Газовий розряд. За звичайних умов гази майже повністю складаються з нейтральних атомів чи молекул, тому є діелектриками.

Переконатися в тому, що повітря є діелектриком, можна за допомогою такого досліду. Візьмемо дві металеві пластини. Одну з пластин приєднаємо до корпусу електрометра. Потім доторкнемося негативно зарядженою паличкою до пластини, приєднаної до електрометра. Обидві пластини набудуть електричного заряду, одна негативного (внаслідок дотику), друга (та, що заземлена) — позитивного (внаслідок впливу).

За умови достатньо сухого повітря заряд на пластинах триматиметься доволі довго, а отже, електричний струм через повітряний простір між пластинами не проходить. Це свідчить про те, що в повітрі між зарядженими пластинами майже відсутні вільні носії електричного заряду.

Механізм електропровідності газів. Давайте спробуємо проаналізувати розглянутий дослід. Звідки ж узялися заряджені частинки? Що являють собою вільні носії електричного заряду в газах?

Ви вже знаєте, що в газах молекули (атоми) не перебувають у певних положеннях, а вільно рухаються по всьому об’єму та стикаються між собою. Під час нагрівання молекули (атоми) значно збільшують свою швидкість і відповідно збільшується кінетична енергія теплового руху молекул (атомів) газу. Тепер у разі їхнього зіткнення молекули можуть «розбитися», тобто електрон може відірватися від молекули (атома) та стати вільним. Утративши електрон, молекула (атом) стає позитивним йоном.

Під час теплового руху електрон, зіткнувшись із нейтральною молекулою (атомом), може «прилипнути» до неї — таким чином утвориться негативний йон. Такий процес називають йонізацією газу.

Йонізація — це процес утворення позитивних і негативних йонів та вільних електронів з молекул (атомів).

Газ, що має йони та вільні електрони, називають йонізованим. Зовнішню умову, що приводить до йонізації газу, називають йонізатором.

Отже, в йонізованому газі вільними носіями електричного заряду є: електрони, позитивні та негативні йони.

Йонізувати газ можна в такий спосіб: нагріти його або опромінити електромагнітним випромінюванням, наприклад, рентгенівським або ультрафіолетовим.

У газах одночасно з процесом йонізації відбувається й зворотний процес — рекомбінація. Він полягає в тому, що позитивні та негативні йони (або позитивні йони й електрони) під час зіткнень з’єднуються між собою: утворюються нейтральні атоми або молекули. Із часом кількість йонів у газі зменшуватиметься, і зрештою практично всі йони нейтралізуються, а газ знову стане діелектриком.

Отже, механізм провідності газів схожий на механізм провідності розчинів і розплавів електролітів. У разі відсутності зовнішнього електричного поля заряджені частинки й нейтральні молекули рухаються хаотично. Якщо йони та вільні електрони потрапляють у зовнішнє електричне поле, то вони починають рухатися спрямовано і створюють електричний струм у газах — газовий розряд.

У випадку газового розряду позитивні йони рухаються до катода, а негативні йони та електрони — до анода. На електродах відбувається нейтралізація заряджених частинок, так само, як при проходженні електричного струму через розчини та розплави електролітів. Однак, на відміну від розчинів електролітів, у газах відсутнє виділення речовин на електродах. Йони газу, наблизившись до електродів, віддають їм свої заряди, перетворюються на нейтральні молекули та потрапляють знову в газ.

Давайте поміркуємо над тим, як же залежить провідність газів від температури. З підвищенням температури зростає швидкість руху молекул, а отже, дедалі більше молекул, стикаючись, «розбиваються» на йони та електрони, тобто кількість вільних носіїв електричного заряду збільшується. Що більшою буде кількість вільних носіїв заряду, то краще речовина проводитиме електричний струм. Отже, очевидним є висновок: зі збільшенням температури газів їхня провідність збільшується, а опір відповідно зменшується.

Несамостійний і самостійний газові розряди. Ми з’ясували, що газовий розряд може існувати за двох умов: існування електричного поля та наявності зовнішнього йонізатора. Дослід показує, що якщо усунути причину, яка б викликала йонізацію газу (прибрати пальник, вимкнути джерело рентгенівського випромінювання тощо), то газовий розряд припиняється. Причиною припинення газового розряду є зменшення кількості вільних носіїв електричного заряду внаслідок рекомбінації молекул газу та відновлення молекул після стикання йонів з електродами. У цьому разі говорять про несамостійний газовий розряд.

Несамостійний газовий розряд — це процес проходження електричного струму, що відбувається тільки за наявності зовнішнього йонізатора.

За певних умов газ може проводити електричний струм і після припинення дії йонізатора — настає самостійний газовий розряд.

Самостійний газовий розряд — це електричний розряд у газі, що зберігається після припинення дії зовнішнього йонізатора.

Залежно від властивостей і стану газу, характеру й розташування електродів, а також від прикладеної до електродів напруги виникають різні види самостійного розряду: тліючий, коронний, іскровий та дуговий. 

Розглянемо, як відбувається самостійний газовий розряд.

