­ким образом, основными процессами, поддерживающими раз­ряд, являются ионизация электронными ударами в объеме и вторичная электронная эмиссия на катоде. Все это происхо­дит благодаря существованию катодного падения потенциала. Следовательно, катодное падение потенциала есть наиболее характерный признак тлеющего разряда, отличающий эту форму газового разряда от всех других форм.

Существование катодного темного пространства объясняется тем, что электроны начинают сталкиваться с атомами газа не сразу, а лишь на некотором расстоянии от катода. Ширина ка­тодного темного пространства приблизительно равна средней длине свободного пробега электронов: она увеличивается с умень­шением давления газа. В катодном темном пространстве элект­роны, следовательно, движутся практически без соударений.

Распределение концентраций положительных ионов и элект­ронов в различных частях разряда неодинаково. Так как поло­жительные ионы движутся гораздо медленнее, чем электроны, то у катода концентрация ионов значительно больше, чем кон­центрация электронов. Поэтому вблизи катода возникает силь­ный пространственный положительный заряд, который и вы­зывает появление катодного падения потенциала.

В области положительного столба концентрации положитель­ных ионов и электронов почти одинаковы, и здесь пространст­венного заряда нет. Благодаря большой концентрации электро­нов положительный столб обладает хорошей электропроводно­стью, и поэтому падение потенциала на нем мало (см. рис. 21.8). Так как в положительном столбе имеются и положительные ионы, и электроны, то здесь происходит интенсивная рекомбина­ция ионов, чем и объясняется свечение положительного столба.

Читатель : Получается, что свет возникает в результате рекомбинации – захвата положительным ионом электрона?

СТОП! Решите самостоятельно: А3, А12, А13, В7–В11.

Искровой разряд

Рис. 21.10

При большой напряженности электрического поля между электродами (около 3×10 6 В/м) в воздухе при атмосферном давлении возникает искровой разряд . Искровой раз­ряд, в отличие от коронного, приводит к пробою воздушного промежутка. При искровом разряде в газе возникают каналы ионизованного газа – стриммеры , имеющие вид преры­вистых ярких зигзагообразных нитей (рис. 21.10). Нити прони­зывают пространство между электродами и исчезают, сменя­ясь новыми. При этом наблюдается яркое свечение газа и выделяет­ся большое количество теплоты. Вследствие нагревания давление газа в стриммерах сильно повыша­ется. Расширяясь, газ излучает зву­ковые волны, сопровождающие разряд.

После пробоя разрядного проме­жутка напряжение на электродах сильно падает, так как в момент разряда проводимость газа вслед­ствие его ионизации резко возрас­тает. В результате, если источник напряжения маломощный, разряд прекращается. Затем напряжение снова повышается и т. д.

В образовании искрового разря­да наряду с ионизацией с помощью электронного удара большую роль играют процессы ионизации газа излучением самой искры.

В технике явлением искрового разряда пользуются, напри­мер, для зажигания горючей смеси в двигателях внутреннего сгорания, для электроискровой обработки металлов и в дру­гих случаях.

Пример гигантского искрового разряда – молния. Молнии возникают либо между двумя облаками, либо между облаком и Землей. Сила тока в молнии достигает 500 000 А, а разность потенциалов между облаком и Землей – миллиарда вольт. Отдельные разряды молнии очень кратковременны. Они длятся всего лишь около одной миллионной доли секунды.

Задача 21.4. К электростатической машине подключены соединенные параллельно лейденская банка и разрядник. Ток электростатической машины I = 1,0×10 –5 А. Емкость лейденской банки С = 1,0×10 –8 Ф. Чтобы произошел искровой разряд, машина должна работать время t = 30 с. Длительность разряда t = 1,0×10 –6 с. Определить величину тока в разряде I р и напряжение зажигания искрового разряда U з . Емкостью разрядника пренебречь.

Ток в разряде А.

Такой большой ток обусловливает сильное нагревание воздуха, в результате которого возникает звук – характерное потрескивание.

Ответ : В; А.

СТОП! Решите самостоятельно: А16, В12, С4, С6.

Коронный разряд

При атмосферном давлении в газе, находящемся в сильно неоднородном электрическом поле (около остриев, проводов линий высокого напряжения и т. д.), наблюдается разряд, светящаяся область которого часто напоминает корону. По­этому его и назвали коронным.

Плотность заряда на поверхности проводника тем больше, чем больше его кривизна. На острие плотность заряда максимальна. Поэтому возле острия возникает сильное электрическое поле. Когда его напряженность превысит 3×10 6 В/м, наступает разряд. При такой большой напряженности ионизация посред­ством электронного удара происходит при атмосферном давле­нии. По мере удаления от поверхности проводника напряжен­ность быстро убывает. Поэтому ионизация и связанное с ней све­чение газа наблюдается в ограниченной области пространства.

При повышенном напряжении коронный заряд на острие имеет вид светящейся кисти – системы тонких светящихся линий, которые выходят из острия, имеют изгибы и изломы, изменяющиеся с течением времени. Такая разновидность ко­ронного разряда называется кистевым разрядом .

Рис. 21.11

Заряженное грозовое облако индуцирует на поверхности Зем­ли под собой электрические заряды противоположного знака. Особенно большой заряд скапливается на остриях. Поэтому пе­ред грозой или во время грозы нередко на остриях и острых уг­лах высоко поднятых предметов вспыхивают похожие на кисточ­ки конусы света. С давних времен это свечение называют огнями святого Эльма (рис. 22.11).

СТОП! Решите самостоятельно: А14, А15, В13, В14.

Дуговой разряд

Электрический разряд в воздухе при атмосферном давле­нии можно получить и при небольшой разности потенциалов между электродами. Если в качестве электродов взять два угольных стержня, привести их в соприкосновение и прило­жить напряжение 30–50 В, то по получившейся замкнутой цепи пойдет сильный ток. Так как в месте соприкосновения электродов сопротивление велико, то в соответствии с зако­ном Джоуля–Ленца здесь выделяется наибольшее количест­во теплоты и концы угольных стержней раскаляются. Темпе­ратура повышается настолько, что начинается термоэлект­ронная эмиссия. Вследствие этого при раздвижении угольных электродов между ними начинается самостоятельный разряд. Между углями возникает столб ярко светящегося газа – электрическая дуга (рис. 22.12).

Рис. 21.12

Проводимость газа в этом случае значительна и при атмос­ферном давлении, так как число электронов, испускаемых от­рицательным электродом, очень велико. Сила тока в неболь­шой дуге достигает нескольких ампер, а в больших дугах – нескольких сотен ампер при разности потенциалов всего лишь порядка 50 В.

Электрическая дуга была впервые получена в 1802 г. рус­ским академиком В. В. Петровым (1761–1834).

Высокая температура катода при горении дуги поддержи­вается бомбардирующими катод положительными ионами. Газ в самой дуге также сильно разогревается из-за соударений молекул с ионами и электронами, ускоряемыми полем. Поэто­му происходит термическая ионизация газа.

СТОП! Решите самостоятельно: В15, В16.