Під час руху в електричному полі швидкість електрона поступово збільшується. Проте це збільшення не може відбуватися нескінченно, оскільки електрон стикається з частинками газу. Якщо між зіткненнями електрон устигне набути великої швидкості, то, зіткнувшись із нейтральними атомом чи молекулою, він може вибити з них електрон, іншими словами, може їх йонізувати. У результаті йонізації утворюються позитивний йон і ще один електрон. Послідовність таких зіткнень приводить до створення електронної лавини (рис. 39.6). Описаний процес називають ударною йонізацією або йонізацією електронним ударом.

Електрони, що утворилися внаслідок ударної йонізації, прямують до анода і врешті-решт поглинаються ним. Проте газовий розряд не припиниться, якщо в ньому будуть з’являтися нові електрони. Одним із джерел нових електронів може бути поверхня катода. Річ у тім, що позитивні йони прямують до катода й вибивають із нього нові електрони. Іншими словами, внаслідок бомбардування катода позитивними йонами відбувається емісія (випускання) електронів з поверхні катода.

Таким чином, самостійний газовий розряд підтримується за рахунок ударної йонізації та за рахунок емісії електронів із поверхні катода.

З’ясовуємо, за яких умов можлива йонізація електронним ударом

Щоб електрон зміг у разі зіткнення вибити електрон із нейтральних атома чи молекули, він має набути достатньої кінетичної енергії. Це може відбутися у двох випадках: якщо електрон буде дуже довго розганятись або якщо він буде розганятися дуже швидко.

За нормального тиску (р ≈ ратм) електрони в газах дуже часто стикаються з атомами і молекулами газу, тому електричне поле, в якому рухається електрон, має бути досить сильним, щоб електрон до зіткнення встиг набути енергії, необхідної для йонізації.

Якщо ж тиск газу малий (р < 0,1ратм), тобто газ є досить розрідженим, то час між зіткненнями значно збільшується й електрон може набути енергії, необхідної для йонізації молекули (атома), в слабшому полі.

Питання для самоперевірки

1. Чому за звичайних умов гази є діелектриками? Чому під час нагрівання чи опромінення газу рентгенівськими або ультрафіолетовими променями газ стає провідником?

2. Що називають газовим розрядом?

3. Який механізм проходження електричного струму в газах? Які заряджені частинки є носіями струму в газах?

4. Який газовий розряд називається несамостійним; самостійним?

Поясніть

1. До зарядженого електроскопа піднесли запалений сірник. Що відбуватиметься зі стрілкою електроскопа?

2. Чим відрізняється йонізація газів від дисоціації електролітів?

3. Чому в разі охолодження газів їхня провідність падає?

4. Чим йонізація газів відрізняється від електролітичної дисоціації?

5. Що спільного і в чому різниця між електричним струмом у газах, рідинах і металах?

У 1802 році російський фізик Василь Володимирович Петров провів такий дослід. Він приєднав два вугільні електроди до полюсів великої електричної батареї й з’єднав їх, а потім трохи розсунув електроди. Між кінчиками вчений спостерігав яскраве дугоподібне полум’я., а самі кінчики розжарювалися, випромінюючи сліпуче біле світло. Так було отримано ще один вид самостійного розряду ― електричну дугу.

Іноді під час грози коронний розряд з блискавковідводу стає настільки сильним, що біля вістря виникає чітко видиме свічення. Таке свічення виникає й біля інших загострених предметів: на кінцях корабельних щогл, гострих верхівок дерев тощо. Це явище було відоме ще декілька віків тому («вогні святого Ельма») і викликало містичний жах у мореплавців, що не розуміли справжньої його сутності.

Красиве, але й небезпечне явище природи ― блискавка ― це іскровий розряд в атмосфері.

Ще в середині XVIII століття вчені звернули увагу на подільність блискавки до електричної іскри. Природу блискавки вивчали такі видатні фізики, як М. В. Ломоносов В. Франклін. Вони й довели, що блискавка ― то величезна іскра, що проскакує між грозовими хмарами або між хмарою і Землею.

Якщо гроза застала вас поза будівлею, не ховайтеся під деревами, особливо під високими дубами ― саме такі дерева блискавки «полюбляють» більше за інші.

Інститут електрозварювання ім. Є. О. Патона НАН України (Київ). Практично кожного дня ми зустрічаємося з явищем дугового розряду або наслідками його дії. Це і маленькі «сонця», які палають у руках робітників на будмайданчиках, і звичайні петлі, приварені до вхідних дверей вашої оселі. Саме завдяки зварюванню дуговий розряд набув такого поширення.

Безперечний світовий авторитет України в цій галузі забезпечили роботи вчених Інституту електрозварювання ім. Є. О. Патона. Світове визнання інститут здобув завдяки новітній для свого часу технології зварювання під флюсом, яку розробив засновник і перший директор інституту академік Євген Оскарович Патон (1870-1953).

На фото — відомий суцільнозварний міст Патона в Києві. Цей міст Американське зварювальне товариство визнало видатною зварною конструкцією XX ст.

Під керівництвом академіка Бориса Євгеновича Патона (1918-2020), який очолював Інститут електрозварювання в 1953-2020 рр., розроблені не тільки традиційні засоби зварювання для промисловості, а й новітні технології, які застосовують у космосі й навіть для зварювання живих тканин.